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利用简并引物克隆黑莓、树莓肌动蛋白基因片段及表达分析



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 8 期
利用简并引物克隆黑莓、树莓肌动蛋白
基因片段及表达分析
张春红 王小敏 王鲁北 吴文龙 李维林
(江苏省中国科学院植物研究所,南京 210014)
摘 要: 采用同源克隆法,利用设计的一对肌动蛋白(actin)基因简并引物,从黑莓、树莓和悬钩子杂种 3 个悬钩子植物
品种均得到一条 743 bp的 actin cDNA片段,推测编码 247 个氨基酸。序列比对发现,克隆的 actin基因推导的氨基酸序列和其
他植物的肌动蛋白氨基酸序列具有高度保守性,经数据库搜索后将来自黑莓和树莓品种的 actin cDNA 片段在 GenBank 中登
录,登录号分别为 HQ439558 和 HQ439559。不同来源的植物 actin蛋白系统进化树的聚类结果表明,树莓和悬钩子杂种亲缘
关系较为密切。actin基因在 3 个悬钩子植物品种不同组织中的 RT-PCR分析结果表明,其在检测的不同组织中均有一定程度
的表达量,可能都属于组成型表达的肌动蛋白基因。研究结果为利用 actin基因作为内参进一步研究黑莓和树莓其他基因的
丰度奠定基础。
关键词: 悬钩子 肌动蛋白基因 简并引物 序列分析 半定量 RT-PCR
Cloning and Expression Analysis of Actin Gene Fragment from
Blackberry and Raspberry Using Degenerate Primers
Zhang Chunhong Wang Xiaomin Wang Lubei Wu Wenlong Li Weilin
(Institute of Botany,Jiangsu Province and the Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210014)
Abstract: In this report,the cDNA fragment of 743 bp encoding 247 amino acid residues was similarly cloned from blackberry,
raspberry and rubus hybrid berry cultivars by homologous cloning using a pair of degenerate primers. Multiple sequence alignment and
database search results showed that the three amino acid sequences deduced from the cloned actin cDNA sequences exhibited high con-
servation with those from other plants. Consequently,the actin cDNA sequences from blackberry and raspberry cultivars were submitted
into GenBank and the accession numbers were HQ439558 and HQ439559 respectively. Phylogeny analysis by using different plant actin
protein sources showed that the actin protein from raspberry and rubus hybrid berry cultivars had close genetic relationship. RT-PCR a-
nalysis of three actin genes from different rubus cultivars showed that they uniformly had expression level in different tissues detected
and thus may belong to constitutive expression. The results laid basis for identification of gene transcription level in rubus using actin as
internal control.
Key words: Rubus Actin gene Degenerate primers Sequence analysis Semi-quantitative RT-PCR
收稿日期:2010-12-31
基金项目:国家自然科学基金项目(31000753) ,江苏省农业科技自主创新基金项目(CX[10]109) ,江苏省科技基础设施建设计划项目
(BM2009041,BM2010458)
作者简介:张春红,女,博士,助理研究员,研究方向:果树生物技术;E-mail:chzhang0714@ yahoo. com. cn
肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,高等植物
中的肌动蛋白首先由阎隆飞等[1]证明。植物肌动
蛋白是单一多肽链的球状蛋白,由 375 - 377 个氨基
酸组成,分子量为 42 kD[2],已经证明广泛存在于高
等植物的各种组织细胞中,如花粉、茎韧皮部、叶表
皮细胞、叶鞘细胞、根毛及卷须等[3]。利用特异的
肌动蛋白抑制剂及微丝的定位已经证明其参与细胞
分裂、细胞运动、胞内物质运输以及细胞内信号传导
到细胞和细胞间的相互作用等多种生理功能[2,4 - 6]。
因而,actin 基因是所有细胞中均要表达的一类基
因,它的表达水平受环境影响较小,被看作真核细胞
生理过程中的看家基因,其在基因表达调控研究时
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 8 期
具有重要的作用,被广泛作为分子内标[2,7,8]。随着
分子生物学的发展,对植物肌动蛋白的研究逐渐深
入和广泛,目前已经从多种植物中克隆到了 actin 基
因,方法主要有简并引物法[9]、特异保守引物法[10]、
利用 cDNA 构建和探针筛选法[11]等。高等植物如
水稻、拟南芥、杨树等的所有肌动蛋白基因序列已被
测定[12],而目前关于悬钩子属植物的肌动蛋白基因
的研究很少,在 GenBank中尚未见注册。
悬钩子属植物资源作为果树种质资源和药用植
物,尤其在果实色素和香味成分方面具有重要利用
潜力和价值[13]。黑莓(Rubus spp.)和树莓(Rubus
idaeus L.)都属于蔷薇科(Rosaceae)悬钩子属(Ru-
bus) ,两者的主要区别在于果实成熟时,黑莓果实与
花托不分离,形成实心的聚合果,而树莓的果实则与
花托分离,形成空心的聚合果[14]。我国于 20 世纪
80 年代开始进行小果类果树黑莓、树莓的引种、育
种以及国内悬钩子属植物资源的调查研究工作,先
后共引进黑莓、树莓品种 30 个以上[15]。黑莓、树莓
多数为灌木,少数为多年生草本和亚灌木,新发枝第
二年结果,一般二年生结果枝结果后死亡,植株寿命
13 - 15 年,栽培第 1 - 2 年为生长和开花结实期[16]。
黑莓、树莓果实色泽鲜艳夺目,果肉营养丰富和具有
独特的香味,富含黄酮类、VE、SOD、γ-氨基丁酸等抗
衰老物质,被誉为新兴的第三代小浆果[17]。在国
外,黑莓、树莓目前是栽培的一项大宗浆果类经济果
树,产于我国的许多野生悬钩子种质资源在国外悬
钩子育种中也被广泛采用,培育出了许多有价值的
黑莓、树莓栽培品种和悬钩子杂交品种。黑莓和树
莓由于不易运输和贮藏,目前国内外 90%以上的鲜
果都用于加工,其加工品主要包括果汁(饮料)、果
酒、果酱、罐头和鲜食速冻果、糕点、提取色素和制药
等。虽然悬钩子属植物具有诸多的营养价值和广阔
的应用前景,在分子生物学方面的研究目前国内外
鲜有报道。
利用蛋白同源序列的保守性设计简并引物,是
克隆基因的常规方法[18]。本研究旨在利用同源克
隆法设计简并引物进行黑莓和树莓 actin 基因克隆,
通过检验该基因在不同组织中的表达水平,试图确
证该基因作为内标基因的可能性,从而为研究黑莓
和树莓等悬钩子属植物其它优异基因的表达、优质
基因资源的筛选利用以及其特殊优异品质性状的探
讨奠定基础。
1 材料与方法
1. 1 材料
1. 1. 1 植物材料 所用植物材料为黑莓品种 Nava-
ho、黄树莓品种 Kivigold,以及悬钩子杂交品种
Youngberry,3 个品种的幼叶均取自扦插苗一年树
龄、一年生枝条的梢部,于盛花期取各品种的完整
花,于开花后 7 d 和完全成熟时期取各品种的幼果
和成熟果,立即放入液氮,冷冻后置于 - 70℃冰箱
保存。
1. 1. 2 菌株和质粒 大肠杆菌菌株 DH5α 和所用
质粒 pUM-T均购自北京百泰克生物技术公司。
1. 1. 3 生化试剂 Pfu Taq 酶和 DNA Marker 购自
TaKaRa公司。常规化学药品及试剂,均购自 Sigma
公司或为国产分析纯级试剂。PCR 引物由南京金
斯瑞生物科技有限公司合成。测序由上海美吉生物
医药科技有限公司完成。质粒抽提试剂盒(货号
DP1001)、胶回收试剂盒(货号 DP1601)、RNA 提取
(货号 RP3301)和反转录试剂盒(货号 PR6601)均
购自北京百泰克生物技术公司。
1. 2 方法
1. 2. 1 引物设计 通过对蔷薇科月季(AB239789)、
桃(AB046952)、李(EF585293)、苹果(DQ822466)、西
洋梨 (AF386514)、刺梨 (GU552463)和中国枣
(EU251882)等多种果树 actin 基因的多重序列比
对,获得保守域,并根据保守域运用 Primer 5. 0 设计
一对简并引物:上游 5-ATGGAR(A /G)AAGATY
(C /T)TGGCATC-3;下游 5-ACCTTR(A /G)ATCT-
TCATGTR(A /G)C-3’。另外设计一对用于半定量
RT-PCR分析的引物,上游 5-ATGGTGTCAGTCACA-
CAG-3;下游 5-GCTAAGGCAGTAATTTCC-3。
1. 2. 2 RNA提取和 cDNA合成 参照试剂盒说明
提取各品种不同组织总 RNA,其中 DNA 在提取过
程中已经去除。取少量用于 RNA 质量和浓度的检
测,其余贮存于 - 70℃备用。cDNA 的制备利用 2
μg RNA和 Oligo18(T)引物进行 cDNA第一链合成,
步骤参照试剂盒说明进行。
1. 2. 3 actin基因同源片段的克隆与分析 取上述
反转录后的叶片 cDNA 产物作为模板,用浓度为 10
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2011 年第 8 期 张春红等:利用简并引物克隆黑莓、树莓肌动蛋白基因片段及表达分析
pmol /μL的引物 0. 5 μL,0. 3 U Taq DNA 聚合酶,2
μL 10 × PCR Buffer,0. 5 μL 2. 5 mmol /L dNTPs,用
ddH2O补足体积至 20 μL。PCR反应在 Labnet Mul-
tiGene Thermal Cycler(型号 TC9600-G-230V)PCR
仪上进行。PCR反应程序:94℃预变性 5 min;94℃
变性 30 s,48℃退火 30 s,72℃延伸 60 s,循环 35 次;
72℃延伸 10 min终止反应。取 5 μL PCR产物进行
电泳,确定片段大小。
将 PCR产物回收纯化后与 pUM-T 载体连接过
夜,连接产物转化至大肠杆菌菌株 DH5α 感受态细
胞,涂布于有氨苄青霉素抗性、X-gal和 IPTG的平皿
中倒置培养过夜。挑取白斑于 LB 液体培养基中培
养繁殖,抽提阳性质粒后经 PCR 扩增鉴定阳性克
隆,最后委托上海美吉生物医药科技有限公司双向
测序。分别利用 NCBI 网站上 BLASTn 和 BLASTx
工具将其核苷酸序列及推测的氨基酸序列与植物肌
动蛋白进行同源性比对。对推导的蛋白利用 Clust-
alX(ver1. 8)进行多重序列比对,利用 GenDoc 工具
显示比对结果,蛋白结构域预测用 PROSITE 工具完
成。用 Phylip(ver 3. 69)软件进行系统树绘制,用
DRAWTREE软件显示进化树结构。
1. 2. 4 半定量 RT-PCR 分析 提取 3 个品种不同
取样组织总 RNA,用吸光值法(TU-1810 紫外可见
分光光度计)测定不同品种各组织的 RNA 量,使同
一品种不同组织间取等量 RNA 进行反转录。测定
cDNA的浓度,取等量 cDNA 模板进行 PCR 扩增。
利用设计的一对特异引物检测各品种中肌动蛋白基
因的表达,RT-PCR反应体系和反应参数同上述,但
其反应退火温度为 49℃,循环数减少为 26 个。
2 结果与分析
2. 1 三个悬钩子品种 actin cDNA 片段的克隆及其
同源性分析
利用设计的简并引物从 3 个品种叶片 cDNA中
均扩增得到一条肌动蛋白基因片段(图 1) ,序列测
定后发现其大小均为 743 bp,编码 247 个氨基酸,将
其在 NCBI中进行相似性搜索发现,3 个 cDNA 片段
均与多种植物肌动蛋白基因序列高度同源,如来自
黑莓品种的 actin 基因片段与杨树 actin4(XM _
002311131. 1)相似性最高(89%) ,来自树莓品种和
悬钩子杂种的 actin 基因片段均与杨树 actin7(XM_
002322628. 1)相似性最高,相似性分别是 86% 和
87%,说明获得的片段是肌动蛋白基因在悬钩子属
植物中的同源片段。此外,黑莓 Navaho 和悬钩子杂
种 Youngberry 核苷酸和氨基酸的一致性分别为
83%和 92%,Navaho和 Kivigold 间核苷酸和氨基酸
的一致性分别为 83%和 91%,从树莓品种和悬钩子
杂种品种中获得的片段在核苷酸和氨基酸水平上相
似性均近乎 98%,推断其可能为同一基因,查新后将
来自黑莓和树莓品种的 actin cDNA片段分别在 Gen-
Bank中进行登录,登录号 HQ439558和 HQ439559。
M.核酸分子量标准 DL2000;1 - 3.分别代表黑莓、悬钩
子杂种和树莓品种中 actin基因的 RT-PCR扩增结果
图 1 不同品种中 actin基因 cDNA片段的 PCR扩增
将 3 个悬钩子品种 actin cDNA序列推导的氨基
酸序列与其他植物同源区域进行相似性比较,发现来
自黑莓品种的 actin 与毛果杨 actin5(XP_002316289.
1)同源性最高,为 99%;来自树莓和悬钩子杂种品种
的 actin均与蓖麻 actin(XP_002530711. 1)同源性最
高,分别为 98%和 99%。将 3 条序列在 GenBank中
进行搜索,也发现三者均相似地具有 actin 家族典型
的结构域,即均含有 4 个 ATP结合位点、7 个 profilin
结合位点和 3 个 gelsolin 结合位点。由图 2 中 3 条
cDNA序列推导的氨基酸序列与数据库中部分相似
性较高植物序列的比对结果可以看出,不仅悬钩子
属植物品种间肌动蛋白在氨基酸组成上是高度保守
的,与其他品种比较也具有较高的保守性。同时也
发现得到的 3 个 actin 蛋白仅有从树莓中分离得到
的序列有 3 个特异氨基酸残基(A82、A122和 T216) ,且
发现克隆的序列均具有肌动蛋白相关蛋白的典型特
征序列之一“LLTEAPLNPKANR”(L23 - R35)。
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比对的各 actin 蛋白登录号如下:黑莓(HQ439558) ;悬钩子杂种(无) ;树莓(HQ439559) ;杨树 actin4(XM_
002311131. 1) ;杨树 actin5(XP_002316289. 1) ;杨树 actin7(XM_002322628. 1) ;蓖麻(XP_002530711. 1)
图 2 黑莓、树莓 actin基因的 cDNA序列推导的氨基酸序列与其他物种的 actin蛋白序列的多重序列比对
基于植物 actin氨基酸序列构建系统进化树(图
3) ,从树的聚类看,从黑莓中获得的 actin 和从树莓
及悬钩子杂种中获得的 actin 可能分属于不同的类
型,具体上看树莓和悬钩子杂种亲缘关系非常密切,
且其与蝴蝶兰(AAN08622. 1)和蓖麻(XP_0025307.
1)距离也较近些。而黑莓与黄瓜(AAZ74664. 1)、
柠条(ACK87035. 1)、杜仲(AAT72934. 1)和杨树
(XP_0023083. 1)处于同一分支上,暗示其进化关系
可能较近。聚类结果也为进一步研究植物肌动蛋白
分子进化奠定基础。
2. 2 黑莓、树莓肌动蛋白基因在不同组织中的表达
actin基因在 3 个悬钩子植物品种不同组织中
的 RT-PCR分析结果(图 4)表明,其在检测的不同
组织中均有不同程度的表达。在黑莓品种 Navaho
中,actin基因在花和成熟果中表达量略高,而在幼
叶和幼果中表达量略低。在悬钩子杂种品种不同组
织中,检测结果为在幼叶和花中的表达量较高。在
树莓品种中,发现分离的 actin基因在幼叶中表达量
最高,其他组织中表达量类似。据此推断,从不同悬
钩子植物品种克隆的 actin 基因可能都属于组成型
表达的肌动蛋白基因,虽然其在不同组织中的表达
量上有一定差异。
3 讨论
目前已从多种植物中克隆了 actin 基因,它们都
属于多基因家族,如大豆中有 6 个编码 actin的基因、
玉米有 6 个、马铃薯有 5 个、番茄有 10 个、水稻有 4
个、拟南芥有 10 个、豌豆卷须 18 个[10]。这些肌动蛋
白无论是核酸序列还是编码的氨基酸序列都有着高
度的同源性,说明了该蛋白在物种进化过程中起源于
同一个祖先[19]。本研究利用同源克隆法从黑莓、树
莓和悬钩子杂种品种均获得了一个 actin 基因片段,
获得的核苷酸序列推测的肌动蛋白由 247 个氨基酸
残基组成,在 NCBI蛋白数据库中的序列比对结果表
明,不仅 3个品种之间具有极高的相似性,与其它植
物的氨基酸序列同源性均在 85%以上,这验证了其
作为看家基因的高度保守性。从系统进化树的聚类
看,从树莓品种 Kivigold 及悬钩子杂种 Youngberry 中
分离的 actin近缘关系更近些,这与其系谱来源也有
一定一致性,因为 Youngberry是露莓间杂交的悬钩子
杂种,系谱中具有较多的红树莓遗传成分[20],风味与
红树莓非常接近,具有浓郁的香气[21]。此外,黑莓可
能与这两者分属于不同的类型,表明 actin 基因在不
同悬钩子品种中可能执行着特定的功能。研究结果
丰富了植物肌动蛋白研究的数据库。
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2011 年第 8 期 张春红等:利用简并引物克隆黑莓、树莓肌动蛋白基因片段及表达分析
将 GenBank中与本研究克隆的肌动蛋白相似性较高的 25条植物蛋白序列用于系统发育分析,用于系统发育分析的蛋白序列的物种名和序列号如
下:Per:鳄梨 ADA70361. 1;Mal:圆叶锦葵 AAD41039. 1;Ara7:拟南芥 AAB52506. 1;Ste:甜叶菊AAN40685. 1;Sin:亚麻 AAW34192. 1;Ros1:月季 BAF36000. 1;
Rubi:树莓HQ439559;Rubu:悬钩子杂种;Bet:亮叶桦ACJ38662. 1;Bet:白桦 ACB88021. 1;Ric1:蓖麻 AAR15174. 1;Act:猕猴桃 ABR45727. 1;Jat:麻疯树
ADH82414. 1;Pop9:杨树 XP _ 0023318. 1;Cuc3:黄瓜 AAZ74666. 1;Ara2:拟南芥 AAB37098. 1;Pic:欧洲云杉 ACP19073. 1;Ros2:月季
BAF96593. 1;Ara1:拟南芥 AAA98561. 1;Ara4:拟南芥 AAB39403. 1;Ara11:拟南芥 AAB39404. 1;Ric2:蓖麻 XP _ 0025307. 1;Euc:杜仲
AAT72934. 1;Pha:蝴蝶兰 AAN08622. 1;Pop3:杨树 XP_0023083. 1;Car:柠条 ACK87035. 1;Rubf:黑莓 HQ439558;Cuc1:黄瓜 AAZ74664. 1
图 3 悬钩子植物与其他植物 actin氨基酸序列的聚类分析
M. DNA 分子量标准 DL2000;1 - 4. 分别代表从黑莓
(Navaho)、悬钩子杂种(Youngberry)和树莓(Kivigold)品
种的幼叶、花、幼果和成熟果中扩增的情况。每一样品
的反应重复 3 次,显示结果为重复间的相似结果
图 4 actin基因在不同悬钩子植物品
种的不同组织中的表达分析
目前发现不同异型体的 actin 基因编码区保守
性很强,但非编码区差异较大,其表达也具有时间和
空间上的特异性,以适应不同组织和细胞类型在不
同发育时期的需要[22]。多项报道指出植物发育过
程中肌动蛋白基因的表达具有发育阶段特异性和器
官特异性[23,24]。Kandasamy 等[25]证明,在拟南芥中
肌动蛋白基因分为营养体基因与生殖细胞基因两
类,即属于在不同发育阶段差异表达的肌动蛋白。
王芳[26]研究结果发现,甘草 GuActin2 基因在根、
茎、叶组织中都有表达,在根中,尤其在胚根中的表
达强于茎和叶中的表达,推断该基因属于营养型亚
类。黄瓜 3 个 actin 同源基因的 RT-PCR 表达分析
表明,Act1 基因仅在根中表达,Act2 在根和雌花
中表达,而 Act3 在所有检测的器官都表达,提示
黄瓜根的生长发育需要多种肌动蛋白基因的参
与[10]。本研究从悬钩子属植物不同品种中克隆
了一个新的 actin 基因家族成员,其在 3 个品种待
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 8 期
检测的不同组织中均有一定表达,其在树莓品种的
叶片中的表达量稍高于其他组织,而在黑莓品种、悬
钩子杂种不同组织中表达量几乎一样,认为其均适
合作为分子内标用于悬钩子植物品种其他基因的半
定量 RT-PCR表达分析。
目前用于分子生物学研究的内参基因有多种,
但还没有一种内参基因可适用于所有样本以进行校
正和标准化[27,28]。本研究克隆的 actin 基因的研究
结果一定程度上为深入研究这些基因的表达和调控
提供内标参考,也为将来优质基因筛选、种质资源的
开发和应用奠定基础。
参 考 文 献
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(责任编辑 马鑫)
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