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草莓果实MADS-box基因保守片段的克隆与序列分析



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 9 期
草莓果实 MADS-box基因保守片段的克隆与序列分析
康兆茹1,2 周厚成2 赵霞2 张敏1 李凌1
(1西南大学园艺园林学院,重庆 400715;2中国农业科学院郑州果树研究所,郑州 450009)
摘 要: 根据多种植物 MADS-box基因保守区序列设计简并引物,应用 PCR 技术从草莓绿果中分离出 33 条 MADS-box
基因 cDNA片段。序列分析表明,这些片段长度在 137 - 146 bp之间,包含基因起始密码子。推导的氨基酸序列与已登录的草
莓的 MADS-box 基因同源性超过 87%。推导的氨基酸序列与已知的草莓和其他物种调控果实发育成熟的 MADS-box 基因以
及拟南芥的 MADS-box家族基因进行系统发育分析,可将这些基因片段分别归入拟南芥 MADS-box基因不同亚家族中,证明草
莓果实中存在各类 MADS-box家族基因,克隆的部分片段可能参与调控果实发育和成熟软化的调节。
关键词: 草莓 MADS-box基因 RT-PCR 序列分析
Cloning and Sequences Analysis of MADS-box Genes Fragments from
Strawberry(Fragaria ananassa Duch.)Fruit
Kang Zhaoru1,2 Zhou Houcheng2 Zhao Xia2 Zhang Min1 Li Ling1
(1College of Horticulture and Landscape Architecture,Southwest University,Chongqing 400715;2Zhengzhou Fruit Institute,CAAS,Zhengzhou 450009)
Abstract: According to the conservative region sequences of MADS-box family genes from various plants,we designed degenerate prim-
ers for obtaining 33 MADS-box gene fragments by RT-PCR from strawberry green fruit total RNA. Sequence analysis indicated the length of
these fragments was between 137 -146 bp,including start codon of genes,deduced amino acid sequences had a higher identity of over 87%
with MADS-box genes of strawberry fruit. All these gene fragments were divided into the Arabidopsis MADS-box gene subfamily by phylogeny
construction of sequences. These results indicated that there were many MADS-box genes in strawberry. Some of these gene fragments may play
an important role in adjusting fruit development,ripening even to softening.
Key words: Fragaria ananassa MADS-box gene RT-PCR Sequence analysis
收稿日期:2011-03-20
基金项目:河南省重点科技攻关项目(092102110038) ,中国农业科学院科技经费项目(2009)
作者简介:康兆茹,女,硕士研究生,研究方向:果树遗传育种;E-mail:kangzhaoru2010@ 163. com
通讯作者:周厚成,男,副研究员,研究方向:草莓遗传育种;E-mail:hchzhou@ 163. com
MADS-box 基因作为重要的调控基因转录因
子,具有高度保守的区域,其名称来源于酿酒酵母
(MCM1)、拟南芥(AG)、金鱼草(DEF)和人类血清
应答因子(SRF)[1]。早期研究认为,MADS-box基因
仅仅是一类成花基因,主要调控植物生殖生长。从
提出花发育 ABC 模型到后来 D、E 类基因的发
现[2],MADS-box基因家族不断丰富庞大,基因功能
几乎遍布整个植物界,并且涉及植物生长发育的各
个阶段[3]。然而对调控果实发育成熟基因方面的
研究起步较晚,且大都局限于种子植物,例如拟南
芥、金鱼草、矮牵牛、水稻、兰花、风信子和白杨等的
胚珠发育、果实开裂等方面[4]。目前对于果实成熟
机理的研究主要集中在乙烯合成方面,已从香蕉、
番茄等呼吸跃变型果实中克隆出多个乙烯受体基
因,并通过基因工程手段获得番茄乙烯受体的多种
转基因植株[5]。
草莓是典型的非呼吸跃变型果实,通过控制乙
烯生物合成手段来调控果实的成熟将难以实现,因
此研究乙烯之外的调节因子对草莓果实的发育和成
熟、延缓草莓果实成熟软化、增强果实耐贮运性能,
具有重要的理论和生产意义。目前已克隆出非乙烯
调控途径调控果实成熟的 MADS-box 基因,主要集
中于番茄[6]、葡萄[7]和香蕉[8,9]等跃变型果实,对草
莓果实 MADS-box 基因的研究仅有少量报道[10]。
2011 年第 9 期 康兆茹等:草莓果实 MADS-box基因保守片段的克隆与序列分析
本研究利用 MADS-box基因的保守性特征,从草莓
果实中分离和克隆 MADS-box 基因保守片段,并对
这些片段序列进行了系统发育分析,为克隆草莓新
的 MADS-box 家族基因,阐明其果实发育成熟的分
子机制奠定了基础。
1 材料与方法
1. 1 材料
供试品种为‘丰香’草莓(Fragaria ananassa
Duch.‘Toyonoka’) ,采于中国农业科学院郑州果树
所草莓试验基地,选取绿果期果实,去掉萼片和果柄
后的整个果实作为 RNA提取材料,经液氮速冻后放
于 - 70℃超低温冰箱保存备用。
cDNA第一条链的合成和 PCR 试剂主要购自
TaKaRa公司,DNA 凝胶回收试剂盒为 Axygen 公
司生产,引物由生工生物工程(上海)有限公司
合成。
1. 2 方法
1. 2. 1 总 RNA 的提取及检测 采用 CTAB 法[11],
略有改进。取 0. 5 g果实样品,在液氮中研成粉末,
加 1 mL 65℃预热的 CTAB裂解液[1. 4 mol /L NaCl,
0. 1 mol /L Tris-HCl(pH8. 0) ,20 mmol /L EDTA,2%
CTAB,2% PVP,2% β-巯基乙醇(用前加入) ],涡旋
2 - 3 min,65℃水浴 30 min,中途混匀 2 - 3 次。加
入 0. 5 倍体积氯仿 ∶ 异戊醇(24 ∶ 1)充分混合,4℃,
12 000 r /min 离心 10 min,取上清液。向上清液中
加入 1 /2 体积水饱和酚(pH4. 7 - 5. 5)和 1 /2 体积
氯仿∶异戊醇(24 ∶ 1) ,颠倒混匀,冰上放置 10 min,
4℃,12 000 r /min 离心 10 min。取上清,向上清液
中加入 1 /20 体积 5 mol /L Kac,1 /10 体积无水乙
醇,颠倒混匀,加入等体积的氯仿 ∶ 异戊醇(24 ∶
1) ,冰置 10 min,4℃,12 000 r /min 离心 10 min。
取上清加 1 /3 体积 10 mol /L LiCl,- 20℃沉淀 2 h,
12 000 r /min 离心 20 min,弃上清。75%乙醇清洗
沉淀两次,沉淀干燥后,加 30 μL DEPC 处理水溶
解 RNA,并用 DNase 消化 DNA。用紫外分光光度
计检测吸光度值,在 1%非变性琼脂糖凝胶上电泳
检测。
1. 2. 2 cDNA第一链的合成 起始 RNA为 1 μg总
RNA,以 Oligo(dT)15 为反转录引物,用宝生物工程
(大连)有限公司 M-MLV(RNase H-)反转录。操作
按照说明书进行,合成 cDNA 第一链。
1. 2. 3 RT-PCR 根据 NCBI 中发布的多种植物的
MADS-box基因的保守区设计上下游各 3 条简并引
物,序列分别为:上游引物:M1:5-ATGGGRAGRGG-
DARRGTBCA-3,M2:5-ATGGGRAGR-GGDARRGTB-
GA-3,M3:5-ATGGGRAGRGGDARRATHGA-3;下游
引物:M4:5-ATSARRGCDACYTCDGCRTC-3,M5:5-
CKYTCNARDATNCKYTCCAT-3,M6:5-GAGAAGAY-
GATSARRGCDAC-3。其中 R:A or G;D:not C;B:not
A;H:not G;Y:C or T;K:G or T;S 为 C or G;N:A,C,
G or T。
将这 6条引物两两配成引物组合进行扩增。RT-
PCR反应体系:25 μL 总反应体积含模板第一链 cD-
NA 1 μL,上下游引物各 1 μL(10 μmol /L) ,dNTP
Mixture 2 μL(2. 5 mmol /L each) ,MgCl2 1. 5 μL(1. 5
mmol /L) ,Taq DNA 聚合酶 0. 2 μL(5 U/μL) ,10 ×
Buffer 2. 5 μL,其余用双蒸水补充。PCR 反应程序:
94℃ 5 min;94℃ 30 s,45 - 54℃ 40 s,72℃ 1 min,35
个循环;72℃延伸 10 min。将扩增得到的 DNA 片段
用 Axgen PCR 产物纯化试剂盒纯化后,与 pMD19-T
载体(TaKaRa)连接,然后转化大肠杆菌 TOP10,经蓝
白斑筛选,菌液 PCR(各产物扩增用引物)筛选阳性
克隆,送上海英潍捷基贸易有限公司测序,测得的序
列按引物组合分别编号。
1. 2. 4 序列及系统发育分析 将获得的序列及其
推导的氨基酸序列在 NCBI上进行 Blast 分析,确认
是否为预计的 MADS-box 基因保守片段,然后用
MEGA4. 1 软件将其氨基酸序列与 GenBank 数据库
登录的草莓及拟南芥中的 MADS-box 蛋白及其它果
树中通过非乙烯调控途径调节果实发育成熟的
MADS-box蛋白序列用 ClustalW 法进行比对,并生
成系统发育树。
2 结果与分析
2. 1 RNA提取
提取的 RNA 经紫外分光光度计检测,D260nm /
D280nm在 1. 9 -2. 0之间,浓度在 500 mg /L左右。说明
提取的 RNA 纯度和浓度均较高,且基本去除了 DNA
和蛋白污染。提取的 RNA边缘清晰,28S rRNA亮度
约为 18S rRNA的 2 倍,说明 RNA 质量好,基本无降
解(图 1) ,可以用于 RT-PCR。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 9 期
图 1 ‘丰香’草莓绿果期果实总 RNA
2. 2 RT-PCR扩增草莓 MADS-box基因保守片段及
序列分析
应用 9 对引物组合对草莓果实 cDNA 进行 RT-
PCR 反应,有 4 对组合扩增出一条大约 150 bp 的特
异条带,与预计的片段大小基本一致(图 2)。将条
带分别回收并克隆于 pMD19-T 载体,经蓝白斑筛
选,各产物扩增用引物 PCR 鉴定后,每个引物组合
分别选 10 个克隆送上海英潍捷基贸易有限公司
测序。
测得的核苷酸序列片段长度为 137 - 146 bp,
在 NCBI上进行 BLAST分析,发现有 33 个片段序列
与已知各种草莓 MADS-box基因的同源性从 76%到
图 2 RT-PCR扩增草莓MADS-box基因片段
97%不等,其核苷酸序列及其与已知草莓 MADS-box
基因相应区域多序列比对结果见图 3。推导的氨基
酸序列同源性均超过 87%,说明得到的片段是草莓
MADS-box基因的MADS保守区。对这 33 个片段的
核苷酸序列比对,发现这些片段核苷酸序列均不相
同,说明通过同一对简并引物能扩增出不同的
MADS 保守片段,每个不同的片段可能代表着在果
实中表达的一个不同的基因。
图 3 克隆的草莓MADS-box基因片段与已知的草莓 MADS-box基因核苷酸多序列比对
2. 3 系统发育分析
将获得的保守区片段推导的氨基酸序列与已知
的草莓和拟南芥 MADS-box 类蛋白,及其它果树中
通过非乙烯调控途径调节果实发育成熟的 MADS-
box蛋白进行比对,构建系统发育树状图。并根据
Becker 等[12]的分类方法,将获得的片段进行归类
(图 4)。从图 4 可知,获得的片段被划分到不同的
MADS-box亚家族中。其中序列 261、262、263、266、
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2011 年第 9 期 康兆茹等:草莓果实 MADS-box基因保守片段的克隆与序列分析
361 和 365 与调控辣椒、番茄果实发育成熟的 RIN
基因划分在一起,与草莓的基因 Fv-MADS-9[5]、Fc-
MADS1 和 FcMADS2[13]属于 SEP亚家族,它们同在
括号内为基因登录号或植物种类
图 4 获得的基因保守片段与已知草莓、拟南芥及其他
果树部分MADS-box基因蛋白的系统发育树
AGL2 组;142、143、146、16A2、16B1、16B5、16B12、
16F7、268 和 269 划分在 SQUA 组中,其中 146 为
FUL 基因亚家族的成员;367、368 同桃和香蕉的
MADS基因同被划分在 AGAMOUS 组中。141 和草
莓的 SOC1 基因聚在 TM3 组中;363、366 和 369 划
分在 AGL15 组中,草莓的 AP3 基因和葡萄 TM6 基
因被划分在 STMADS11 组。以上结果表明,克隆的
MADS-box基因保守片段分属不同的亚家族,其中
被划分在 RIN 类和 FUL 类的基因片段 261、262、
263、266、361、365 和 146 可能是参与果实发育成熟
的基因,在草莓果实发育及成熟过程中起不同作用。
3 讨论
MADS-box基因功能多样,不仅决定分生组织
和花器官的特性外,还参与营养生长、子房发育、种
皮发育、根的形成、胚形态建成、共生诱导等的调节,
其基因表达也与抗逆性有关[14]。近年来通过全基
因组的测序,获得了越来越多的 MADS-box 基因,如
拟南芥全基因组有 107 个基因编码 MADS-box 蛋
白,水稻全基因组有 75 个,葡萄基因组共有 93 个,
然而其中大部分的基因功能未知[15],近年来对
MADS-box 基因功能的研究成为亟待解决的问题。
目前已克隆出非乙烯调控途径调控果实成熟的
MADS-box基因有调控番茄果实成熟的上游因子
LeMADS-RIN[6]、葡萄和菠萝果实发育和成熟的
VvTM6[7]和 MADS-box[16]基因、调控桃和香蕉果实
成熟过程的 PpPLENA[17]和 MuMADS1[9]基因,另外
CaRIN[18]基因可能参与辣椒果实成熟。通过对这
些基因的表达分析和功能推断结果,其中从桃中克
隆的基因 PpPLENA 在草莓中的组成型表达加速了
其果实成熟。检索 GenBank 中登录的草莓 MADS-
box基因共 7 个,其中 4 个分属于花发育 BCD 类基
因[19,20],另外 3 个包括 Fv-MADS-9[6]、FcMADS1 和
FcMADS2[13]为与果实发育成熟相关的 E类基因。其
中 Fv-MADS-9为番茄 RIN 同源基因,后两个基因从
智利草莓中分离得出,并在果实发育的各个时期均有
表达。目前仅对 AP2 同源基因 SAP2[20]、AG 同源基
因 Stage1、TM3 类基因 SOC1[19]、SEP 同源基因 Fc-
MADS1和 FcMADS2[13]等基因的表达模式和功能进
行了研究,尚未进行 LeMADS-RIN 同源基因 Fv-
MADS-9[5]的表达分析,推测其可能与草莓果实发育
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 9 期
成熟相关。
MADS-box基因表达模式的多样性和功能的复
杂性证明了其内在的精巧机制。研究表明,种子植物
的MADS-box蛋白高度保守,具有MADS(M) ,Interve-
ning(I) ,Karatin-like(K)和 C端(C)4 个结构域,所以
又称为 MIKC类 MADS-box 基因,N端 MADS 结构域
最为保守,为 DNA结合位点。根据该特点设计简并
引物进行 RT-PCR,可从植物中分离 MADS-box 基因。
通过构建处于不同进化地位的被子植物各类群中的
MADS-box基因系统发育树,被子植物中的 MADS-
box基因可以分成 12个主要的亚家族[11]。其中 FUL
和 RIN类基因参与调控花发育的同时也参与调控果
实的发育与成熟,这证明了 MADS-box 基因的多效
性,本试验序列聚类结果也证实了这一点。
迄今,草莓的基因工程大多是单个结构基因的
操作,在利用调控基因的多基因转化方面具有较大
的潜力[10]。本研究得到一系列草莓 MADS-box 基
因的保守区片段,系统发育分析将其分别归入
MADS 家族不同亚家族中,说明在草莓中也广泛存
在 MADS-box 基因,使 MADS-box 这一庞大转录因
子家族更加丰富。从草莓果实中克隆的这些 MADS
基因保守片段大部分归入 AGL2 亚族和 SQUA 亚
族,可能参于调节果实发育。但仍没有克隆得到部
分亚家族的保守片段,说明通过这些简并引物可能
得不到草莓中全部的 MADS-box 基因,或者有些基
因并不在果实中表达。
本研究根据简并引物应用 RT-PCR从‘丰香’草
莓果实中克隆了 33 个 MADS-box 家族基因片段,长
度为 137 - 146 bp,推导的氨基酸序列与已知草莓的
MADS-box基因同源性在 87%以上,构建系统发育
树,将这些片段归入拟南芥 MADS-box 家族基因的
不同亚家族中,说明 MADS-box 基因在草莓果实中
广泛存在,这些基因的一部分在调控花发育的同时
调控果实的发育和成熟,具有功能多效性。
综上分析,下一步研究将根据生物信息技术分
析,从中挑选可能与草莓果实发育成熟相关的保守片
段进行基因全长的克隆,并对基因表达模式和功能进
行深入研究,进一步确定 MADS-box 基因在不依赖于
乙烯成熟的非跃变型果实草莓中的调控作用,并有望
利用基因工程手段获得果实耐贮运的转基因草莓。
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