全 文 :分子植物育种,2015年,第 13卷,第 10期,第 2340-2347页
Molecular Plant Breeding, 2015, Vol.13, No.10, 2340-2347
研究报告
Research Report
甘蔗、斑茅及割手密Ⅲ型过氧化物酶基因克隆及比较分析
胡小文 姚艳丽 邢淑莲 徐磊 刘洋 *
中国热带农业科学院湛江实验站,湛江, 524000
*通讯作者, lyfull@163.com
摘 要 研究旨在通过比较分析甘蔗及其近缘种割手密和斑茅Ⅲ型过氧化物酶(Prxs)基因差异,探讨这三
种植物 Prxs功能差异的遗传基础。采用同源克隆方法,成功克隆获得了甘蔗、斑茅和割手密的 Prxs基因
DNA序列(Genebank登录号分别为 KJ001797, KJ001798和 KJ001799)。经测序鉴定,克隆获得的这三个基
因 DNA长度分别为 3 030 bp、3 048 bp和 3 028 bp,外显子长度均为 1 083 bp,其中编码区长度为 996 bp,
编码 331个氨基酸。蛋白质保守结构域分析表明,此三个基因均具有过氧化物酶典型保守结构域,属于依
赖于亚铁血红素Ⅲ型过氧化物酶亚类,为目标基因,且在功能位点区域高度保守,只存在一个氨基酸位点
差异。基因结构比较分析表明,克隆获得的割手密、斑茅和甘蔗过氧化物酶基因均包含 4个外显子,与高
粱、玉米和水稻的同源基因外显子个数一致,外显子长度有较小差异,而内含子长度却存在较大差异。高
粱、玉米和水稻 Prxs同源基因均处在靠近染色体末端的位置,说明此基因存在一定的同线性。本研究结果
为深入研究 Prxs基因在不同植物中功能差异提供了一定的参考,为研究植物中 Prxs基因的进化规律奠定
了一定的基础。
关键词 甘蔗,割手密,斑茅,Ⅲ型过氧化物,基因克隆
Isolation and Comparative Analysis of Class Ⅲ Peroxidases Gene DNA on
Saccharum officinarum, Saccharum spontaneum andSaccharum arundinaceum
Hu Xiaowen Yao Yanli Xing Shulian Xu Lei Liu Yang *
Zhanjiang Experiment Station, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang, 524000
* Corresponding author, lyfull@163.com
DOI: 10.13271/j.mpb.013.002340
Abstract In this study, to isolate and comparate of classⅢ peroxidases (Prxs) geneDNAon Saccharum officinarum,
Saccharum spontaneum and Saccharum arundinaceum, and investigate the functional differences of Prxs gene on
sugarcane and relative species, by using the homologous cloning strategy, a Sorghum bicolor Prxs gene was used
as probe, three novel Prxs genes (KJ001797, KJ001798 and KJ001799) were cloned. The sequencing data were
showed, the length of these cloned gene was 3 030, 3 048 and 3 028 base pair, respectively, each of the three
genetic exon full length was 1 083 bp, including 5 untranslated regions 27 bp, 3 untranslated regions 60 bp, and
996 bp ORF, which coded 331 amino acids. The proteins conservative structural domain analysis were showed,
these three genic proteins had typical well-conserved amino-acid residues of peroxidases, were classified to heme
containing classⅢ peroxidases, which were the aimed genes, and the functional sites were highly conserved, only
an amino acid site was different. The genic structural analysis were showed, each of the cloned gene was included
four exons, was the same in sorghum, maize and rice, the exons length were nearly the same between these
species, but the introns length were obviously different. The homologous genes of these clones were located on
chromosomal terminal in sorghum, maize and rice, indicated that these homologous genes were collinear. This
study provided a reference for further study in distinguishing the functional difference among different plants, lay a
foundation for the evolution research of Prxs genes in plant kingdom.
Keywords Saccharum officinarum, Saccharum spontaneum, Saccharum arundinaceum, Class Ⅲ peroxidases,
Gene clone
表 1筛选出的 3条甘蔗 EST序列特征
Table 1 The characterization of three sugarcane ESTs
GenBank登
录号
Locus
CA181275.1
CA212331.1
CA178157.1
片段大小(bp)
Size (bp)
570
601
501
位置
Range
419-988
127-787
837-1 337
相似性
Identities
97%
92%
96%
期望值(E)
Expect
value
0.0
0.0
3e-164
根据《中国植物志》描述(中国科学院中国植物
志编辑委员, 2013, 科学出版社, 10(2): 39),甘蔗属
主要包括甘蔗(Saccharum officinarum,热带种)、竹蔗
(Saccharum sinense, 中国种)、细秆甘蔗(Saccharum
barberi,印度种)、割手密(Saccharum spontaneum,又名
甜根子草,为细茎野生种)和斑茅(Saccharum arundin-
aceum)。甘蔗属的基因组多为高度多倍体(2n=36-170)
和非整倍体(杨翠凤等, 2014),其遗传背景复杂,被认
为是农作物中最复杂的基因组之一,因此对其基因
家族的克隆和基因功能研究显得非常困难。
国内外现代栽培甘蔗品种的亲本绝大多是热带
种和割手密的杂交后代,少部分亲本含有斑茅、中国
种或印度种的血缘(邓海华和张琼, 2006)。现代甘蔗
基因组大约有 70%~80%来源于热带种,10%~20%来
源于割手密,10%来源于两者之间的基因重组(Zhang
etal., 2014,https://pag.confex.com/pag/xxii/webprogram/
Paper10107.html)。因斑茅和割手密与栽培甘蔗亲缘
关系密切,遗传背景相似,且具有抗旱、耐瘠、宿根性
好等优良性状,是甘蔗遗传改良育种的优良材料。
高粱是热带禾本科植物的代表,是研究 C4光合
作用植物的模式作物,大约在 500万年前与甘蔗有
共同的祖先(Sobral et al., 1994)。它们之间存在非常
多的同源基因(Ming et al., 1998),甚至高粱和甘蔗的
种间杂交能够产生可生育的后代(Wet et al., 1976)。高
粱具有较小的基因组,大约 730 Mb (Paterson et al.,
2009)。高粱相对于甘蔗属植物,其遗传定位研究得更
为完善,包括分蘖性、开花、株高、糖份含量、病害等
方面均取得了较大的进展,非生物胁迫相关的基因
和 QTL也有较多研究(王海莲等, 2009)。因此高粱基
因组注释信息对开展甘蔗基因遗传及调控规律方面
的研究是一种可行且有效的方法。
Ⅲ型过氧化物酶(EC 1.11.1.7, Prxs)是亚铁血红
素过氧化物酶中的一种,通过携带电子到各种分子
供体来催化还原 H2O2,其基因通常包含四个外显子
和三个内含子,具有一些高度保守的氨基酸特征,例
如具有与亚铁血红素相互作用的两个组氨酸残基
(远端和近端组氨酸)和八个半胱氨酸残基组成的二
硫键(Banci, 1997)。Prxs基因存在于大多植物中,是
一个多基因家族,在水稻中现已发现了 138个(Pas-
sardi et al., 2004),拟南芥中有 73 个(Tognolli et al.,
2002; Welinder et al., 2002),在藓类植物、蕨类植物、
浮萍和杨树中均有发现(Passardi et al., 2004),涉及生
长素代谢,木质素和木栓素形成,细胞壁交联化合
物,植物抗毒素代谢和活性氧系统与活性氮系统代
谢等多个生理过程(Hiraga et al., 2001)。然而,由于Ⅲ
型过氧化物酶涉及的同源基因较多,很难确定单一
基因的功能,通过比较相近物种中同源基因的差异,
可以发现其基因进化规律,可为阐明各基因功能奠
定基础。姚艳丽等(2013)发现,在干旱胁迫条件下,割
手密和斑茅的过氧化物酶活性显著高于甘蔗,说明
过氧化物酶在此三个物种中存在较大差异。胡小文
等(2015)成功克隆获得了两个Ⅲ型过氧化物酶基因,
并能正常表达。但甘蔗、斑茅和割手密的Ⅲ型过氧化
物酶 DNA基因还不曾有人克隆及比较分析。
本研究以高粱 Prxs基因序列为探针,采用同源
克隆方法获得甘蔗、斑茅和割手密的 Prxs基因,并通
过比较这三个物种及近缘物种 Prxs基因差异,探讨
Prxs基因的进化规律,旨在为进一步研究 Prxs基因
功能和遗传进化规律奠定基础。
1结果与分析
1.1 Prxs基因 cDNA参考序列
以高粱 Prxs 基因 Sb10g027490 cDNA 序列
(XM_002437414.1)为探针,根据 3.2.2的方法,提取 3条
与 XM_002437414.1相似性较高且覆盖编码区的 EST
序列(表 1;图 1),对这三条 EST序列进行拼接去除重复
区后,获得 1 409 bp的 Prxs基因 cDNA参考序列。
1.2引物设计与 PCR扩增
按照 3.2.3引物设计的方法,设计两对引物(表 2)。
分别将甘蔗、割手密和斑茅 DNA以此两对引物经两
轮扩增后,进行琼脂糖凝胶电泳检测,将含有目的条
带的 PCR产物进行纯化后转入克隆载体后,挑取阳
性克隆,进行 PCR验证,结果显示,PCR扩增产物大
小为 3 000 bp左右,与预测的结果一致,可认为为目
的条带(图 2)。
1.3目的序列的确定和结构分析
测序获得甘蔗、割手密和斑茅 Prxs基因 DNA
甘蔗、斑茅及割手密Ⅲ型过氧化物酶基因克隆及比较分析
Isolation and Comparative Analysis of ClassⅢ Peroxidases Gene DNA on S. officinarum, S. spontaneum and S. arundinaceum 2341
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
图 1利用高粱 Prxs cDNA序列检索出的 3条甘蔗 EST序列
Figure 1 Three sugarcane ESTs were picked as a probe utilizing the cDNA sequence of sorghum Prxs gene
表 2引物设计策略
Table 2 The strategy of primers design
引物名称
Primer name
P1
P2
引物序列(5-3)
Primer sequence (5-3)
正向
(Forward):
TGCTTGTAGGTGCAGCAGCC
反向
(Reverse):
GCAGAGCATGTATCTGACAA
正向
(Forward):
GCAGCAGCAGTCCATCTCGG
反向
(Reverse):
TCCCGATGAGCAATCGAGCC
图 2甘蔗、割手密和斑茅 Prxs基因 PCR检测结果
注: M: Marker 500 bp DNA ladder
Figure 2 Detection of Prxs gene PCR in sugarcane, cutting hand
and zebra
Note: M: Marker 500 bp DNA ladder
序列长度分别为 3 030 bp、3 048 bp和 3 028 bp,参照
高粱 Prxs基因 Sb10g027490的结构特征对获得的这
三个基因进行结构分析,结果表明,这三个基因结构
基本一致,均含有四个外显子,三个内含子,cDNA长
度均为 1 083 bp,各外显子长度也一致,但内含子大
小有一定差异(图 3)。三个内含子的模式是Ⅲ型过氧
化物酶基因标准内含子模式,在拟南芥 73个Ⅲ型过
氧化物酶基因中有 48个是这种内含子模式(Welinder
et al., 2002)。说明Ⅲ型过氧化物酶基因基因结构比较
保守,编码区也相对保守,但内含子存在较大的变
异。将克隆获得的序列提交 GeneBank数据库,分别
获得登录号 KJ001797、KJ001798和 KJ001799。
序列比较发现,KJ001797,KJ001798和KJ001799
之间共有 147个差异位点,其中编码区有 14个(表 3),
5非编码区有 1个,3非编码区有 3个,其余均发生
在内含子区域。
在与甘蔗属亲缘关系较近的禾本科植物玉米和
水稻中分别找到与 KJ001797, KJ001798和 KJ001799
亲缘关系最近的Ⅲ型过氧化物酶基因 LOC100283382
和 Os06g0681600,及它们外显子、内含子和非编码区
(UTR)的长度(表 4),比较发现,这两个基因的基因结
构和甘蔗属(KJ001797, KJ001798 和 KJ001799)及高
粱(Sb10g027490)的构造一致,均含有四个外显子和
三个内含子,在编码区,玉米(LOC100283382)只有第
一个外显子和甘蔗属和高粱的有些差异,而水稻第
一个和第四个外显子和它们均有差异。在内含子方
面,水稻(Os06g0681600)第三个内含子有一大段插
入,而这段序列的很大一部分(6 427 bp)却来自另一
染色体的 Os08g0289300基因,这可能是发生了反
转座子插入。
根据 NCBI中的注释信息,高粱、玉米和水稻的
这三个 Prxs基因均处在靠近染色体末端的位置(图 4),
说明这个基因存在一定的同线性,并可推断,在甘蔗
属中可能也存在类似的位置,可为甘蔗属基因遗传
图谱的构建提供一定的参考。
1.4蛋白功能预测
KJ001797、KJ001798 和 KJ001799 cDNA 序列
全长均为 1 083 bp,其中开放阅读框长度为 996 bp,
5非翻译区 27 bp,3非翻译区 60 bp。这三个基因均
编码 331个氨基酸,只有 11个位点的有差异。利用
NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Structure/cdd/docs/
cdd_search.html)进行蛋白质保守结构域分析(图 5),
结果表明,这三个基因的编码蛋白均属于依赖于
亚铁血红素的Ⅲ型过氧化物酶亚类,为所需获得
的目标基因。
2342
甘蔗、斑茅及割手密Ⅲ型过氧化物酶基因克隆及比较分析
Isolation and Comparative Analysis of ClassⅢ Peroxidases Gene DNA on S. officinarum, S. spontaneum and S. arundinaceum
图 3 KJ001797, KJ001798和 KJ001799基因结构
注:标尺为长度标尺;白框表示非编码区,黑框表示外显子;黑线表示内含子;数字表示片段长度
Figure 3 KJ001797, KJ001798, KJ001799 genomic organization
Note: The rule represent length of gene in base pairs; White boxes, untranslated; Black boxes, exons encoding amino acids; Black
lines, introns; Numbers represent lengths of each region in base pairs
表 3 KJ001797,KJ001798和 KJ001799编码区差异位点的位置与碱基
Table 3 The allelic variations on the coding region of KJ001797, KJ001798 and KJ001799
碱 基
Bases
位置
Sites
KJ001797
KJ001798
KJ001799
58
A
G
A
104
A
A
C
193
G
A
G
194
C
G
A
498
G
G
A
501
T
T
C
728
T
A
T
738
A
G
G
803
A
A
T
2 611
T
C
T
2 679
T
T
C
2 969
C
T
C
3 000
A
C
C
Ⅲ型过氧化物酶功能区域分析表明,在 43个保
守的功能位点中,甘蔗属的这三个基因与高粱
Sb10g027490只有二个位点有差异,与玉米 LOC100-
283382和水稻 Os06g0681600也只有四个位点有差
异(图 6),说明这几个基因在这些物种中功能相当保
守,且高粱与甘蔗属的这三个物种差异非常小。
2讨论
甘蔗属的植物因为其遗传背景复杂,基因组较
大,对于其基因特别是多基因家族的研究显得非常
困难。而同属于 C4植物的高粱为同源二倍体,基因
组较小,且其测序及基因注释工作也基本完成(Pater-
son et al., 2009),相对于甘蔗属的植物,其遗传定位
表 4 Prxs同源基因结构
Table 4 The structure of ClassⅢ peroxidases homologous genes
甘蔗
Saccharum officinarum, KJ001797
割手密
Saccharum spontaneum, KJ001798
斑茅
Saccharum arundinaceum, KJ001799
高粱
Sorghum bicolor, Sb10g027490
玉米
Zea mays, LOC100283382
水稻
Oryza sativa, Os06g0681600
5URT
27
27
27
132
120
28
216
216
216
216
207
225
192
192
192
192
192
192
163
163
163
163
163
163
425
425
425
425
425
434
3UTR
60
60
60
361
275
217
131
124
122
133
124
97
109
107
101
143
100
82
1 707
1 734
1 722
1 733
1 700
9 975
外显子
Exon
内含子
Intron
2343
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
图 4 Sb10g027490、LOC100283382 和 Os06g0681600 基因在
染色体上的相对位置
Figure 4 The relative site of Sb10g027490, LOC100283382 and
Os06g0681600 on chromosome
图 5 KJ001797、KJ001798和 KJ001799保守区域
Figure 5 The conserved domains of KJ001797, KJ001798 and KJ001799
研究得也更为完善,包括分蘖性、开花、株高、糖份含
量、病害等方面均取得了较大的进展,非生物胁迫相
关的基因和 QTL也有较多研究(王海莲等, 2009)。而
甘蔗在这些方面的研究还相对滞后。因此,参照高粱
基因组信息开展甘蔗基因功能的研究是一个非常有
效的方法。本研究通过对克隆得到的三个甘蔗属的
Prxs基因的分析,它们之间差异非常小,在 331个氨
基酸中,只有 11个位点有差异,其中甘蔗与割手密
有 7个差异位点(相似度为 97.88%),甘蔗与斑茅有 9
个差异位点(相似度为 97.28%),甘蔗与高粱有 21个
差异位点(相似度为 93.66%),在这些差异位点中,真
正涉及功能位点的只有两个(图 5),而对于玉米(相似
度为 89%)和水稻(相似度为 77%)而言,这些差异位
点稍多一些,也进一步反映了甘蔗与这些物种的亲
缘关系。基因结构方面,甘蔗 Prxs基因 KJ001797与
割手密、斑茅、高粱、玉米和水稻的同源基因都一样,
且甘蔗、割手密、斑茅和高粱各外显子长度均一致,
内含子差异也较小,所以利用高粱现有基因组信息
研究甘蔗属的 Prxs基因准确性非常高。为进一步提
高在克隆的准确性,本研究在得到高粱的 Prxs基因
序列(XM_002437414.1)后,将此序列与甘蔗的 EST
库进行 blast比对,找到相似度更高的 EST拼接成一
条假设的 Prxs基因序列,根据此序列设计引物,分别
扩增甘蔗、割手密和斑茅的 Prxs基因,为提高扩增效
率和特异性,采用巢式 PCR,设计两对引物,成功获
得目的基因。但巢式 PCR也有一定的不足,即第二
轮扩增丢失了一段 5UTR和 3UTR区域,但对重点研
究表达区域的基因来说,并不影响其表达序列分析。
Prxs 是一种与植物分泌途径相关的过氧化物
酶,也是研究得最为广泛的一种类型(De Gara, 2004),
在植物 Prxs家族中,组成 Prxs的氨基酸序列在个体
中是高度可变的,相似性甚至会少于 35%,然而 90%
参与催化的残基在不同植物中均存在(Berglund et al.,
2002),这表明对于不同植物个体,虽然 Prxs基因氨
基酸序列存在较大差异,但功能区相对保守,而氨基
酸的差异也导致了其表达时间、部位甚至功能有一
定的差异。Hiraga等(2000)研究了 21个水稻 Prxs基
因在不同组织、不同发育阶段和外部环境刺激下的
基因表达情况,结果表明它们在这些方面均存在显
著差异。郭媖等(2007)从陆地棉中克隆得到 2个相似
性高达 99%的过氧化物酶基因,通过 RT-PCR研究
表明,这两个基因在植株不同部位,不同生长阶段表
达情况均有所不同。这表明过氧化物酶在植物体内
存在很多同工酶,且这些酶在植物不同部位、不同时
间或不同环境的分布均有所不同,很难确定单一的
过酶化物酶在面对环境刺激所起的作用,通过亲缘
关系较近物种的同源 Prxs基因表达情况的横向比
较,或许可以理清一些 Prxs亚型的具体功能,找到一
些引起功能差异的同源 Prxs基因特征,而本研究提
供了这一思路,后续可进一步研究克隆得到的甘蔗属
这三个基因在这三种植物表达情况,确定其表达时
期,表达部位,及其在植物生理过程中所起的作用。
3材料与方法
3.1材料
3.1.1植物材料采集
本研究所用割手密来源于云南国家甘蔗种质资
2344
图 6 KJ001797, KJ001798, KJ001799, Sb10g027490, LOC100283382和 Os06g0681600氨基酸比较及功能位点
Figure 6 Alignment of the amino acid sequences of the KJ001797, KJ001798, KJ001799, Sb10g027490, LOC100283382 and Os06g
0681600
源圃割手密 82-114,甘蔗试验品种为ROC22,斑茅
采集于海南野生资源,以上植株均在广东湛江进行
盆栽试种,出苗两个月后,取顶端第二片叶于液氮中
速冻,提取总 DNA。
3.1.2主要试剂
DNA提取采用天根生化(北京)公司 Plant Geno-
mic DNAKit试剂盒,DNA聚合酶采用大连宝生物公
司的MasterMixTaq (已包含 LoadingBufer和 dNTPs),
DNA纯化采用天根生化科技有限公司的“普通 DNA
产物纯化试剂盒”,基因克隆转化采用北京全式金公
司的 pEASY-T5 Zero Cloning Kit。
3.2 方法
3.2.1 DNA提取
参照天根生化(北京)公司 Plant Genomic DNA
Kit试剂盒提供的方法分别提取甘蔗、割手密和斑茅
叶片 DNA。
3.2.2 Prxs基因 cDNA参考序列推导
以与甘蔗属亲缘关系较近的高粱 Prxs 基因
Sb10g027490 cDNA序列(XM_002437414.1)为探针,
甘蔗、斑茅及割手密Ⅲ型过氧化物酶基因克隆及比较分析
Isolation and Comparative Analysis of ClassⅢ Peroxidases Gene DNA on S. officinarum, S. spontaneum and S. arundinaceum 2345
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
在 NCBI中检索甘蔗属(Saccharum officinarum comp-
lex) EST数据库,获得覆盖编码区的相似性最高的
EST序列,再将这些 EST序列进行拼接,去除重复
区,获得假定的甘蔗属 Prxs基因 DNA参考序列。
3.2.3引物设计与 PCR扩增
为提高 PCR 扩增的产量和特异性,采用巢式
PCR,以推导得到的甘蔗属 Prxs基因 cDNA参考序
列为模板,参考高粱 Prxs基因 Sb10g027490的基因
结构,在 5非编码区和 3非编码区分别设计两对引
物对目标区域进行两轮 PCR扩增。两轮 PCR程序均
采用 94℃预热 5 min,然后 94℃ 30 s,60℃ 30 s,72℃
210 s,30个循环,最后 72℃延伸 10 min。采用琼脂
糖凝胶电泳检测 PCR产物,将目的 PCR产物利用
“普通 DNA产物纯化试剂盒”进行纯化。
3.2.4基因克隆与检测
将纯化的目的 PCR产物按照“pEASY-T5 Zero
Cloning Kit”试剂盒的方法转入克隆载体,利用感受
态细胞对克隆进行转化,PCR扩增鉴定阳性重组子,
挑选阳性克隆送到英骏(广州)生物技术公司测序部
进行测序,获得 Prxs基因 DNA序列。最后对获得的
序列进行基因结构功能进行分析和预测。
作者贡献
刘洋是项目的构思者及负责人,指导试验设计;
胡小文完成试验数据分析和论文写作与修改;姚艳
丽完成基因克隆转化实验操作;邢淑莲完成试验材料
处理和总 DNA提取工作;徐磊完成引物设计工作。
全体作者都阅读并同意最终的文本。
致谢
感谢云南国家甘蔗种质资源圃给予的割手密材
料,感谢中国热带农业科学院给予的经费支持,感谢
课题组成员的密切合作和支持,感谢在本研究中给
予帮助和关心的各位老师和工作人员!
参考文献
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Isolation and Comparative Analysis of ClassⅢ Peroxidases Gene DNA on S. officinarum, S. spontaneum and S. arundinaceum
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