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拟南芥中一个参与热胁迫应答基因功能的初步研究



全 文 :2015年09月 四川大学学报 (自然科学版) Sept.2015
第52卷 第5期 Journal of Sichuan University(Natural Science Edition) Vol.52 No.5
收稿日期:2014-02-21
基金项目:国家自然科学基金 (31171586),转基因重大专项 (2011ZX08009-003-002)
作者简介:王翔 (1988-),男,甘肃西和人,硕士研究生,研究方向为分子遗传学与基因工程.E-mail:815501002@qq.com
通讯作者:李旭锋.E-mail:xfli@scu.edu.cn
doi:103969/j.issn.0490-6756.2015.09.031
拟南芥中一个参与热胁迫应答基因功能的初步研究
王 翔,刘志斌,李旭锋
(四川大学生命科学学院,生物资源与生态环境教育部重点实验室,成都610064)
摘 要:在拟南芥中发现了一个受热诱导的基因At4g19430,经Real-time PCR分析表明该
基因受热诱导后表达量显著升高.组织特性的分析发现其在拟南芥不同组织中均有表达,但
在叶中表达量最高.亚细胞定位结果表明At4g19430蛋白定位在细胞质中.筛选并鉴定了该
基因的突变体,并分析了其在热胁迫时的表型,结果表明该基因的突变体对热胁迫非常敏
感,在热胁迫的条件下突变体存活率明显下降.
关键词:拟南芥;亚细胞定位;热胁迫
中图分类号:Q945   文献标识码:A   文章编号:
Function study of a gene which involved in heat stress
response in Arabidopsis
WANG Xiang,LIU Zhi-Bin,LI Xu-Feng
(Key Laboratory of Bio-resource and Eco-environment of Ministry of Education,
Colege of Life Sciences,Sichuan University,Chengdu 610064,China)
Abstract:In this work,the expression and the function of the gene At4g19430under various abiotic
stress was studied.The results showed that the expression of At4g19430significantly increased after
heat stress.Expression patterns in various plant tissues indicated that At4g19430dominantly accumula-
ted in leaves.At4g19430-GFP fusion protein was observed mainly in the cytoplasm.The T-DNA inser-
tion mutant line was obtained.Then the differences of survival rate between wild-type and mutant line
under normal and heat stress conditions were analyzed.The results suggested that the mutant line was
more sensitive to heat stress.
Key words:Arabidopsis;Subcelular localization;Heat stress
1 引 言
植物在生长发育过程中经常遇到各种不利环
境,例如干旱、盐害、极端温度等,这些不利因
素会影响植物的地域分布和生长状况,经济作物
的产量也受到很大的影响[1].由于植物固着生长,
不能像动物那样主动躲避不利因素的胁迫,所以
植物进化出一套精密复杂的机制以感知外界的各
种胁迫信号从而应对外界复杂多变的环境[2-4],如
提高 植 物 耐 盐 性 相 关 的 AtHKT1、SOS 基
因[5-9];抗渗透压相关的OSM1/SYP61基因[10];
耐冷性相关的ICE1基因[11];以及抗氧化胁迫的
ENH1基因等.
近些年由于全球气温不断升高,因此植物生
长所面临的高温胁迫也更加严峻.好在植物进化
出了抵抗高温环境一套分子机制.参与植物热激
  四川大学学报 (自然科学版)   第52卷
反应[12] (Heat shock response,HSR)的主要有:
热转录因子 (Heat shock factor,HSFs)和热激
蛋白 (Heat shock protein,HSPs).HSFs的表达
情况受温度的影响,植物受到高温胁迫会导致
HSFs表达量的升高[13-15],HSFs可以特异地结合
在热相关的顺式作用元件 (Heat shock element,
HSE)上诱导其下游 HSPs的表达[16-19].作为分
子伴侣的 HSPs有助蛋白质的折叠以及稳定蛋白
结构,因此 HSPs表达量的上调会导致植物对热
胁迫产生一定的耐受,使其能够更好的应对高温
环境[20-22].
本实验室通过生物信息学分析 (http://bar.
utoronto.ca/efp/cgi-bin/efpWeb.cgi)发现拟南芥
基因At4g19430的表达会受到高温胁迫的诱导,
暗示该基因有可能参与拟南芥的热信号转导.本
研究对At4g19430基因的组织特异性、亚细胞定
位以及受非生物胁迫后的表达情况进行了分析.
并从拟南芥生物资源中心 (Arabidopsis Biologi-
cal Resource Centre,ABRC)订购了At4g19430
基因的突变体种子,筛选获得了纯合株系,对其
在拟南芥中的生物学功能尤其是受到热胁迫时的
功能进行了初步研究.
2 材料和方法
2.1 实验材料
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)Columbia
生态型种子为本实验室保存.At4g19430突变体种
子购于拟南芥生物资源中心 (Arabidopsis Biolog-
ical Resource Centre,ABRC),该突变体背景为
Columbia生态型.
Taq DNA聚合酶、高保真DNA聚合酶、限
制性内切酶和T4连接酶购于Takara公司;植物
总RNA提取试剂盒、质粒提取试剂盒、反转录
试剂盒和qPCR试剂盒TIANGEN公司;引物合
成、测序由Invitrogen生物技术有限公司完成;
其余试剂均为进口分装或国产分析纯产品.
2.2 实验方法
2.2.1 At4g19430蛋白生物信息学分析 利用
ExPAYy数据库的ProtParam在线工具 (http://
expasy.org/protparam/)对 At4g19430蛋白的理
化性质进行分析.在 NCBI网站 (http://www.
ncbi.nlm.nih.gov) 上 利 用 Blast 查 找 与
At4g19430蛋白同源的的其它物种序列,运用
DNAMAN进行相似性分析并构建系统进化树.
2.2.2 拟南芥培养 将营养土和蛭石按照2∶1
混合高压湿热灭菌30min,同时将所用花钵洗干
净,高压湿热灭菌30min待其冷却室温.将灭好
的营养土分装到花钵中备用.将在MS平板上生长
了一周左右的野生型及突变体拟南芥幼苗分别移
栽至花钵中,于22℃光照16h黑暗8h的组培室
中培养.
2.2.3 At4g19430基因组织特异性表达 分别
提取拟南芥根、茎、叶、花、果实的 mRNA 并
将 其 反 转 为 cDNA, Real-time PCR 分 析
At4g19430基因 (上游引物:5′-CGCAATAG-
TAACAAACCCAAAC-3′,下游引物:5′-ACT-
TACCATCTT-TGTTTGAGACCTT-3′)在不同
组织中的表达水平.
2.2.4 At4g19430亚细胞定位 用引物 (5′-
TGCTCTAGAATGGCTACTAAATTCATCACC
CT-3′;5′-TCCCCCGGGAATTAATTACCGGA-
ATAGAAAAAT-3′)进行 PCR,从拟南芥cD-
NA中扩增At4g19430基因,经XbalⅠ和Smal
Ⅰ双酶切,将其连接到含GFP 的pBI221载体上,
PEG介导转染至野生型拟南芥原生质体中培养
16h后激光共聚焦显微镜观察并拍照.
2.2.5 At4g19430基因在非生物胁迫条件下的
表达 将生长7d的野生型幼苗分别进行 NaCl
(300mM,0~6h),ABA (100μM,0~6h),低温
(4℃,0~6h)以及高温 (38℃,0~7h)处理,提
取处理和不处理的野生型幼苗 mRNA并反转为
cDNA,Real-time PCR分析At4g19430在4种处
理前后及不同时间梯度时表达量的差异.
2.2.6 突变体纯合子鉴定及其热表型分析 
DNA水平检测:突变体幼苗在组培室中生长20d
后,提取叶片DNA为模板,采用三引物PCR法
进行PCR 扩增鉴定.At4g19430特异的引物为
LP (5′-CGGCATACATATCGGTCAATC-3′),
RP (5′-CACTATGGCTGTGGTAGAGCC-3)′,
T-DNA 引物 LBb1.3 (5′-ATTTTGCCGATTT-
CGGAAC-3′).
RNA水平检测:提取突变体和野生型幼苗
mRNA并将其反转录为cDNA,RT-PCR检测其
转录水平的表达量,同时以actin 基因表达为对
照,扩增产物用1.0%的琼脂糖凝胶电泳分析.
At4g19430 上 下 游 特 异 引 物 分 别 为,(5′-
CTACTTTCCACCACAAAATCTCG-3′) 和 (5′-
TCTACCACAGCCATAGTGTTACTCT-3′).
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Actin 上 下 游 引 物 分 别 (5′-GTTGGTGATG-
AAGCACAATCCA-3′)和 (5′-GTTGGTGAT-
GAAGCACAATCCA-3′).
热表型分析:将正常条件生长7d的野生型和
突变体幼苗移至45℃黑暗环境处理90min,处理后
移至组培室恢复生长4d,拍照.分别统计热处理前
后野生型和At4g19430突变体幼苗的存活率.
3 结果与分析
3.1 At4g19430基因的生物信息学分析
拟南芥 At4g19430基因全长483bp,位于4
号染色体上,只包含一个外显子.经ProtParam预
测表明,At4g19430基因共编码160个氨基酸,蛋
白质分子式为 C818H1305N229O242S7,相对分
子质量为18.4441kD,理论等电点为9.56,半衰
期为30h,不稳定参数为57.03,属于不稳定蛋白.
在NCBI数据库搜索到6个来自其它物种的同源
基因 (图1A),对其蛋白质氨基酸序列进行了比
对并构建了它们之间的进化关系树 (图1B).
图1 At4g19430同源基因氨基酸序列比对
A:At4g19430同源基因氨基酸序列比对;B:At4g19430同源基因进化树.
Fig.1 The amino acid sequence similarity of At4g19430homologous genes
3.2 At4g19430基因的组织特异性分析
利用Real-time PCR的方法对拟南芥不同组
织中At4g19430基因在的表达情况进行了研究.
结果表明,该基因在拟南芥根、茎、叶、花、果
实中均有表达,但在叶中的表达水平最高 (图2).
把根中At4g19430基因表达量定为1,茎、叶、
花、果实中相对表达量分别为根中的1.2倍、
4.91倍、3.31倍、1.5倍.
图2 At4g19430基因表达模式分析
Fig.2 Analysis of expression patterns of At4g19430
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3.3 At4g19430蛋白的亚细胞定位
强表达At4g19430-绿色荧光蛋白 (green flu-
orescence protein, GFP) 的 载 体 pBI221-
At4g19430-GFP转化野生型拟南芥原生质体.激
光共聚焦显微镜观察细胞中GFP的信号,结果显
示其主要定位在细胞质中 (图3).
3.4 At4g19430基因在非生物胁迫条件下的表达
生长7d的野生型拟南芥进行非生物胁迫的时
间梯度处理:NaCl(300mM,0~6h),ABA
(100μM,0~6h),低温 (4℃,0~6h)以及高温
(38℃,0~7h)热激 (heat shock,HS)处理并
提取总RNA,做梯度诱导表达谱分析.结果表明,
At4g19430不受ABA的诱导,NaCl和低处理时
表达量会有略微的变化,但当受到热胁迫时其表
达量有非常显著提升.
3.5 At4g19430基因突变体鉴定及其热表型分析
经生物信息学分析发现At4g19430只有一个
外显子,其突变体中 T-DNA插入在该基因的3′
端 (图5,A).在DNA水平 (图5,B)和RNA
水平 (图5,C)鉴定了该突变体,表明 T-DNA
的插入使得突变体中At4g19430完全被敲除,可
供后续实验使用.
将在 MS 平 板 生 长 7 d 的 野 生 型 和
At4g19430突变体移入45℃黑暗环境处理90
min,处理完后移至组培室恢复生长4d,拍照,并
统计其存活率 (图5D、E).实验结果表明,在受
到热激 (heat shock,HS)处理 (45℃)并回复
生长4d后,野生型和At4g19430突变体的存活
率都有所下降,然而相对野生型突变体存活率的
下降更为明显,对三次重复实验中野生型和突变
体存活率进行了统计,其存活率分别为21.4%、
4.7% (图5E),At4g19430突变体表现出对热胁
迫的不耐受.
4 讨 论
热胁迫会延缓植物的生长和发育,并且当温
图3 At4g19430蛋白的亚细胞定位
Fig.3 Subcelular localization of At4g19430protein
度超过一定的范围后能引起细胞程序性死亡从而
使植物致死[23].通过对模式植物拟南芥的研究发
现,其中存在大量热胁迫响应基因,它们大多编
码热转录因子 (HSF)与热激蛋白 (HSPs).植
物受到热胁迫会导致 HSF表达量的提升,进而又
会引起其下游 HSPs表达水平的上调.HSPs作为
分子伴侣能够帮蛋白质的折叠以及稳定蛋白结构,
因此 HSPs表达量升高导致植物对热胁迫产生一
定的耐受,使其能够更好的应对高温环境,提高
在高温环境下的存活率[20].
本实验室在拟南芥中发现了一个可能受热诱
导的基因At4g19430,对其的组织特异性情况进
行了研究,发现该基因在拟南芥的根、茎、叶、
花、果实中均有表达,但在叶中的表达量最高
(图2).亚细胞定位的结果表明,At4g19430基因
所编码的蛋白主要定位在细胞质中 (图3).Real-
time PCR分析了At4g19430基因在热胁迫时的表
达情况,发现在受热胁迫1h和3h之后,该基因
的表达量会分别上升120和160余倍 (图4),暗
示其 可 能 参 与 拟 南 芥 的 热 信 号 转 导.订 购
At4g19430基因的突变体并筛选得到了纯合株系
(图5B、C),分析了突变体和野生型的表型.结
果表明,在正常生长条件下At4g19430基因突变
体和野生型株系都能够正常生长,并且并二者之
间没有差异.然而在热胁迫条件下,与野生型相比
突变体株系表现出了对热胁迫的敏感,其存活率
明显 下 降 (图 5 D、E).以 上 结 果 表 明,
At4g19430的表达受热诱并且该基因的缺失会导
致拟南芥对热胁迫的耐受降低,说明该基因参与
了拟南芥的热信号转导并发挥了负调控的作用.
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图4 非生物胁迫下At4g19430的表达分析
Fig.4 The expression analysis of At4g19430under abiotic stress
图5 At4g19430基因突变体鉴定及其热表型分析
A:At4g19430基因只有一个外显子,T-DNA插入在该基因的3′端;B,C:DNA、RNA水平鉴定At4g19430突变体;D、E:
At4g19430基因突变体和野生型的热表型及其存活率
Fig.5 identification of At4g19430T-DNA insertional mutant and the effects of At4g19430mutant on thermotolerance
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