全 文 ：·生物技术· 北方园艺２０１４（２０）：９０～９５
第一作者简介：任伟（１９８４－），男，博士研究生，助理研究员，现主要
从事牧草逆境生理与分子生物学领域等研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：
ｗｒｅｎ８４＠１６３．ｃｏｍ．
责任作者：徐安凯（１９５９－），男，博士，研究员，现主要从事牧草遗传
育种与恢复生态学领域等研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕａｎｋａｉ０１６７＠
１６３．ｃｏｍ．
基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目（ｃａｒｓ－
３５－０２）。
收稿日期：２０１４－０５－２７
朝鲜碱茅过氧化氢酶基因（ＰｕＣＡＴ）的克隆及表达分析
任 　 伟１，２，徐 　 博３，耿 　 慧１，王 志 锋１，徐 安 凯１
（１．吉林省农业科学院 畜牧科学分院，吉林 公主岭１３６１００；２．中国科学院 水土保持与生态环境研究中心，陕西 杨凌７１２１００；
３．吉林农业大学，吉林 长春１３００００）
　　摘　要：以朝鲜碱茅（Ｐｕｃｃｉｎｅｌｉａ　ｃｈｉｎａｍｐｏｅｎｓｉｓ）茎叶组织提取的ＲＮＡ为模板，根据已报道的
ＣＡＴ 基因同源序列设计引物，通过ＲＴ－ＰＣＲ法扩增出１个ＣＡＴ 基因的ｃＤＮＡ序列并与其它植物
ＣＡＴ 基因进行同源性比对。结果表明：该基因全长１　４８７ｂｐ，是一个完整开放阅读框，编码含４９２
个氨基酸的蛋白，Ｇｅｎｅｂａｎｋ登陆号为：ＨＭ２３０８２７，命名ＰｕＣＡＴ；朝鲜碱茅ＣＡＴ 基因的核苷酸和
氨基酸序列与大麦、小麦的同源性最高；并对其信号肽、疏水性、跨膜结构、二级结构和主要功能
域做了预测。半定量ＲＴ－ＰＣＲ结果表明，ＰｕＣＡＴ 基因在４种胁迫处理条件下，有着不同的表达
规律，总体而言，在朝鲜碱茅的根部和叶片均可以表达，但是在叶片中的表达量要高于在根中的
表达。
关键词：朝鲜碱茅；过氧化氢酶；基因克隆
中图分类号：Ｑ　７８５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－０００９（２０１４）２０－００９０－０６
　　过氧化氢酶（Ｃａｔａｌａｓｅ，ＣＡＴ）是Ｌｏｃｗ于１９０１年首
先在烟草中发现的一种能够催化双氧水分解的酶，并将
其命名为ｃａｔａｌａｓｅ，它广泛存在于动植物体内，主要分布
于过氧化物酶体、乙醛酸循环体及细胞质中，少数分布
在线粒体内。按照不同理化特性，可以将其划分为典型
性、非典型性和ＣＡＴ－过氧化物体３种类型［１］。其作用
是在细胞组织受到伤害之前，清除光呼吸、线粒体电子
传递及脂肪酸氧化等过程中产生的Ｈ２Ｏ２［２］。植物体中
Ｈ２Ｏ２有双重作用：一方面，适量的Ｈ２Ｏ２ 作为一种小分
子物质，是复杂信号转导网络中普遍存在的一种信号激
发因子，通过诱导一系列防御机制来保护植物细胞免受
环境胁迫；另一方面，过量的Ｈ２Ｏ２ 则导致氧化损伤，产
生大量氧化能力极强的羟自由基和单线态氧，直接引发
膜脂过氧化而对细胞造成巨大的伤害［３］，还可以抑制卡
尔文循环的关键酶，对整个植物体造成伤害。而过氧化
氢酶可以调节控制细胞内Ｈ２Ｏ２ 的氧还平衡，进而保证
植物体正常的生长发育。此外，它在增强植物的抗逆能
力［４］、提高光合效率［５］、增强防御能力［６］、延缓衰老［７］和
诱导细胞全能性［８］等方面也起着非常重要的作用。
正因为过氧化氢酶对生物体如此重要，所以植物在
进化过程中形成多种同工酶，其中拟南芥（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ
ｔｈａｌｉａｎａ）、小麦（Ｔｒｉｔｉｃｕｍ　ａｅｓｔｉｖｕｍ）、冬枣（Ｚｉｚｉｐｈｕｓ　ｊｕ－
ｊｕｂａ）、豌豆（Ｐｉｓｕｍ　ｓａｔｉｖｕｍ　Ｌｉｎｎ）、棉花（Ｇｏｓｓｙｐｉｕｍ
ｓｐｐ）、玉米（Ｚｅａ　ｍａｙｓ）、水稻（Ｏｒｙｚａ　ｓａｔｉｖａ　Ｊａｐｏｎｉｃａ）、大
麦（Ｈｏｒｄｅｕｍ　ｖｕｌｇａｒｅ）、毛果杨（Ｐｏｐｕｌｕｓ　ｔｒｉｃｈｏｃａｒｐａ）、高
粱（Ｓｏｒｇｈｕｍ　ｂｉｃｏｌｏｒ）、西兰花（Ｂｒａｓｓｉｃａ　ｏｌｅｒａｃｅａ）、甘蔗
（Ｓａｃｃｈａｒｕｍ）、盐地碱蓬（Ｓｕａｅｄａ　ｓａｌｓａ）、银杏（Ｇｉｎｋｇｏ
ｂｉｌｏｂａ）等多种植物的过氧化氢酶同工酶基因均已被克
隆［９－１５］。但是有关碱茅ＣＡＴ 基因的研究尚鲜见报道，而
碱茅作为一种重要的盐生种质资源，具有一般农作物不
可比拟的抗盐碱能力，被誉为盐碱地的先锋植物。前期
的生理试验表明，盐碱胁迫下，碱茅体内过氧化氢酶的
含量显著增加（另文发表），因此，为了进一步探究ＣＡＴ
基因在碱茅抗盐碱机制中的作用机理，现以朝鲜碱茅
（Ｐｕｃｃｉｎｅｌｉａ　ｃｈｉｎａｍｐｏｅｎｓｉｓ）为试材，分离克隆了碱茅的
ＣＡＴ 基因，命名为ＰｕＣＡＴ，并研究了不同逆境胁迫处理
下，其在碱茅根部和叶片中的表达规律。
１　材料与方法
１．１　试验材料
供试植物材料朝鲜碱茅采自吉林省农业科学院草
地所牧草育种试验田。
ＴＲＮｚｏｌ试剂、ＰＣＲ－Ｍｉｘ和大肠杆菌ＤＨ５α菌株由
北京天根生化公司提供，ＰＭＤ１８－Ｔ载体和ＤＮＡ连接酶
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北方园艺２０１４（２０）：９０～９５ ·生物技术·
由ＴａｋａＲａ公司提供，ｃＤＮＡ第一链合成试剂盒、琼脂糖
凝胶回收试剂盒由Ｆｅｒｍｅｎｔａｓ公司提供，其余均为国产
分析纯试剂。
１．２　试验方法
１．２．１　试验设计　将种子用蒸馏水清洗消毒后，置于一
次性无菌培养皿中，放入人工气候箱，１５℃恒温暗培养。
１周后，将幼苗移栽至沙培介质中，每盆６株，于２０℃／
１５℃（昼／夜）温室中正常生长，待其株高长至约１０ｃｍ
时，用１．５％ＮａＣｌ溶液预处理，备用。该试验设计了４
种不同的逆境胁迫处理：碱胁迫（１．５％ Ｎａ２ＣＯ３）、盐胁
迫（１．５％ＮａＣｌ）、干旱胁迫（２０％ＰＥＧ）和盐碱复合胁迫
（１．５％ＮａＣｌ＋１．５％ Ｎａ２ＣＯ３）。分别于处理的０、３、６、
１２、２４、４８ｈ剪取朝鲜碱茅地上部叶片和地下须根，液氮
保存，以备提取ＲＮＡ之用。
１．２．２　总ＲＮＡ的提取和ｃＤＮＡ的合成　参照北京天
根生化公司的ＴＲＮｚｏｌ试剂说明书逐步提取朝鲜碱茅叶
片的总ＲＮＡ，采用１．０％甲醛变性凝胶电检测其质量和
浓度。以总ＲＮＡ为模板，根据试剂盒的操作程序逆转
录合成ｃＤＮＡ第一链。
１．２．３　ＣＡＴ基因的克隆及测序　通过ＮＣＢＩ检索，根
据已发表的ＣＡＴ 基因编码区序列设计１对简并引物Ｐ１
（５－ＧＣＣＡＴＧＧＡＴＣＣＣＴＡＣＡＡＧＣＡＣＣＧＧ －３）和Ｐ２（５－
ＣＣＡＴＣＣＴＡＣＡＴＧＴＴＣＧＧＣＴＴＣＡ－３），由上海生工生物
工程技术服务有限公司合成。以反转录合成的ｃＤＮＡ
单链为模板，进行ＰＣＲ扩增，反应体系为：ＤＮＡ　ｔｅｍｐｌａｔｅ
１μＬ，Ｐ１　１μＬ，Ｐ２　１μＬ，ｄｄＨ２Ｏ　１０μＬ，ＰＣＲ－Ｍｉｘ　１２μＬ；
退火温度５６℃，３０个循环。经琼脂糖凝胶电泳，回收目
的片段，与ｐＭＤ１８－Ｔ　Ｖｅｃｔｏｒ连接过夜，转化感受态大肠
杆菌ＤＨ５α，挑取阳性克隆，负对照以蒸馏水为ＤＮＡ模
板进行ＰＣＲ反应，测序。
１．２．４　序列分析　由ＮＣＢＩ的ＢＬＡＳＴ程序进行核苷酸
序列同源性比对。使用ＤＮＡＭＡＮ软件完成氨基酸的
多重序列比较，等电点，分子量的预测以及进化树的构
建。分别使用 Ｐｒｏｔｓｃａｌｅ、ＴＭＨＭＭ、ＨＮＮ、ＳｉｇｎａｌＰ和
Ｓｍａｒｔ程序来预测蛋白质疏水性、跨膜结构、二级结构、
信号肽以及蛋白质保守结构域（ｄｏｍａｉｎｓ）。
１．２．５　朝鲜碱茅ＰｕＣＡＴ 基因在不同胁迫处理下的组
织表达分析　以Ａｃｔｉｎ基因为内标（Ｇｅｎｅｂａｎｋ登录号：
ＦＪ５４５６４１），采用半定量ＲＴ－ＰＣＲ的方法分析ＰｕＣＡＴ 基
因在朝鲜碱茅叶片或根部的表达情况。根据测序后的
全长序列设计５′端引物（５－ＡＣＴＴＴＧＡＣＣＣＧＣＴＣＧＡＴ－
ＧＴＣ－３）和３′端引物（５－ＣＣＡＴＣＣＴＡＣＡＴＧＴＴＣＧＧＣＴ－
ＴＣＡ－３）。提取４种处理条件下总ＲＮＡ，以反转录合成
的ｃＤＮＡ单链为模板进行ＰＣＲ扩增，反应条件为退火
温度５７℃，２５个循环。
２　结果与分析
２．１　朝鲜碱茅ＰｕＣＡＴ 基因全长的克隆
　　通过ＲＴ－ＰＣＲ反应，获得１　５００ｂｐ左右的条带（图
１、２）。将此条带进行回收，连接转化并测序，结果表明，
获得的ＰｕＣＡＴ 基因全长１　４８７ｂｐ，是一个完整的开放
阅读框（ＯＲＦ），包括起始密码子（ＡＴＧ）和终止密码子
（ＴＡＧ），编码４９２个氨基酸的多肽，蛋白质分子量为
５６．６７ｋＤａ，等电点为６．９，并登陆Ｇｅｎｅｂａｎｋ获得编号
ＨＭ２３０８２７。将其核酸序列用ＮＣＢＩ的ＢＬＡＳＴ程序检
索比对发现，其与大麦（Ｈｏｒｄｅｕｍ　ｖｕｌｇａｒｅ　Ｕ２０７７７）、小麦
（Ｔｒｉｔｉｃｕｍ　ａｅｓｔｉｖｕｍＸ９４３５２）、水稻（Ｏｒｙｚａ　ｓａｔｉｖａＪａｐｏｎｉｃａ
Ｄ２６４８４）、高粱（Ｓｏｒｇｈｕｍ　ｂｉｃｏｌｏｒ　ＸＭ００２４３７５８６）、玉米
（Ｚｅａ　ｍａｙｓ　ＮＭ００１２５４８７９）、马 蹄 莲 （Ｚａｎｔｅｄｅｓｃｈｉａ
ａｅｔｈｉｏｐｉｃａ　ＡＦ２０７９０６）、木 榄 （Ｂｒｕｇｕｉｅｒａ　ｇｙｍｎｏｒｈｉｚａ
ＧＵ４３３１９２）、碱蓬（Ｓｕａｅｄａ　ｓａｌｓａ　ＡＦ３９０２１０）的ＣＡＴ 基因
的同源性分别为９２％、９１％、８７％、８７％、８５％、７９％、
７７％、７７％。测序结果和核苷酸序列的同源性比对验证
了该基因的准确性。
　　注：Ｍ：ＤＬ　１５　０００Ｍａｒｋｅｒ，从上至下：１５．０、１０．０、５．０、２．５、１．０ｋｂ。
Ｎｏｔｅ：Ｍ：ＤＬ　１５　０００Ｍａｒｋｅｒ，ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ：１５．０，１０．０，
５．０，２．５，１．０ｋｂ．
图１　ＲＴ－ＰＣＲ电泳
Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ　ｏｆ　ＲＴ－ＰＣＲ
注：—为负对照。
Ｎｏｔｅ：—ｓｈｏｗ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ．
图２　阳性克隆ＰＣＲ鉴定
Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ＰＣＲ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｃｌｏｎｉｎｇ
２．２　信号肽的预测与分析
由图３神经网络算法的预测结果可知，ＰｕＣＡＴ 基
因编码蛋白的Ｃ值（原始剪切位点分值）、Ｓ值（信号肽分
值）和Ｙ 值（综合剪切位点分值）均比较小，远远小于
０．５，无氨基酸残基位点，可以推测，ＰｕＣＡＴ 基因编码蛋
白可能不存在导肽酶切位点，没有信号肽，在细胞质中
合成后，不能进行蛋白转运，是一个非分泌蛋白。
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·生物技术· 北方园艺２０１４（２０）：９０～９５
注：Ｃ值：原始剪切位点的分值；Ｓ值：信号肽的分值；Ｙ值：综合剪切位点的分值。
Ｎｏｔｅ：Ｃｓｃｏｒｅ：Ｓｃｏｒｅ　ｏｆ　ｃｌｅａｖａｇｅ　ｓｉｔｅ；Ｓｓｃｏｒｅ：Ｓｃｏｒｅ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｅｐｔｉｄｅ；Ｙｓｃｏｒｅ：Ｓｃｏｒｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｃｌｅａｖａｇｅ　ｓｉｔｅｓ．
图３　ＰｕＣＡＴ 编码蛋白信号肽分析
Ｆｉｇ．３　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｅｐｔｉｄｅ　ｅｎｃｏｄｅｄ　ｂｙ　ＰｕＣＡＴ
２．３　疏水性的预测与分析
蛋白质疏水性分析对于研究其跨膜特征和二级结
构有着重要的指导意义，通常依据蛋白的ＧＲＡＶＹ 值来
判断：该值为正值，则判定该蛋白为疏水蛋白；该值为负
值，则判定为亲水蛋白；氨基酸分值越高疏水性越强，分
值越低亲水性越强。由图４可知，ＰｕＣＡＴ 编码氨基酸
序列的第１６８位氨基酸具有最低分值（－２．４５６），亲水性
最强；第３２７位氨基酸分值最高（２．１２２），疏水性最强。
但就整体分析而言，没有形成明显的疏水性区域，并且
亲水性氨基酸的分布要多于疏水性氨基酸，因此，推测
ＰｕＣＡＴ 编码蛋白是一个可溶性蛋白。
图４　ＰｕＣＡＴ 编码蛋白的疏水性／亲水性预测
Ｆｉｇ．４　Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ／ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ　ｆｏｒ　ＰｕＣＡＴ
２．４　跨膜结构域的预测
由图５ＴＭＨＭＭ程序的预测结果可以看出，朝鲜
碱茅过氧化氢酶蛋白不具有跨膜结构域，无跨膜螺旋区
存在，不是膜蛋白，这与疏水性分析结果相一致。
图５　ＰｕＣＡＴ 编码蛋白跨膜结构域的预测结果
Ｆｉｇ．５　Ｔｒａｎｓ－ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ＰｕＣＡＴ
２．５　二级结构的预测分析
蛋白质二级结构是构成三级结构的基础，对了解其
空间结构和功能有着重要意义。图６预测结果表明，
ＰｕＣＡＴ 编码蛋白的肽链有２９５个氨基酸构成了随机卷
曲，占到了５９．８４％；有１１２个氨基酸参与了延伸链结
构，占到了２２．７２％；有８６个氨基酸参与了α?螺旋结构，
占到了１７．４４％；其中随机卷曲和延伸链结构占据了大
多数。
注：长线：α?螺旋；中线：延伸；短线：随机卷曲。
Ｎｏｔｅ：Ｌｏｎｇ　ｔｅｒｍ：ａｌｐｈａ　ｈｅｌｉｘ；Ｌｉｎｅ：ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ；Ｓｈｏｒｔ－ｔｅｒｍ：ｒａｎｄｏｍ　ｃｕｒｌ．
图６　ＰｕＣＡＴ 二级结构预测结果
Ｆｉｇ．６　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ＰｕＣＡＴ
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２．６　氨基酸序列分析与系统进化树的构建
利用ＤＮＡＭＡＮ　６．０序列分析软件对朝鲜碱茅
与大麦（Ｕ２０７７７．１）、小麦（Ｘ９４３５２．１）、玉米（ＮＭ＿
００１１１１９４５．１）、水稻（Ｄ２６４８４．１）、马蹄莲（ＡＦ２０７９０６．１）、
木榄（ＧＵ４３３１９２．１）６种植物的ＣＡＴ氨基酸序列进行对
比，由图７可知，６种植物Ｃ－端均具有与ＰＴＳ１受体
（Ｐｅｘ５ｐ）结合的保守３肽区域（ＱＫＬ），说明朝鲜碱茅过
氧化氢酶可能也是通过ＰＴＳ１系统进入细胞内的过氧化
物酶体。
图７　Ｃ－末端氨基酸序列对比
Ｆｉｇ．７　Ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃ－ｔｅｒｍｉｎａｌ　ａｍｉｎｏ　ａｃｉｄ
　　从图８构建的ＣＡＴ氨基酸序列系统发育树状图可
以看出，以０．０７为结点，可以分为４组，第１组为：棉花、
杨树、李属、木榄、金丝桃、芸薹、盐芥、碱蓬和马蹄莲；第
２组为：大麦、小麦、碱茅、水稻、高粱和玉米；第３组为木
薯；第４组是番茄。其中朝鲜碱茅与大麦、小麦的同源
关系最近，与同为禾本科的水稻、高粱、玉米的同源关系
较为相近，而与其它科植物的同源关系较远，这与前面
核苷酸序列的同源性分析结果相一致。
图８　氨基酸进化树分析
Ｆｉｇ．８　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｍｉｎｏ　ａｃｉｄ　ｈｏｍｏｌｏｇｙ－ｔｒｅｅ
２．７　不同胁迫处理下ＰｕＣＡＴ 基因在朝鲜碱茅叶和根
中的表达
半定量ＲＴ－ＰＣＲ结果表明，ＰｕＣＡＴ 基因在朝鲜碱
茅的地下部和地上部均可以表达，但是在叶片中的表达
量要高于在根中的表达量。４种胁迫处理均可以诱导
ＰｕＣＡＴ 基因的表达，但变化规律不同，ＰｕＣＡＴ 基因受
盐碱复合胁迫诱导的表达量最高，其次是碱胁迫和盐胁
迫，受干旱胁迫诱导的表达量最低。在同种胁迫处理
下，ＰｕＣＡＴ 基因在朝鲜碱茅叶片和根中的表达规律也
不相同。由图９可知，在盐胁迫处理条件下，ＰｕＣＡＴ 基
因在叶片中的表达量，随着处理时间的延长，逐渐增加，
在处理６ｈ之后表现出降低的趋势，而在处理４８ｈ时又
突然升高；在根中的表达规律则为先增加后降低，在处
理１２ｈ的表达量最高。在碱胁迫处理条件下，ＰｕＣＡＴ
基因在叶片中的表达量与盐胁迫有所不同，处理１２ｈ之
后表现出降低的趋势，在处理４８ｈ时也表现为突然升
高；在根中的表达规律与盐胁迫类似。在盐碱复合胁迫
处理条件下，ＰｕＣＡＴ 基因在朝鲜碱茅叶片和根中的表
达量均表现出随着时间延长逐渐升高的变化趋势。在
干旱胁迫处理条件下，ＰｕＣＡＴ 基因在朝鲜碱茅叶片和
根中的表达规律呈现出先增加后降低的变化态势，在处
理１２ｈ的表达量达到最高。
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·生物技术· 北方园艺２０１４（２０）：９０～９５
注：Ａ：１．５％ ＮａＣｌ；Ｂ：１．５％ Ｎａ２ＣＯ３；Ｃ：１．５％ ＮａＣｌ＋１．５％ Ｎａ２ＣＯ３；Ｄ：２０％ＰＥＧ；Ａｃｔｉｎ：内参基因。
Ｎｏｔｅ：Ａ：１．５％ ＮａＣｌ；Ｂ：１．５％ Ｎａ２ＣＯ３；Ｃ：１．５％ ＮａＣｌ＋１．５％ Ｎａ２ＣＯ３；Ｄ：２０％ＰＥＧ；Ａｃｔｉｎ：ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｇｅｎｅ．
图９　朝鲜碱茅ＰｕＣＡＴ 基因在叶和根中的表达
Ｆｉｇ．９　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＰｕＣＡＴｇｅｎｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｌｅａｆ　ａｎｄ　ｒｏｏｔ　ｏｆ　Ｐｕｃｃｉｎｅｌｌｉａ　ｃｈｉｎａｍｐｏｅｎｓｉｓ
３　讨论
目前，虽然已从许多植物中分离到ＣＡＴ 基因的
ｃＤＮＡ序列，但是这些植物大多为甜土植物，抗盐碱能力
有限，有关盐生植物ＣＡＴ 基因的研究较少。该研究从
盐碱地先锋植物碱茅中克隆到了过氧化氢酶基因的
ｃＤＮＡ序列，通过在ＮＣＢＩ上进行核酸和氨基酸的序列比
对，发现该序列是一个完整的开放阅读框，具有保守的
过氧化氢酶结构域，与禾本科植物大麦、小麦、水稻等农作
物的同源性很高，说明ＰｕＣＡＴ 基因全长序列的克隆是成
功的。
已经被学者分离克隆的ＣＡＴ 基因主要有３类：
Ｃａｔ１、Ｃａｔ２和Ｃａｔ３［１６］。其中，Ｃａｔ１主要负责清除光呼吸
产生的Ｈ２Ｏ２，在叶内表达丰富；Ｃａｔ２的表达受ＵＶ－Ｂ、臭
氧［１７］及病原诱导，在植物抗逆中起重要作用，主要在种
子萌发后的盾片中表达，在叶和上胚轴内表达量很低；
Ｃａｔ３主要清除脂肪酸氧化代谢产生的Ｈ２Ｏ２，在种子内
表达丰富［１８］。研究表明ＣＡＴｓ 的表达不仅具有组织和
器官特异性，还与植物的生长发育以及外界环境影响等
诸多因素有关。半定量ＲＴ－ＰＣＲ结果表明，该试验分离
到的ＰｕＣＡＴ 基因在朝鲜碱茅的地下部和地上部均可以
表达，但是在叶片中的表达量要明显高于在根中的表达
量，同时结合ＮＣＢＩ中的序列比对结果，推断朝鲜碱茅
ＰｕＣＡＴ 基因应该属于Ｃａｔ１类基因。
过氧化氢酶主要分布在细胞中的过氧化物酶体。
该研究克隆的碱茅ＰｕＣＡＴ 基因，其氨基酸序列与其它
植物的ＣＡＴｓ都有一个保守的三肽序列（ＱＫＬ），是一个
ＰＴＳ１－ｌｉｋｅ　ｍｏｔｉｆｓ，与过氧化物酶体的ＰＴＳ１（Ｐｅｒｏｘｉｓ　ｏｍａｌ
ｔａｒｇｅｔｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ）相一致，可能作为内在的ＰＴＳ１发挥作
用。而ＰＴＳ１是许多蛋白识别过氧化物酶体，进而进入
该细胞器的目标信号，这个信号位于ＰＴＳ１受体（ＰＴＳ１
ｒｅｃｅｐｔｏｒ－Ｐｅｘ５ｐ）的Ｃ－端。进一步研究表明，ＣＡＴ１可以
与ＰＴＳ１受体（Ｐｅｘ５ｐ）相结合［１９］，说明碱茅ＰｕＣＡＴ 基因
合成的过氧化氢酶，可能通过ＰＴＳ１系统进入过氧化物
酶体，进而维持体内Ｈ２Ｏ２ 的氧还平衡。此外，在Ｃ－末
端还具有典型的ＳＲＬ序列（Ｓｅｒ－Ａｒｇ－Ｌｅｕ），作为典型的
ＰＴＳ１ｍｏｔｉｆ，该位点可能与增强过氧化氢酶向过氧化物
酶体的转运效率有关。
植物分子生物学的飞速发展，为提高作物的抗逆
性，培育抗盐碱植物种质资源提供了一条有效途径。已
有许多研究将外源过氧化氢酶基因导入到需改良的作
物中［２０－２１］，减少了光呼吸产生的 Ｈ２Ｏ２、提高光合效率、
促进光合作用，提高了植株的抗逆能力，获得了抗旱、抗
盐碱能力显著增强的育种材料。此外，过氧化氢酶还能
提高植物对除草剂的抗性［２２］，增强植物体本身的抗病
性、耐低温性等［２３－２４］。同时，也应该看到，有关过氧化氢
酶基因在植物体内的具体调节机制尚不清楚，过氧化氢
酶与体内Ｈ２Ｏ２含量如何达到最佳的平衡点，正如该研
究的试验结果，ＰｕＣＡＴ 基因在叶片中的表达量，在盐处
理前期逐渐增加，处理６ｈ之后逐渐降低，可能是由于朝
鲜碱茅体内Ｈ２Ｏ２的含量在过氧化氢酶的作用下达到了
对植物生长有益的浓度范围，而在处理４８ｈ时又突然升
高，说明此时Ｈ２Ｏ２ 对朝鲜碱茅的伤害作用又进一步加
大。碱处理与盐处理的变化规律则有所不同，在处理１２ｈ
之后才逐渐降低，说明在今后的工作中，应该对碱胁迫和
４９
北方园艺２０１４（２０）：９０～９５ ·生物技术·
盐胁迫分别开展研究。随着人们对ＣＡＴ 基因研究的深入
以及过氧化氢信号传导途径的逐渐明晰，必将促进过氧
化氢酶基因在改良牧草和农作物抗逆性方面的应用。
参考文献
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ｄｕｃｅｄ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏｄｅｔｏｘｉｆｙ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｓ　ａｒｅ　ｈｙｐｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ
ｔｏ　ｐａｔｈｏｇｅｎ　ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ｏｆ
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ｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｃａｔａｌａｓｅ　ｉｓｏｚｙｍｅ　ｇｅｎｅ　ｉｎ　ｂａｒｌｅｙ［Ｊ］．
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ｔｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｐｕｍｐｋｉｎ　ｃａｔａｌａｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｉｎｄｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ＰＴＳ１ｒｅｃｅｐｔｏｒ
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ｅｘｐｒｅｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｉｚｅ　Ｃａｔ２ｇｅｎｅ　ｈａｖｅ　ａｌｔｅｒｅｄ　ｃａｔａｌａｓｅ　ｌｅｖｅｌｓ　ｔｈａｔ　ａｆｅｃｔ　ｐｌａｎｔ－
ｐａｔｈｏｇｅｎ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏ　ｏｘｉｄａｔｉｖｅ　ｓｔｒｅｓｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ　Ｒｅ－
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ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔｏｂａｃｃｏ　ｐｌａｎｔｓ　ｔｏ　ｔｏｂａｃｃｏ　ｍｏｓａｉｃ　ｖｉｒｕｓ　ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．
Ｐｌａｎｔ　Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，２００２，１２９：１０３２－１０４４．
Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｃｌｏｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃａｔａｌａｓｅ（ＰｕＣＡＴ）Ｇｅｎｅ　ｉｎ
Ｐｕｃｃｉｎｅｌｉａ　ｃｈｉｎａｍｐｏｅｎｓｉｓ
ＲＥＮ　Ｗｅｉ　１，２，ＸＵ　Ｂｏ３，ＧＥＮＧ　Ｈｕｉ　１，ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ－ｆｅｎｇ１，ＸＵ　Ａｎ－ｋａｉ　１
（１．Ａｎｉｍａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｊｉｌｉｎ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｏｎｇｚｈｕｌｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　１３６１００；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｏｉｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，
Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　７１２１００；３．Ｊｉｌｉｎ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ　１３００００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆｕｌ　ｌｅｎｇｔｈ　ｃＤＮＡ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ＣＡＴｇｅｎｅ　ｗａｓ　ｃｌｏｎｅｄ　ｆｒｏｍＰｕｃｃｉｎｅｌｉａ　ｃｈｉｎａｍｐｏｅｎｓｉｓ　ｌｅａｖｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ＲＴ－ＰＣＲ
ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｐｒｉｍｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓ　ＣＡＴｇｅｎｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｏｔｈｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｓｐｅｃｉｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅ　ｗａｓ　１　４８７ｂｐ，ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｏｐｅｎ　ｒｅａｄｉｎｇ　ｆｒａｍｅ　ａｎｄ　ｅｎｃｏｄｉｎｇ　４９２
ａｍｉｎｏ　ａｃｉｄｓ，Ｇｅｎｅｂａｎｋ：ＨＭ２３０８２７．Ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ　ａｎｄ　ａｍｉｎｏ　ａｃｉｄ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ｔｈａｔ　ＰｕＣＡＴ ｓｈａｒｅｄ　ｈｉｇｈ
ｉｄｅｎｔｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｌｏｇｓ　ｆｒｏｍ　Ｔｒｉｔｉｃｕｍ　ａｅｓｔｉｖｕｍａｎｄ　Ｈｏｒｄｅｕｍ　ｖｕｌｇａｒｅ．Ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｅｐｔｉｄｅ，ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ／
ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ，ｔｒａｎｓ－ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｄｏｍａｉｎ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍａｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｄｏｍａｉｎｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．Ｓｅｍｉ－ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ
ＲＴ－ＰＣＲ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ＰｕＣＡＴｅｘｐｒｅｓｓｅｄ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｉｓｓｕｅｓ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｒｏｏｔ　ｗａｓ　ｌｏｗｅｒ，ａｎｄ　ｉｎ　ｌｅａｆ
ｍｕｃｈ　ｈｉｇｈｅｒ．Ｖａｒｉｏｕｓ　ｅｌｅｖａｔｅｄ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ＰｕＣＡＴ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｗｈｅｎ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｔｏ　４ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｎｏｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｕｃｃｉｎｅｌｉａ　ｃｈｉｎａｍｐｏｅｎｓｉｓ；ＣＡＴ；ｇｅｎｅ　ｃｌｏｎｅ
５９