全 文 :第35卷第5期
2 0 1 2年9月
河 北 农 业 大 学 学 报
JOURNAL OF AGRICULTURAL UNIVERSITY OF HEBEI
Vol.35No.5
Sep.2 0 1 2
文章编号:1000-1573(2012)05-0067-05
拟南芥AtCCaP2基因缺失突变体的鉴定及表型观察
高 亢, 马惠斌, 吴立柱, 潘延云*
(河北农业大学 生命科学学院,河北 保定,071001)
摘要:本研究拟利用反向遗传学研究AtCCaP2基因的功能。通过PCR及RT-PCR的方法筛选和鉴定了拟南
芥AtCCaP2基因的T-DNA插入突变纯合体atccap2,该纯合体AtCCaP2基因表达缺失。RT-PCR分析显示该
基因在拟南芥雌雄蕊等生殖器官中有较多的表达。通过对生长表型的观察发现atccap2突变体出现早花现象,
抽薹时间较野生型早3d,显示该基因可能参与了拟南芥的早花表型。
关 键 词:拟南芥;AtCCaP;反向遗传学
中图分类号:Q789 文献标志码:A
Identification and phenotype of T-DNA insert AtCCaP2
gene mutant in Arabidopsisthaliana
GAO Kang,MA Hui-bin,WU Li-zhu,PAN Yan-yun*
(Colege of Life Science,Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China)
Abstract:In this study,the function of AtCCaP2 gene was characterized using reverse genetics
method.The T-DNA insert AtCCaP2 gene mutants were identified by PCR and RT-PCR,and
the homozygote mutant atccap2 was isolated.RT-PCR analyses showed that AtCCaP2 gene
were higher expression in stamen and pistil than in leaf.The atccap2 mutants were early bol-
ting 3days than the wild type.These result showed that AtCCaP2 gene might cause early
flowering phenotype in Arabidopsis.
Key words:Arabidopsis thaliana,AtCCaP,reversed genetics
Ca2+作为动植物细胞中重要的信号分子,参与
了动植物生长发育及多种生理过程和对外界刺激的
应答反应[1]。钙信号通路中Ca2+往往通过钙结合
蛋白(Calcium-binding proteins,CaBPs)进一步调节
下游靶酶或靶蛋白的活性,参与生理反应。这些钙
结合蛋白也称为Ca2+的传感器。植物中的CaBPs
有3个家族,分别是具有EF手型结构的CaBP蛋白
家族,内质网腔CaBP家族和 Annexin家族[1]。其
中具有EF手型结构的CaBP蛋白家族是最大的家
族,EF手型结构可以结合1~4个Ca2+,根据结合
的Ca2+数量具有不同的调节活性。内质网腔CaBP
家族中有多个成员,如钙网蛋白是一个典型的内质
网腔CaBP家族成员,参与了蛋白伴侣激活,细胞粘
附等生理过程[2-3]。Annexins家族在拟南芥中已经
发现了7个成员,成员间有一个共同的特点,能够在
依赖Ca2+的情况下结合酸性磷脂,在离子转运与细
收稿日期:2012-05-10
基金项目:国家自然科学基金项目(No.30570993);河北省自然基金项目(C2008000292).
作者简介:高 亢(1986-),男,河北省石家庄市人,在读硕士生.
通讯作者:潘延云(1963-),女,河北省保定市人,博士,教授,从事植物细胞信号转导研究。E-mail:pyycel@163.com.
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胞骨架重排等基本细胞生理过程中发挥作用[4]。
AtCCaP2 是拟南芥胞质钙结合蛋白 (Cytosolic
Ca2+-binding proteins,CCaP),该蛋白是2007年
Yuki等[5]利用从萝卜主根中发现的一类酸性CaBP
(也称为囊泡钙结合蛋白 Vacuole Ca2+-binding
protein,RVCaB)与拟南芥基因组进行序列对比后
发现的一类钙结合蛋白,拟南芥基因组中有3个基
因,分别为AtCCaP1、AtCCaP2和AtCCaP3。Yu-
ki等对这3个新型的CaBP进行了组织和细胞水平
的表达分析,发现这3个基因各自具有组织特异性
但均定位于细胞质中[5]。目前除了了解AtCCaP1
可能参与了光或赤霉素刺激的应答反应外,其余生
物学功能尚属未知。本研究从 ABRC(Arabidopsis
biological resource center)中获得了一株 T-DNA
插入AtCCaP2基因的突变体,进行了纯合突变体
的筛选和表达检测,获得了该基因表达缺失的纯合
突变体;通过对该突变体生长表型的观察,发现突变
体抽薹时间较野生型早。初步说明该基因可能参与
了拟南芥开花转换与茎伸长等生理过程,为进一步
利用反向遗传学的方法研究该基因的生物学功能奠
定了基础。
1 材料与方法
1.1材料 野生型拟南芥
(Arabidopsis thaliana,Columbia ecotype)为
河北农大生命学院植物抗逆实验室保存,AtCCaP2
基因T-DNA插入突变体拟南芥种子购自ABRC突
变体库,编号Cs874014,命名为atccap2。
1.2 试剂和工具酶
TaKaRa RNiso Plus RNA提取试剂盒;小量琼
脂糖凝胶回收试剂盒为北京庄盟产品;RT-PCR一
步 法 反 转 录 试 剂 盒、M-MLV Reverse Tran-
scriptase、各种限制性内切酶、均为TaKaRa公司产
品;dNTP、Taq DNA聚合酶(Tiagen公司);其他生
化试剂均为进口分装或国产分析纯试剂。
1.3 拟南芥的培养
拟南芥种子用2.5%次氯酸钠消毒10min后,
无菌水洗3~4次,4℃暗中处理3d,播种在固体
MS培养基上于22℃,16h/8h光暗周期,光照强度
6 000~8 000lx环境中培养。幼苗长出2~4片真
叶后,移栽到浸透 Hoagland营养液的蛭石中,相同
温度和光照条件继续培养,每周浇一次 Hoagland
营养液。记录抽薹时间,培养30d后,测量植株抽
薹高度,使用SPSS17.0软件进行数据分析。
1.4 拟南芥atccap2突变体纯合体的筛选和鉴定
从ABRC库中获得的拟南芥突变体种子,播种
后采摘莲座叶按照文献[6]提供的方法提取基因组
DNA。以基因组DNA为模板,根据http://signal.
salk.edu/网站上提供的T-DNA插入位点信息(图
1),设计引物并利用PCR的方法检测样本中是否有
T-DNA插入及插入位点。如图1所示,网站提供
atccap2突变体的T-DNA插入位点为距ATG下游
第452核苷酸处,据此设计合成3条引物:LP1:5′-
GTTGAACAAGTCACTCCAGT-3′,该引物位于
ATG 下 游 第 198 核 苷 酸 处;RP1:5′-TACTC-
CTCGGCCTTCTCAACGG-3′,该引物位于 ATG
下游 第 577 核 苷 酸 处;LB2:5′-GCTTCCTAT-
TATATCTTCCCAAATTACCAATACA-3′,该引
物位于插入T-DNA序列中的右侧(图1)。引物由
上海生工公司合成。以样本DNA为模板,分别以
LP1/RP1和LP1/LB2为组合引物进行PCR。PCR
反应条件为:94℃5min;94℃30s,53℃45s,72
℃30s,30个循环;72℃10min。PCR扩增产物经
1%的琼脂糖凝胶电泳,根据电泳结果进行样本
DNA中是否有T-DNA插入片段的分析。
图1 atccap2突变体中T-DNA插入位点
Fig.1 T-DNA insertion site of atccap2 mutant
1.5 RT-PCR检测AtCCaP2基因的表达量
提取待检测拟南芥植株的总 RNA,反转录为
cDNA,以此为模板,选用根据内含子区域的设计的
引 物 LP2(5′-ATCCGGAAATGATTAGTTAT-
CA-3′)与RP1为引物组合,同时以LP1/RP1为引
物组合分别检测样本植株中AtCCaP2基因转录表
达水平,以Actin2基因作为对照,Actin2所用引物
为 Actin2F:5′-GTTAGCAACTGGGATGATAT-
GG-3′;Actin2R:5′-TCCACATCACACTTCAT-
GAT-3′。总RNA的提取和转录均按照TAKARA
公司产品的试剂盒说明操作。PCR条件为:94℃5
min;94℃30s,53℃45s,72℃30s,28个循环;72
℃10min。琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物。
2 结果与分析
2.1 AtCCaP2的序列分析
文献报道,AtCCaP 家族基因为新型的囊泡钙
第5期 高 亢等:拟南芥AtCCaP2基因缺失突变体的鉴定及表型观察 69
结合蛋白,包括3个成员。序列比对后发现,AtC-
CaP2(DDBJ/GenBankTM/EBI locus ID,At1g12080)
基因编码138个氨基酸,与 AtCCaP1 的氨基酸
序列同源性为50.76%,而与AtCCaP3 同源性为
72.34%。根据 Chou和Fasman的方法检测[7],
AtCCaP2 具有螺旋结构的EF手型钙结合域,不
具有肌钙集蛋白的结构域。因此推测该蛋白为
Ca2+结合蛋白,属于EF手型结构的CaBP蛋白家
族。
2.2 AtCCaP2基因T-DNA插入突变体纯合体的
鉴定及基因表达检测
拟南芥T-DNA插入突变体是通过农杆菌介导
获得的,通过遗传转化使Ti质粒上的4.4kb的T-
DNA整合到拟南芥基因组。该 T-DNA会破坏被
插入基因的正常转录,且用普通的PCR方法扩增不
出T-DNA插入两侧引物区域的DNA片段。根据
方法1.4鉴定的结果,我们分别获得了 T-DNA插
入AtCCaP2基因的纯合体和杂合体(图2)。
A:PCR电泳图;B:a扩增条带的测序结果及序列比对;C:b扩增条带的测序结果和序列比对图2 AtCCaP2突变体的鉴定
Fig.2 Electrophoretic map of AtCCaP2 homozygote identification
图2A电泳图显示,野生型(WT)对照中,没有
T-DNA插入片段,因此PCR后只能扩出LP1/RP1
引物组合的DNA片段,片段大小为401bp,与预计
相符(a泳道);而来自 ABRC的1号植株的 DNA
样本中,既能以LP1/RP1引物组合扩增出401bp
的DNA片段,也能以 LP1/LB2引物组合扩增出
360bp的片段(片段长度与预计相符)说明该样本
中一条染色体有 T-DNA插入(b泳道),另一条染
色体没有T-DNA的插入(a泳道),为杂合体植株,
以AtCCaP2/atccap2 表示。而2号植株只能扩增
出LP1/LBb1引物组合的片段,说明两条染色体上
均有T-DNA的插入,为突变纯合体植株,以atc-
cap2表示。图2B显示a泳道条带和b泳道条带测
序及比对结果,a条带序列与AtCCaP2基因序列相
70 河 北 农 业 大 学 学 报 第35卷
符;b条带部分与AtCCaP2基因序列相符(图2C中
黑体部分),其他为插入的T-DNA部分序列。试验
进一步对上述鉴定植株做了AtCCaP2基因转录水
平的检测,检测该基因是否会由于 T-DNA的插入
影响转录。由于检测用引物同为LP1和RP1,而该
基因在此区域内没有内含子(图1),以cDNA为模
板进行的 RT-PCR 将与以 DNA 为模板进行的
PCR结果一致,无法显示提取的总RNA中是否有
基因组DNA的污染,因此在AtCCaP2基因的内含
子区域设计引物LP2做为阴性对照。根据方法1.5
检测结果,WT、AtCCaP2/atccap2 和atccap2 的3
份样本中,LP2和RP1引物组合的RT-PCR均不能
扩出条带,说明提取的总RNA样本中没有基因组
DNA的污染,可以用来检测目的基因的转录(图3)。
图3 AtCCaP2突变体转录水平的检测
Fig.3 The detection AtCCaP2 gene expression levels.
以此为对照,以LP1和 RP1引物组合进行的
RT-PCR,扩增循环数为28。野生型拟南芥(WT)
中扩出了401bp的片段,显示AtCCaP2 基因正常
表达;AtCCaP2/atccap2 中也能扩增出相同的片
段,但较 WT含量低,说明杂合体中该基因的表达
量下降;atccap2中则没有扩增条带,说明该纯合体
中由于T-DNA的插入导致AtCCaP2 基因的表达
缺失,为功能缺失突变体。
2.3 AtCCaP2的组织表达特征
为了探索AtCCaP2 可能的生物学功能,试验
分别检测了该基因在植株各个组织中的表达特征。
分别提取各组织部位的总RNA按照方法1.5进行
RT-PCR,结果显示,该基因在根、叶等营养组中表
达较低,而在雄蕊、雌蕊、长角果等生殖组织中表达
较高(图4)。暗示该基因可能更多地参与生殖生长
的生理过程。
图4 AtCCaP2基因在各组织中的表达
Fig.4 AtCCaP2 gene expression in various tissues.
2.4 atccap2突变体表型分析
按照方法1.3进行拟南芥的培养和突变体生长
表型的检测。在一个花盆中分别按照图5B的排列
方式种下AtCCaP2/atccap2、atccap2 和两株野生
型对照,发现在整个生长周期中,幼苗期突变体与对
照没有明显的变化,但进入抽薹期后,atccap2明显
较杂合体和野生型生长速率快,显示出早花特征,抽
薹时间较野生型平均早3d(图5A)。
图5 atccap2表型特征
Fig.5 AtCCaP2 mutant and wild-type phenotype comparison
统计结果显示,野生型拟南芥在培养30d后,
抽薹率达到80%,但薹的长度仅为0.5cm;此时
AtCCaP2/atccap2薹的高度1cm,而atccap2薹的
长度已经达到4.3cm,统计学分析显示为显著差异
(P<0.01)(图5C)。拟南芥的抽薹意味着从营养
生长向生殖生长的转换,因此,该表型特征初步显示
AtCCaP2基因可能参与了拟南芥生殖生长的生理
过程。
第5期 高 亢等:拟南芥AtCCaP2基因缺失突变体的鉴定及表型观察 71
4 讨论
反向遗传学是指从已知的基因序列出发,通过
对靶基因进行必要的加工和修饰,如定点突变、基因
插入/缺失、基因置换等,获得该基因突变产生的突
变体,根据突变体表型的变化研究该基因的功能。
随着基因组计划的完成,反向遗传学已经是研究基
因功能的有效方法之一[8]。目前拟南芥用农杆菌侵
染的方法已经创造出大量T-DNA插入突变体[ht-
tp://signal.salk.edu/],据2003年 Alonsoet等报
道表明[9],在SALK库中,已经存在225 000种插入
位点,但对T-DNA精确定位的只有9 000个。因此
从突变体库中获得突变体体后,首先要对突变体进
行T-DNA插入位置的鉴定。结果2.2显示,本研
究获得的atccap2突变体,T-DNA插入位点与网站
公布的一致,并且验明在突变体中,AtCCaP2 基因
的确因T-DNA的插入造成转录缺陷,表明该突变
体可以用于对AtCCaP2 基因功能的研究。通过对
atccap2的表型观察,发现该突变体较野生型抽薹
时间早2~3d,暗示着该基因的缺失表达可能使得
植物过早地从营养生长转向了生殖生长(图5);另
外,Yuki等利用GUS报告基因的定位研究显示,
AtCCaP2在根、茎、花和长角果中等均有表达,本研
究利用RT-PCR检测不同组织中该基因的转录水
平,发现除莲座叶外,其他部位均转录表达,尤其在
雄蕊中表达较高(图4),该结果与文献报道相符,同
时也提示该基因可能参与生殖生长的过程。上述结
果为进一步利用反向遗传学以atccap2为材料研究
AtCCaP2基因的功能奠定了基础。
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(编辑:梁 虹)