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龙竹和麻竹FT同源序列的扩增与序列分析



全 文 :第30卷第2期
2012年3月
泉州师范学院学报
Journal of Quanzhou Normal University
Vol.30No.2
Mar.2012
龙竹和麻竹FT同源序列的扩增与序列分析
桑庆亮,黄周英,孙亮先
(泉州师范学院 化学与生命科学学院,福建 泉州 362000)
摘 要:根据拟南芥Flowering Locus T(FT)基因和水稻Heading date 3a(Hd3a)基因的序列设计引物,
通过PCR扩增的方法分别从麻竹和龙竹基因组DNA中各得到长为334bp的DNA片段.经BLAST检索、基
因结构分析和编码蛋白功能域预测等分析,初步确定所得DNA片段可能是麻竹和龙竹中的FT同源基因的部
分序列.
关键词:麻竹;龙竹;FT同源基因;PCR扩增;序列分析 ①
中图分类号:Q523;S718.46  文献标识码:A   文章编号:1009-8224(2012)02-0067-05 
竹子是非常有特色的禾本科植物,快速生长能力、较高的木质化程度和地下茎长期无性繁殖等特点造就
了其重要经济价值[1].大多数竹种具有3~120年的开花周期,并且在开花后表现为竹林成片死亡.因此,对竹
子开花机制的研究具有重要意义,而分离开花相关基因可为竹子开花机制研究提供重要的工具.
在竹类植物中已有部分开花相关基因得到克隆和初步分析,如麻竹MADS-box基因[1]、早竹花器官中的
四个MADS-box基因[2]、多个竹种的FT或RFT1相似基因序列[3]等.
竹类植物基因功能分析的困难主要有:(1)缺少高效稳定的遗传转化体系,已克隆的竹子基因的功能鉴定
很难在竹子中实现,而只能利用拟南芥、水稻等体系;(2)竹子开花时间周期过长,很难稳定地获得具有开花基
因表达产物的样品.
本实验采用具有经济和观赏价值的龙竹(Dendrocalamus giganteus)和麻竹(D.latiflorus)基因组DNA
作为模板,以水稻(Oryza sativa)Hd3a基因、拟南芥(Arabidopsis thaliana)FT基因的保守外显子序列设计特
异性引物进行PCR扩增、将扩增产物转化并测序,并对其核苷酸和预测编码蛋白的氨基酸序列进行分析,为
今后竹子开花机制的研究提供重要基础.
1 材料与方法
1.1 实验材料
龙竹鲜叶取自泉州师范学院校园内,麻竹鲜叶取自永春县五里街镇.大肠杆菌(Escherichia coli)菌株
DH5α由本实验室保存.
1.2 实验方法
1.2.1 PCR引物设计与合成 根据拟南芥的FT基因和水稻 Hd3a基因的保守外显子序列设计引物,
forward primer bf208:5’-GTG ATG GTA GAC CCA GAT GC-3’,reverse primer br338:5’-GGG CTC TCG
TAG CAC ATC AT-3’.
1.2.2 基因组DNA的提取与鉴定 采用SDS法[4]和CTAB法[5]从龙竹和麻竹鲜叶中提取并纯化基因组
DNA,电泳和紫外分光光度法鉴定后备用.
1.2.3 FT 基因的PCR扩增及纯化 PCR的扩增体系(25μL体系):10×PCR reaction buffer 2.5μL,
100mmol/L的 Mg2+2.5μL,rTaq DNA Polymerase(5U/μL)0.2μL,2mmol/L的dNTP 2.0μL,DMSO
① 收稿日期:2011-09-27
作者简介:桑庆亮(1976—),男,山东莱芜人,讲师,博士,从事植物分子生物学研究.
基金项目:福建省科技厅青年人才项目(2007F3087);泉州市科技局计划项目(2008Z15)
DOI:10.16125/j.cnki.1009-8224.2012.02.007
2.0μL,forward primer bf208 0.5μL,reverse primer br338 0.5μL,模板基因组DNA 1.0μL,加无菌ddH2O
至总体积为25μL.
PCR反应条件:94℃预变性6min,94℃变性1min,58℃退火1min,72℃延伸75s,35个循环,72℃延
伸10min.
将PCR产物以1.5%的琼脂糖凝胶电泳以鉴定其大小,将PCR产物回收并纯化,与T载体连接,转入大
肠杆菌DH5α感受态细胞中,挑阳性单克隆进行PCR鉴定并测序.
1.2.4 序列分析 测序结果用 Vector NTI(Invitrogen Corp.)软件包中的ContigExpress读出,碱基组成分
析用DNAsp 3.50
[6]完成,多序列比对用Clustal X 2.0[7]进行,密码子偏性分析用CodonW1.4.2[8]完成,氨基
酸序列的系统演化分析用 MEGA 5.0[9]进行,序列同源性分析通过Blastn[10]和Psi-Blast[11]检索得出,蛋白质
序列功能域预测用SMART 4.0[12]完成.
2 结果与分析
2.1 序列获取与序列分析
通过PCR扩增、转化并测序,分别从龙竹和麻竹基因组 DNA中得到长为334bp的序列,分别命名为
DgFT(JN662503)和DlFT(JN662504).
将DgRFT和DlRFT 的核苷酸序列及推出的氨基酸序列分别进行Blast分析,发现其核苷酸序列与马来
甜龙竹(D.asper)RFT(AB261113.1)、毛竹(Phyllostachys edulis)RFT(AB240580.1)等的部分序列相似性达
80%以上.其中,与同属的马来甜龙竹RFT基因的相似性均达到91%,而与同为禾本科的水稻印地栽培种
(Oryza sativa Indica Cultivar-Group)的Hd3a基因(AB426882.1)部分序列的相似性也达73%以上.
得出所克隆的龙竹DgFT和麻竹DlFT 的部分编码序列长度均为131bp,各自编码43个氨基酸残基.
Blast检索的结果显示它们的相似蛋白质序列包括FT直系同源基因的蛋白质序列(包括小麦VRN3、马来甜
龙竹RFT1、毛竹RFT、毛环竹RFT1、拟南芥FT),相似性均达70%以上.其中,与马来甜龙竹RFT1、毛竹
RFT等基因的cDNA中相应的序列相似性可达90%以上.
2.2 DgFT 和DlFT 序列特征分析
2.2.1 序列相似性与泊松校正距离 对DgFT和DlFT 部分序列编码区的碱基组成进行分析,结果表明:
DlFT编码区碱基组成为A(24.4%)、C(25.2%)、G(29.0%)、T(21.4%),而DgFT碱基组成为A(23.7%)、
C(24.4%)、G(29.8%)、G(22.1%),与水稻Hd3a、FT基因的碱基组成相似.
将龙竹DgFT、麻竹DlFT、马来甜龙竹RFT1、毛竹RFT1、毛环竹(Phyllostachys myeri)RFT1、小麦
VRN3、水稻Hd3a和拟南芥FT 对应的氨基酸序列进行多序列比对,并用 MEGA 5.0[9]计算其泊松校正距
离.结果表明:这些序列两两之间的泊松校正距离均小于0.3,总的泊松校正距离也仅为0.12,从遗传距离上
看,它们可能是直系同源基因.相对进化速率检验的结果表明它们具有相似的进化速率(χ
2=1,P>0.05),表
明它们属于同一基因家族.
2.2.2 基因结构 将DgFT和DlFT 基因片段与拟南芥FT、水稻 Hd3a、小麦VRN3、马来甜龙竹RFT进
行多序列比对,以确定其内含子-外显子的相对位置,结果见图1.
图1 DgFT和DlFT 的基因结构
由图1可知,所克隆的DgFT和DlFT 基因片段跨越外显子2、内含子2、外显子3、内含子3和外显子4
的一部分,其中外显子2长62bp,外显子3长41bp,与目前已经分离得到的FT/TFL1亚家族基因的结构一
致[13].与拟南芥FT、水稻Hd3a、马来甜龙竹RFT相比,对应的外显子长度一致,而内含子长度存在差异(如
拟南芥FT的内含子3长为126bp,内含子2长度为715bp;水稻Hd3a的内含子2长135bp,内含子3长为
1 310bp;马来甜龙竹的内含子2长为123bp,内含子3长83bp;而DgFT和DlFT 的内含子2均为120bp,
内含子3长为83bp).基因结构上的一致性反映了功能上的相似性,因此,DgFT和DlFT 基因片段可能与拟
南芥FT 基因、水稻Hd3a基因具有相同的生物学功能.
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2.3 系统演化分析
将拟南芥FT、小麦VRN3、水稻的 Hd3a、毛竹RFT1、毛环竹RFT1、马来甜龙竹RFT中对应于所克隆
的龙竹和麻竹的氨基酸的43个氨基酸残基的序列片段构建系统树(图2).
图2 DlFT、DgFT及其同源基因氨基酸序列的系统演化关系
由图2可以看出,竹子中同一属的FT同源基因位于同一分支(毛竹RFT1和毛环竹RFT1成一分支;马
来甜龙竹RFT1、龙竹DgFT和麻竹DlFT 形成一分支),近缘属的小麦VRN3和水稻 Hd3a形成一分支,拟
南芥FT单独一分支,作为外类群.据此我们认为,DlFT和DgFT 与FT 和Hd3a是垂直进化的基因,即直系
同源基因.
2.4 功能域分析
2.4.1 保守结构域与保守氨基酸残基 用Vector NTI软件将DgFT和DlFT 基因片段的蛋白编码序列人
工转译成氨基酸序列.DgFT和DlFT 基因片段部分的氨基酸序列长度均为43个氨基酸残基.
用SMART4.0[12]对该两段43个氨基酸残基的序列进行检索,得出从1~42位为PEBP结构域部分,属
于PEBP家族成员(E值为3.40×10-10),进一步表明该功能域的存在.
将这些具较高同源性的氨基酸序列提取出来,与麻竹DlFT和龙竹DgFT 基因片段的氨基酸序列进行
多序列比对.
图3 多个物种的FT同源基因的氨基酸序列比对图(并显示PEBP功能域)
注:图中黑色实线框内为D-P-D-x-P模块,黑色虚线框内为保守的Y残基,而黑色点线框内为H残基,这些保守的氨
基酸残基均与配体结合位点的形成有关.
由图3可以看出,龙竹DgFT与麻竹DlFT 的氨基酸序列片段中均含有磷脂酰乙醇胺结合蛋白(PEBP)
结构域,图中及植物FT基因家族蛋白质序列中的保守结构域(71~75)残基间的D-P-D-x-P模块、87位保守
的组氨酸 H,但111~114位的G-x-H-R模块[14-15]超出了我们所克隆的序列的范围而未体现.功能域分析表
明龙竹DgFT与麻竹DlFT 属于PEBP-PKIP蛋白质超家族中的FT/TFL1基因家族,可能在竹子诱导成花
方面具有重要作用.
2.4.2 氨基酸序列区域保守性 将这些FT直系基因进行多序列比对,然后用 Weblogo[16]对上述多序列比
对结果进行作图,以显示保守氨基酸残基的位置(图4).
96 第2期 桑庆亮,等:龙竹和麻竹FT同源序列的扩增与序列分析  
图4 多序列比对中保守氨基酸残基的位置
  由图4可知,靠近5’端的氨基酸残基相对保守,靠近3’端区保守性相对较差.Ahn等[13]认为外显子4的
高可变性对FT家族基因的的功能意义重大,可能带来功能的变化,而所克隆的序列的3’端即位于FT的外
显子4对应的区域,3’侧的氨基酸残基的保守性差也体现了具有该基因家族成员的特征.因此,从序列保守性
来看,DgFT和DlFT 为FT 家族成员.
2.4.3 Psi-blast分析 将所克隆的DgFT和DlFT 分别进行Psi-Blast检索,结果表明,该两段氨基酸序列片
段均具有PEBP结构域:第5位(对应FT蛋白第71位)的脯氨酸(P),第18位(对应FT蛋白第85位)的酪氨
酸(Y)和第20位(对应FT蛋白第87位)的组氨酸(H),为PEBP结构域中底物结合位点的保守氨基酸残基.
决定FT生物学功能的位点包括一些关键性氨基酸残基和外显子4区域的14个保守氨基酸残基:FT蛋
白85位的酪氨酸(Y),88位的组氨酸(H)以及外显子4中的14个保守氨基酸残基(未克隆区域)在FT 基因
中几乎不变[13].
3 讨论
本研究以龙竹和麻竹基因组DNA为模板进行PCR扩增,成功得到了FT相似基因的部分序列.序列相
似性分析发现,所克隆的DgFT和DlFT 序列与拟南芥FT 基因以及水稻Hd3a基因具有很高的相似性,因
此认为所克隆的基因序列可能具有与FT 和Hd3a相似的功能.将近缘物种的FT 同源基因与DgFT 和
DlFT 构建系统树,它们与水稻Hd3a、小麦VRN3、毛竹RFT1以及毛环竹RFT1位于同一分支,说明DgFT
和DlFT 可能是FT 直系同源基因.通过对氨基酸序列保守性以及结构域的分析,我们得出,DgFT和DlFT
具有FT 基因家族的特征氨基酸残基,进一步说明它们与FT基因可能具有相似的功能.
由于竹子开花时间不确定,且成花素基因表达时间很短,因此,在竹子成花机理研究中,合适的取样时间
的确定是竹子亟待解决的问题.由于无法找到合适的材料和转基因体系,本研究也只能从基因组DNA中扩
增,而无法通过RT-PCR等方法获得FT相似基因的cDNA序列,并对序列特征、基因结构和功能域进行分
析,从而推测其功能,为今后竹子开花基因的克隆与功能分析工作提供一定的基础.
参 考 文 献:
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Amplification and Sequence Analysis of Partial FT-like Sequences
in Dendrocalamus giganteus and Dendrocalamus latiflorus
SANG Qing-liang,HUANG Zhou-ying,SUN Liang-xian
(School of Chemistry and Life Science,Quanzhou Normal University,Fujian 362000,China)
Abstract:In this paper,primers were designed according to the conserved exons of Arabidopsis thaliana
Flowering Locus T (FT)gene and Oryza sativa Heading date 3a(Hd3a)gene to amplify the
corresponding DNA sequence from genomic DNA of D.latiflorus and D.giganteus,and two 334bp
long DNA sequences were obtained.Through blast search,gene structure analysis and conserved
domain search,we conclud that these two DNA sequences might be members of FTgene family in
D.latiflorus and D.giganteus.
Key words:dendrocalamus latiflorus;dendrocalamus giganteus;FT-like gene;amplification;sequence
analysis
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