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滇龙胆GrWRKY2基因的克隆与序列分析



全 文 :[生化与农业]
滇龙胆GrWRKY2基因的克隆与序列分析①
路 止 飞 张 晓 东 彭 东 燕 李 文 清 胡 文 书
(玉溪师范学院 资源环境学院,云南 玉溪653100)
[关键词]滇龙胆;GrWRKY2基因;基因克隆;生物信息学分析
[摘 要]以滇龙胆转录组为基础,采用RT-PCR技术从滇龙胆幼叶克隆GrWRKY2基因,并进
行生物信息学分析.从分析结果看,滇龙胆GrWRKY2基因全长363bp,编码120个氨基酸,相
对分子量为13.24kD,pI为8.29,其蛋白属于 WRKY转录因子家族成员,可能定位于细胞核,
且蛋白无信号肽,为亲水稳定蛋白,主要由α-螺旋(28.33%)和无规则卷曲(59.17%)构成,具有
WRKY蛋白保守结构域.从亲缘关系看,蛋白与琴叶拟南芥AlWRKY15和白菜BrWRKY51亲
缘关系较近.
[作者简介]路止飞,研究方向:植物分子生物学.
张晓东,博士,研究方向:植物代谢基因工程.
[中图分类号]O657[文献标识码]A[文章编号]1009-9506(2015)04-0037-05
滇龙胆(Gentiana rigescens)为云南道地药材,其主要药效成分为龙胆苦苷.滇龙胆是龙胆泻肝片、苦
胆草片等200多种中药的主要成分[1].近年来,龙胆市场需求量剧增,使野生滇龙胆野生资源遭到极大破
坏[1].要解决龙胆的药源问题,必须弄清龙胆苦苷生物合成途径及其调控机理,这样才能为通过基因工程
生产龙胆苦苷奠定基础.
研究表明,WRKY转录因子能够调控萜类的生物合成.如,在棉花中,GaWRKY1通过激活(+)-δ-
杜松烯合成酶而促进棉子酚的生物合成[2];在拟南芥中,AaWRKY1通过激活紫穗槐-4,11-二烯合成
酶的合成进而促进青蒿素的生物合成[3];在番茄毛状体中,SlWRKY73主要在根中表达,能够激活萜类合
成酶基因SlTPS5的表达[4];在西洋参中,PqWRKY1是三萜人参皂苷生物合成的正调控因子[5].此外,最
新研究表明,拟南芥中30%(22/72)的 WRKY转录因子都对茉莉酸甲酯处理产生响应,而在长春花中该
数字为25%(12/48)[6].此前,通过对滇龙胆的根和叶进行转录组测序分析,笔者发现GrWRKY2基因在
叶中强烈上调,因此该基因可能与龙胆苦苷生物合成途径的调控有关.
此外,从目前的研究情况看,国内外学者对龙胆的研究主要集中在种子萌发[7,8]、DNA条码[9,10]、转录
因子功能[11,12]、育种[13]等方面,而尚未对滇龙胆GrWRKY2基因进行克隆和表达分析.因此,在本研究中,
笔者根据滇龙胆转录组中的GrWRKY2基因序列,设计一对特异性引物,通过RT-PCR技术成功从滇龙
胆幼叶中扩增到该基因,并对其进行序列分析.
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玉溪师范学院学报(第31卷)2015年第04期 Journal of Yuxi Normal University Vol.31No.04Apr.2015
① 基金项目:玉溪师范学院大学生创新项目,编号:2014B18;云南省大学生创新项目,编号:201411390001.
1 材料和方法
1.1 材 料
本实验所用材料为滇龙胆 (Gentiana rigescens),其植株栽培于玉溪师范学院分子生物学实验室.
RNA提取所用材料为滇龙胆无菌苗幼叶.
1.2 方法
(1)叶片总RNA提取及GrWRKY2基因ORF的克隆.按照多糖植物组织提取试剂RNAiso(Takara,
宝生物工程(大连)有限公司)说明书提取滇龙胆幼叶总RNA,按照逆转录试剂盒(Takara,宝生物工程(大
连)有限公司)说明书合成cDNA.根据中间表达载体pENTR2B多克隆酶切位点和滇龙胆转录组中
GrWRKY2基因序列,设计一对特异引物 GrWRKY2 BamHI-F:GGATCCATGTCTGACTCTA-
ATTTTTATCAC(下 划 线 为 BamHI 酶 切 位 点),GrWRKY2 XhoI- R:CTCGAGTCAAATAC-
TAGGGTTTGGATT(下划线为XhoI酶切位点,引物由上海捷瑞生物工程有限公司合成).以cDNA为
模板进行PCR扩增,反应体系为PrimeSTAR Max Premix(2×,Takara,宝生物工程(大连)有限公司)25
μl,cDNA模板2μl,正反向引物(10μmol/L)各1μl,加ddH2O补足50μl.PCR反应条件为:98℃变性
10s,50℃退火15s,72℃延伸5s,30循环;72℃加A尾30min.PCR产物经1.0%琼脂糖凝胶电泳分
离,然后割胶,使用胶回收试剂盒(Qiagen,德国)对目的片段进行回收,将其连接到pMD19-T载体(Taka-
ra,宝生物工程(大连)有限公司).转化大肠杆菌DH5α(Takara,宝生物工程(大连)有限公司)后进行蓝
白筛选,挑取白斑摇菌;使用试剂盒提取质粒(百泰克,北京),经酶切检测正确后进行测序(上海生工,上
海),获得重组质粒pMD19-GrWRKY2.
(2)GrWRKY2基因的生物信息学分析.参考张晓东等[14]的方法对GrWRKY2基因进行生物信息学
分析,其中二级结构分析网址为:http://scratch.proteomics.ics.uci.edu/index.html.
2 结果与分析
2.1 滇龙胆GrWRKY2基因序列的克隆
以滇龙胆幼叶cDNA为模板,使用特异性引物扩增出约400bp的片段.通过TA 克隆获得重组质粒
pMD19-GrWRKY2,酶切检测结果表明双酶切获得的两片段大小之和等于单酶切片段大小,与预期相符.
2.2 GrWRKY2基因的生物信息学分析
利用Genetyx、DNAMAN软件对GrWRKY2基因cDNA序列进行分析,结果显示GrWRKY2基因
ORF全长362bp,编码120个氨基酸.将该序列上传至GenBank数据库,获得登录号KM215137.
利用DNAMAN 7软件将GrWRKY2蛋白氨基酸序列与NCBI中相似性较高的部分序列进行比对分
析,结果表明GrWRKY2蛋白与已知蛋白序列保守性较高(图1).利用 MEGA6.06将GrWRKY2氨基酸
序列与其他相似性较高的 WRKY序列进行系统发育分析,结果显示滇龙胆GrWRKY2蛋白与琴叶拟南
芥AlWRKY15和白菜BrWRKY51亲缘关系较近(图2).
使用ExPASy ProtParam tool对GrWRKY2蛋白进行分析,结果表明:GrWRKY2蛋白单体相对分
子质量为13.24kD,pI为8.29;带正电氨基酸残基(Arg+Lys)为13,带负电氨基酸残基(Asp+Glu)为
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玉溪师范学院学报
11,其分子式为C567H907N161O188S8,不稳定指数为38.20,属于稳定蛋白;脂肪指数为71.58,总平均疏水性
(GRAVY)为-0.518,为亲水蛋白.分析结果表明还表明,GrWRKY2蛋白含有20种基本氨基酸,其中丝
氨酸含量最高,为14.2%,其次是天冬酰胺,为12.5%,色氨酸含量最低,为0.8%.
说明:黑色-相似性等于100%;深灰色-75%相似性<100%;浅灰色-50%相似性<75%
图1 GrWRKY2蛋白与其他植物 WRKY蛋白保守区的比对结果
图2 GrWRKY2蛋白与植物中其他 WRKY2蛋白的系统发育分析
利用Sspro对 GrWRKY2蛋白进行二级结构分析,结果表明:该蛋白二级结构中α-螺旋(H)占
28.33%,无规则卷曲(C)占59.17%,延伸带(E)占12.50%.利用Swiss-Model Workspace,使用自动模式
预测GrWRKY2蛋白的三级结构,结果如图3.该模型以拟南芥AtWRKY4[1wj2.1]为模板,在第89~120
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路止飞 张晓东 彭东燕 李文清 胡文书:滇龙胆GrWRKY2基因的克隆与序列分析
图3 GrWRKY2蛋白的三维结构预测
氨基酸处建模,序列相似度为53.13%.使用InterPro
在线工具对GrWRKY2蛋白的保守结构域进行分析,
结果表明GrWRKY2蛋白包含DNA-binding WRKY
(IPR003657)保守结构域.
利用SignalP 4.1服务器分析GrWRKY2蛋白,未
发现信号肽,表明该蛋白为非分泌型蛋白.利用 TM-
HMM工具预测GrWRKY2蛋白的跨膜螺旋区,结果
表明GrWRKY2蛋白不含跨膜螺旋区域,为非膜蛋白.
使用 WoLF PSORT软件进行亚细胞定位分析,结果为
GrWRKY2蛋白的定位系数分别为:细胞核5.0,叶绿体3.0,细胞质3.0,分泌途径2.0.
3 讨 论
WRKY蛋白家族的作用比较广泛,主要参与生物胁迫、非生物胁迫、种子发育、种子休眠与萌发、衰老
等过程[15].最近的研究结果还表明,WRKY蛋白还参与萜类生物合成的调控[2,3,5].WRKY蛋白的最典型
特征是包含“WRKY”结构域,其中 W=色氨酸、R=精氨酸;K=赖氨酸;Y=酪氨酸.根据该保守结构域,
笔者在滇龙胆数据库中进行搜索,发现了大量的 WRKY蛋白,其中GrWRKY2基因在叶中表达量远远高
于根,可能参与龙胆苦苷的生物合成.为此,本文对GrWRKY2基因进行克隆和生物信息学分析.但在基
因克隆过程中,由于受到DNA聚合酶种类、PCR循环数等影响,往往会导致所克隆的片段发生突变.因
此,本研究采用目前保真性最高的酶PrimeSTAR Max Premix,并将PCR循环数设置为30,来最大限度
地防止所克隆片段的突变,从而使所克隆的基因序列具有很高的可信度.
使用生物信息学对所克隆的基因片段进行分析,BLAST比对结果和系统发育分析结果均表明所克
隆片段为WRKY 基因.亚细胞定位分析结果表明,GrWRKY2蛋白可能定位于细胞核,这与西洋参
PqWRKY1的细胞核定位结果相一致[5].保守结构域分析结果表明,GrWRKY2蛋白包含DNA-binding
WRKY(IPR003657)保守结构域,因此,笔者推测GrWRKY2蛋白可能通过该保守结构域来调控细胞核
内基因的表达.
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Cloning and Sequence Analysis of GrWRKY2Gene in Gentiana rigescens
LU ZHifei ZHANG Xiaodong PENG Dongyan LI Wenqing HU Wenshu
(School of Resources and Environment,YuxiNormal University,Yuxi,Yunnan 653100,China)
Key Words:Gentianarigescens;GrWRKY2gene;gene cloning;sequence analysis
Abstract:Based on the transcriptome of Gentianarigescens,aGrWRKY2gene was cloned from young leaves of
Gentianarigescens by RT-PCR technology,and its bioinformatics analysis was also performed.The result shows that
GrWRKY2gene(GenBank accession KJ917169)has a length of 363bp coding for 120amino acids,and the relative molecular
weight of GrWRKY2protein is 13.24kD with its pI of 8.29.GrWRKY2protein belongs to the WRKY transcription factor
family,and may be localized in nucleus.It is a stable hydrophilic protein without signal peptide and mainly composed ofα-
helix(28.33%)and random coils(59.17%).GrWRKY2protein is close to AlWRKY15and BrWRKY51.This study wil
lay a foundation for further researches on functions of GrWRKY2gene.
收稿日期:2015年2月5日
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路止飞 张晓东 彭东燕 李文清 胡文书:滇龙胆GrWRKY2基因的克隆与序列分析