全 文 :北方园艺2016(18):103~107 ·生物技术·
第一作者简介:陈东亮(1984-),男,河北邯郸人,博士,助理研究
员,研究方向为花卉分子育种。E-mail:dlchen1984@126.com.
责任作者:黄丛林(1969-),男,四川仁寿人,博士,研究员,现主要
从事花卉育种与产业化关键技术等研究工作。E-mail:conglinhuang
@hotmail.com.
基金项目:北 京 市 科 委 资 助 项 目 (D161100001916004,
Z151100001015007);北京市农林科学院创新资助基金资助项目
(KJCX20140109,KJCX20140202);北京市农林科学院科技创新团队
基金资助项目(JNKST201610)。
收稿日期:2016-05-05
DOI:10.11937/bfyy.201618025
甘菊ClCOL5a基因的克隆与表达分析
陈 东 亮1,2,罗 昌1,2,程 曦1,2,黄 丛 林1,2
(1.北京市农林科学院 北京农业生物技术研究中心,北京100097;
2.农业基因资源与生物技术北京市重点实验室,北京100097)
摘 要:以甘菊为试材,采用基因克隆及生物信息学方法,克隆了甘菊ClCOL5a基因并对其
进行生物信息学分析及表达分析。结果表明:该基因共编码347个氨基酸,编码序列中含有2个
保守的B-Box结构域和1个CCT结构域,属于CO家族的I类基因。NCBI Blastp分析与进化树
分析均显示,该基因编码产物与拟南芥CO家族中AtCOL5相似性最高,故将该基因命名为
ClCOL5a。实时定量分析显示,ClCOL5a为组成型表达,且在叶中表达量最高。在花芽膨大的过
程中,ClCOL5a基因的表达逐渐升高,并在露色时达到最大值,之后逐渐降低,表明ClCOL5a在甘
菊开花过程中可能发挥着重要功能。
关键词:菊花;Constans like基因;开花调控;表达分析
中图分类号:S 682.1+1 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2016)18-0103-05
菊花是我国传统的十大名花之一,也是当前世界四
大鲜切花之一。除具有极高的观赏价值,菊花还具有茶
用、食用、药用等经济价值。花是植物最复杂的器官,也
是菊花最主要的经济器官。植物开花是一个极其复杂
的过程,在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中的
研究表明,植物开花主要存在4种调控途径:光周期途
径(photoperiod pathway)、春 化 途 径 (vernalization
pathway)、赤霉素途径(gibberelin pathway)和自主途径
(autonomous pathway)[1],4种途径都涉及复杂的、相互
交错的基因表达和调控网络,其中光周期途径是最重要
也是机理研究最清楚的一条调控途径[2]。研究表明,在
光周期调控途径中,Constans(CO)类基因发挥着非常重
要的作用,其能够接收节律钟信号,直接调控开花基因
FLOWERING LOCUS T(FT)的表达,启动植物的开花
进程[3]。
CO家族为多基因家族,目前从模式植物拟南芥中
共分离到17个CO家族基因,水稻(Oryza sativa)中的
CO家族成员则共有16个[4]。根据蛋白结构特征,
ROBSON等[5]将CO家族蛋白分为3类,Ⅰ类蛋白含有2
个B-Box结构域和1个CCT结构域;Ⅱ类蛋白含有1个
B-Box结构域和1个CCT结构域,Ⅲ类蛋白则含有1个
B-Box和1个高度异化的CCT结构域,每个大类又可根
据差异进一步分为若干亚类。在众多的CO家族蛋白中,
只有少数的功能得到研究,大部分成员功能尚不清楚。
菊花是典型的短日照植物,光周期在菊花开花过程
中扮演着非常重要的调控作用。甘菊是栽培菊花的近
源野生种(Chrysanthemum lavandulifolium),由于其二
倍体特性,常被当做菊属植物研究的模式材料。该研究
从甘菊叶片中克隆得到1条CO家族I类基因,并利用
实时定量PCR技术检测了其在甘菊不同组织和不同时
期花器官中的表达情况,以期为进一步揭示菊花花发育
调控的分子机理提供基础材料。
1 材料与方法
1.1 试验材料
以北京市农林科学院生物中心北郎中菊花种质资
源圃保存的甘菊(Chrysanthemum lavandulifolium)无性
系为试材。2015年4、5月取甘菊脚芽进行扦插,生根后
栽植于直径20cm塑料花盆中(基质蛭石∶草炭∶园土=
1∶2∶1),每盆3株。于塑料大棚正常培养至自然开花,
301
·生物技术· 北方园艺2016(18):103~107
将花芽至完全开花的花朵划分为5个阶段(图1),依次
为Ⅰ小花蕾期(花蕾较小,鳞状包片完全包裹)、Ⅱ大花蕾期
(花蕾较大,鳞状苞片顶部打开),Ⅲ花胎期(花蕾刚开始
露色)、Ⅳ半开期(舌状花开放,管状花刚开始或即将开始
散粉)、Ⅴ盛开期(管状花全部开放,花粉完全散尽),以及
甘菊处于盛花期的根、茎、叶、舌状花和管状花等共10个
样本,每个样本设置3个生物学重复,液氮速冻后,保存
于-80℃备用。
图1 不同时期花与花蕾取样标准
Fig.1 Sample standard of flower and bud in diferent periods
1.2 试验方法
1.2.1 ClCOL5a基因的克隆 利用TIANGEN新型植
物基因组提取试剂盒提取甘菊叶片DNA。利用TaKaRa
mini Kit试剂盒提取提不同样品的总RNA,Promega公
司反转录试剂盒制备cDNA。根据课题组转录组测序获
得的Constans(CO)基因同源序列设计ORF扩增引物,
上游引物为COL5-F:5′-ATGGTGGATAACACTGATG -
3′,下游引物为COL5-R:5′-TCAAAAAGATGGAACAA-
CA-3′。分别以甘菊cDNA和甘菊DNA为模板,利
用PrimerSTAR HS高保真酶(TaKaRa)进行PCR扩
增,产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测后,目的片段回收
并连接于克隆载体pGEM T-Easy(Promega公司),热
击转化大肠杆菌DH5α感受态(全式金),阳性克隆经
酶切检测后,送生工生物工程(上海)股份有限公司进
行测序。
1.2.2 生物信息学分析 利用DNASTAR 5.01软件对
序列进行简单分析。Motif Scan在线软件分析蛋白功能
结构域。利用MEGA 4.0软件构建基于同源蛋白序列
的系统进化树。
1.2.3 实时定量表达分析 根据基因序列设计实时定量
PCR引物,ClCOL5a-F:5′-TCCAGTTATGACGATTCCA-3′,
ClCOL5a-R:5′-TGTTCTGATGCTGTACCCT-3′。分别
以甘菊根、茎、叶以及不同时期的花蕾及花等cDNA为
模板,并以甘菊MTP基因为内参[6],利用ABI7300PCR
仪和SYBR Premix Ex TaqTM(TaKaRa)试剂盒进行实时
定量PCR分析。PCR扩增体系:2×SYBR Premix Ex
Taq 10μL,引物ClCOL5a-F,ClCOL5a-R各0.4μL
(10μmol·L
-1),模板cDNA 2μL用水补充至20μL。
采用标准2步法反应程序:95℃预变性30s;95℃5s,
60℃34s,共45个循环。每个样品设置3次重复,数据
采用2-ΔΔCt法进行分析[7]。
2 结果与分析
2.1 ClCOL5a基因的克隆
以甘菊叶片cDNA为模板,利用引物COL5-F和
COL5-R扩增得到一个大小与预期一致的条带。经回收
测序,对测序结果分析显示,该序列与转录组拼接的模
板序列仅有2个碱基的差异,表明克隆到的序列为预期
的CO同源序列。该序列含有完整开放阅读框(open
reading frame,ORF),总长1 044bp,共编码347个氨基
酸。经NCBI Blastp分析,其编码产物与其它植物的
COL5蛋白相似性最高,但与已经报道的甘菊ClCOL5
(NCBI及原文献均未能获得相关序列信息)在长度上有
明显区别[8],故将该试验获得的基因命名为ClCOL5a。
ClCOL5aORF 序列在 NCBI进行注册,收录号为
KU180188。ClCOL5a基因序列及其推导的氨基酸序列
如图2所示。以DNA为模板克隆获得了其对应的
DNA序列,经与cDNA ORF序列比对发现,其在编码
框中部含有一个162bp的内含子(图3),这与拟南芥
AtCOL5基因的88bp的内含子多了将近1倍。
2.2 生物信息学分析
DNASTAR软件分析表明,ClCOL5a蛋白预测的分
子量为38.56kDa,等电点为7.502,含有强碱性氨基酸
42个,强酸性氨基酸41个,疏水性氨基酸113个,极性
氨基酸98个。Motif Scan结构域分析显示,该蛋白含有
2个高度保守的B-Box结构域和1个CCT结构域(图2、
3),符合I类蛋白特征,进一步表明ClCOL5a为CO家族
中的I类基因。
基于同源蛋白,构建了ClCOL5a蛋白与其它植物中
COL5蛋白以及拟南芥17个CO家族蛋白的系统进化
树。由图4可知,参与建树的所有其它植物COL5都最
先与拟南芥中的COL5聚合在一起,进一步证明该试验
获得的基因序列为COL5基因。在参与建树的COL5序
401
北方园艺2016(18):103~107 ·生物技术·
注:下划线标注的是2个B-Box结构域,双下划线标注的是CCT结构域。
Note:Two B-Box domain are underlined;CCT domain is marked by double underline.
图2 ClCOL5a基因编码序列及推导的氨基酸序列
Fig.2 cDNA sequence and deduced amino acid sequence of ClCOL5a
图3 ClCOL5aDNA、mRNA及蛋白结构
Fig.3 DNA,mRNA and protein structure of ClCOL5a
列中,甘菊与菊亚纲植物首先聚合在一起,再与十字花
科等其它植物聚在一起,这与分类学的描述基本一致,
表明COL5基因多态性可用于植物进化与分类学研究
的参考。
2.3 表达分析
以甘菊MTP为内参基因,对甘菊不同组织及不同
时期花芽和花中ClCOL5a基因的表达进行了分析。由
图5可知,ClCOL5a在叶片中的表达量最高,远远高于
其它组织,这与其它植物中的I类CO基因的表达模式
类似。同时,对不同发育时期花芽和花中ClCOL5a的表
达进行了分析,随着花芽的膨大,ClCOL5a表达逐渐增
加,在花苞开始露色时表达达到最高峰,之后随着花的
开放逐渐降低,这表明ClCOL5a可能在甘菊开花过程中
的色素合成、花粉发育等某个生理过程中发挥着功能。
图4 基于CO蛋白的系统进化树
Fig.4 Phylogenetic tree based on CO proteins
501
·生物技术· 北方园艺2016(18):103~107
图5 ClCOL5a在不同组织和不同时期花芽中的表达
Fig.5 Expression pattern of ClCOL5ain diferent tissues,flower and bud in diferent periods
3 结论与讨论
CO基因是高等植物中普遍存在的一类基因。大量
研究表明,CO类基因在感受节律钟变化、调控开花时间
的过程中发挥重要作用[9-12]。除此之外,部分CO家族
基因还被证明参与了侧根形成、分枝特性、果实成熟等
发育进程[13-15]以及植物的非生物胁迫抗逆反应等[16]。
菊花中CO家族基因的研究起步较晚。2011年,田
素波等[17]首次从菊属植物中克隆得到一个CO家族I类
基因,该基因与其它植物I基因类似,受短日照诱导表
达。之后,FU等[8]从甘菊中克隆了11条CO类基因,其
中I类CO基因5个,II类4个,III类2个。通过进一步
的表达分析和在模式植物拟南芥中的过表达,证明了甘
菊I类基因ClCOL5在短日照下可以促进开花[8]。
该研究中获得的ClCOL5a基因的编码蛋白含有2
个B-Box和1个CCT结构域,属于CO家族I类基因。在
拟南芥17个CO家族成员中,ClCOL5a蛋白与AtCOL5
相似性最高,而与报道的ClCOL5差异明显,故将该基因
命名为ClCOL5a。ClCOL5a与FU等[8]报道的菊花CO
蛋白在氨基酸链长度和NCBI Blast的E-value值等特征
上都存在一定差异,遗憾的是由于无法从原论文或公共
数据库获得相关序列,因此无法将序列进行直接比较。
与其它I类CO基因类似,ClCOL5a也为组成型
表达,并在叶片中表达量最高,表明其可能与拟南芥
AtCOL5等具有类似的在叶中表达,诱导FT表达,进一
步引起开花的功能。该试验中,在甘菊开放初始,CO在
花中的表达是急剧增加的,并在露色时达到最大值,之
后随着花朵的开放,其表达逐渐降低,这表明ClCOlL5a
基因可能在甘菊开花过程中,对花瓣色素形成、花粉发
育等过程中发挥着一定的作用。
参考文献
[1] KOORNNEEF M,ALONSO-BLANCO C,BLANKESTIJN-DE V H,et
al.Genetic interactions among later flowering mutants of Arabidopsis[J].
Genetics,1998,148(2):885-892.
[2] 丁焱,戴思兰,马月萍.高等植物成花的光周期调控[J].北方园艺,
2009(9):106-110.
[3] IMAIZUMI T,KAY S A.Photoperiodic control of flowering:not only
by coincidence[J].Trends Plant Sci,2006,11(11):550-558.
[4] SIMON G,DUNFORD R P,GEORGE C,et al.The evolution of
CONSTANS-like gene families in barley,rice,and Arabidopsis[J].Plant
Physiol,2003,131(4):1855-1867.
[5] ROBSON F,COSTA M M,HEPWORTH S R,et al.Functional importance
of conserved domains in the flowering-time gene CONSTANS demonstrated
by analysis of mutant aleles and transgenic plants[J].Plant J,2001,28(6):
619-631.
[6] FU J,WANG Y,HUANG H,et al.Reference gene selection for RT-
qPCR analysis of Chrysanthemum lavandulifoliumduring its flowering sta-
ges[J].Mol Breeding,2013,31(1):205-215.
[7] LIVAK K J,SCHMITTGEN D T.Analysis of relative gene expression
data using real-time quantitative PCR and the 2-ΔΔCt method[J].Methods,
2001(25):402-408.
[8] FU J,YANG L,DAI S.Identification and characterization of the CON-
STANS-like gene family in the short-day plant Chrysanthemum lavandulifolium
[J].Mol Gene Genomics,2015,290(3):1039-1054.
[9] PUTTERILL J,ROBSON F,LEE K,et al.The CONSTANS gene of
Arabidopsis promotes flowering and encodes a protein showing similarities to
zinc finger transcription factors[J].Cel,1995,80(6):847-857.
[10]CHENG X F,WANG Z Y.Overexpression of COL9,aCONSTANS-
LIKEgene,delays flowering by reducing expression of CO and FT in Arabi-
dopsis thaliana[J].Plant J,2005,43(5):758-768.
[11]YANG S,WEERS B D,MORISHIGE D T,et al.CONSTANS is a
photoperiod regulated activator of flowering in Sorghum[J].BMC Plant Biol,
2014,14(1):1-15.
[12]HASSIDIM M,HARIR Y,YAKIR E,et al.Over-expression of CON-
STANS-LIKE 5 can induce flowering in short-day grown Arabidopsis[J].
Planta,2009,230(3):481-491.
[13]DATTA S,HETTIARACHCHI G H,DENG X,et al.Arabidopsis
CONSTANS-LIKE3is a positive regulator of red light signaling and root
growth[J].Plant Cel,2006,18(1):70-84.
[14]WANG H,ZHANG Z,LI H,et al.CONSTANS-LIKE 7regulates
branching and shade avoidance response in Arabidopsis[J].J Exp Bot,2013,
64(4):1017-1024.
[15]CHEN J,CHEN J Y,WANG J N,et al.Molecular characterization and
expression profiles of MaCOL1,aCONSTANS-like gene in banana fruit[J].
Gene,2012,496(2):110-117.
[16]MIN J H,CHUNG J S,LEE K H,et al.The CONSTANS-like 4tran-
scription factor,AtCOL4,positively regulates abiotic stress tolerance through
an abscisic acid-dependent manner in Arabidopsis[J].J Integr Plant Biol,
2015,57(3):313-324.
[17]田素波,林桂玉,郑成淑,等.菊花花发育基因CmCO和CmFT的克
隆与表达分析[J].园艺学报,2011,38(6):1129-1138.
601
北方园艺2016(18):107~110 ·生物技术·
第一作者简介:宋婧(1995-),女,本科,研究方向为生物学。E-mail:
1344366035@qq.com.
责任作者:周嘉裕(1976-),女,博士,副教授,研究方向为药用植物
分子生物学。E-mail:spinezhou@home.swjtu.edu.cn.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31371232,31500276);成
都市科技技术研发资助项目(2015-HM01-00051-SF);国家级大学
生创新创业训练计划资助项目(201510613063)。
收稿日期:2016-04-22
DOI:10.11937/bfyy.201618026
川芎咖啡酸-3-O-甲基转移酶的原核表达与条件优化
宋 婧,朱 建 全,张 泉 宝,张 赶,周 嘉 裕
(西南交通大学 生命科学与工程学院,四川 成都610031)
摘 要:以川芎咖啡酸-3-O-甲基转移酶基因(LCCOMT)为表达对象,将含有6*His标签的
LCCOMT基因连接pET28a表达载体后转化大肠杆菌BL21,采用原核表达的方法,优化了
LCCOMT基因的表达条件。结果表明:当诱导时间为4h,IPTG终浓度为2.0mmol·L-1,诱导
温度为37℃时,重组LCCOMT蛋白的表达量达到最大。溶解性检测结果表明,LCCOMT重组蛋
白以可溶性蛋白的形式存在,占总蛋白的9%,该试验可为LCCOMT的大规模表达纯化奠定基础。
关键词:川芎;咖啡酸-3-O-甲基转移酶;原核表达;条件优化
中图分类号:Q 946 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2016)18-0107-04
基于植物体内阿魏酸的合成途径,已获知咖啡酸-3-
O-甲基转移酶(cafeic acid 3-O-methyl transferase,
COMT)能够催化咖啡酸和以S-腺苷甲硫氨酸为底物合
成阿魏酸[1-3]。川芎(Ligusticum chuanxiong Hort)是四
川省著名道地药材,其根茎是传统中药[4-6]。阿魏酸是
川芎的主要活性成分[7-8]。因其具有独特的药理作用和
生物活性,且毒性较低,在医药、保健品、化妆品原料和
食品添加剂等领域有极其广泛的应用前景。目前阿魏
酸可通过提取、化学合成、水解及微生物转化等4类方
法获得。提取法与化学合成法均会使用大量的化学溶
剂,污染环境;水解法需要首先提取获得阿魏酸酯,再利
用水解制备阿魏酸,也会使用大量的化学溶剂,污染环
境;微生物发酵法由于体系成分复杂因而分离纯化成本
高。与前几种方法相比较,酶转化法具有环境友好、成
本低、产品安全性高等特点。课题组在前期研究中,已
从川芎根茎中克隆获得了川芎COMT基因的全长cDNA
序列(LCCOMT,GenBank登录号No.KR106206),构建
了重组表达载体pET28a-LCCOMT。为提高pET28a-
LCCOMT在大肠杆菌BL21的表达水平,该研究参考有
关文献,研究了诱导温度、起始OD600值、IPTG诱导浓度
Clone and Express Analysis of ClCOL5ain Chrysanthemum lavandulifolium
CHEN Dongliang1,2,LUO Chang1,2,CHENG Xi 1,2,HUANG Conglin1,2
(1.Beijing Agro-biotechnology Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100097;2.Beijing Key
Laboratory of Agricultural Genetic Resources and Biotechnology,Beijing 100097)
Abstract:Taking Chrysanthemumas test material,the ClCOL5agene was cloned and analyzed.The results showed that
this gene encoded a protein of 347amino acids containing two B-Box domains and one CCT domain,which indicated that
it belonged to the CO family group I.Both the results of NCBI Blastp and phylogenetic tree based on CO proteins showed
it was mostly closed to AtCOL5 gene than other member of the family,so it was named as ClCOL5a.Relative real time
PCR analysis showed that ClCOL5aexpressed in al the tested tissues,with the highest level in leaf.In the process of
flowering,the expression of ClCOL5agene was gradualy increased,and reached the maximum level at pigmented stage,
and then decreased gradualy,which indicated that ClCOL5amight play an important role in the development of flower in
Chrysanthemum.
Keywords:Chrysanthemum;Constans like gene;flowering regulation;express analysis
701