全 文 :植物保护学报 Journal of Plant Protection, 2016, 43(2): 201 - 206 DOI: 10 13802 / j. cnki. zwbhxb. 2016 02 004
基金项目:国家重大转基因专项(2011ZX08009⁃003⁃001⁃009)
∗通讯作者(Authors for correspondence), E⁃mail: liping6575@ 163. com, apzh0602@ gmail. com, Tel: 028⁃86290903
收稿日期: 2014 - 10 - 10
苏云金芽胞杆菌 cry1Ie新基因的克隆、
表达与生物活性测定
余宗兰1,2 贺利业1,2 龚 莉1,2 黄刚辉1,2 李 平1,2∗ 郑爱萍1,2∗
(1.四川农业大学水稻研究所, 温江 611130; 2.四川农业大学, 西南作物基因资源与遗传改良
教育部重点实验室, 雅安 625014)
摘要: 为获得新的鳞翅目害虫杀虫基因,根据已知 cry1I 类基因编码区设计简并引物,采用直接克
隆法,以苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)菌株 BN23⁃5 质粒 DNA为模板进行扩增,并对得
到的基因进行鉴定和分析。 结果表明:克隆得到一个完整的 cry1Ie基因,全长 2 160 bp,由 719 个氨
基酸组成,该氨基酸序列与已知的 4 种 Cry1Ie 蛋白不同,与 Cry1Ie2 和 Cry1Ie3 的氨基酸序列同源
性最高,为 95 4% ,被国际 Bt杀虫晶体蛋白基因命名委员会命名为 Cry1Ie5(登录号为 KJ710646)。
将该基因插入表达载体 pET⁃28a,转化大肠杆菌 BL21(DE3),IPTG 低温诱导成功表达,SDS⁃PAGE
电泳验证其大小为 81 kD,与预测的分子量相符合。 生物活性测定表明,Cry1Ie5 表达的包涵体蛋
白对小菜蛾和亚洲玉米螟具有杀虫活性,LC50分别为 0 43 μg / mL 和 48 39 μg / mL;对棉铃虫的致
死率不高,但能明显抑制其生长;对甜菜夜蛾没有杀虫活性。
关键词: 苏云金芽胞杆菌; cry1Ie5 基因; 鳞翅目害虫; 克隆
Cloning, expression, and biological activity of a new cry1Ie gene from
Bacillus thuringiensis strain
Yu Zonglan1,2 He Liye1,2 Gong Li1,2 Huang Ganghui1,2 Li Ping1,2∗ Zheng Aiping1,2∗
(1. Rice Research Institute, Sichuan Agricultural University, Wenjiang 611130, Sichuan Province, China;
2. Key Laboratory of Southwest Crop Gene Resource & Genetic Improvement of Ministry of Education,
Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, Sichuan Province, China)
Abstract: In order to obtain novel lepidopteran insecticidal genes, PCR method was used for
identification of cry1I⁃type gene from Bacillus thuringiensis (Bt) strains BN23⁃5. According to the NCBI
open cry1I⁃type gene encoding area, a pair of degenerate primers was designed. A full⁃length cry1Ie gene
was cloned by PCR amplification with B. thuringiensis strain BN23⁃5 as template. It contained an open
reading frame of 2 160 bp nucleotides encoding a protein of 719 amino acids. Compared with other Cry1Ie
protein, it shared 95 4% amino acid homology with Cry1Ie2 and Cry1Ie3. It was designated as Cry1Ie5
by Bacillus thuringiensis Insecticidal Crystal Proteins Nomenclature Committee and the NCBI accession
number was KJ710646. It was constructed into the recombinant plasmid pET28a, and transformed into
Escherichia coli BL21 (DE3). The result of SDS⁃PAGE indicated that cry1Ie5 could be expressed as 81
kD protein in E. coli BL21 (DE3) strain induced by IPTG. The bioassay results indicated that the
Cry1Ie5 protein was highly toxic to the larvae of Plutella xylostella and Ostrinia furnacalis with a LC50
value of 0 43 μg / mL and 48 39 μg / mL, respectively; and had low activity against cotton bollworm, but
could obviously inhibit the growth of it; it had no activity against beet armyworm.
Key words: Bacillus thuringiensis; cry1Ie5; Lepidoptera pest; clone
苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)为革
兰氏阳性细菌(Schnepf et al. ,1998),主要分布在土
壤、尘埃、淤泥、虫尸、污水等介质中。 Bt 可以在形
成芽孢的同时产生晶体,晶体蛋白( insecticidal crys⁃
tal proteins,ICPs)主要由 cry和 cyt基因编码,具有特
异的杀虫活性,如农业害虫玉米螟、棉铃虫 Helicover⁃
pa armigera、线虫以及卫生害虫蚊子等(刘石泉等,
2008;Swiecicka et al. ,2008)。 另外,Bt 具有高效专
一、无毒、不污染环境等特点,因此被作为微生物杀
虫剂广泛应用于农林、果蔬以及卫生害虫的防治,近
年来也大量推广应用在转基因植物中,并取得了良
好的生物防治效果(Metz et al. ,1995;Cao et al. ,
1999;Misztal et al. ,2004)。
目前,Cry1A类蛋白是应用最广泛的 Bt 蛋白,
主要有 Cry1Ac、Cry1Ab、Cry1Ah 等(Akhurst et al. ,
2003;Chitkowski et al. ,2003;Wang et al. ,2008)。
Cry1I类蛋白在结构和杀虫机制上不同于 Cry1A 类
蛋白,它们的表达产物没有交互抗性(Tabashnik et
al. ,2002)。 cry1I类基因是一类十分特殊的 cry1 类
基因,其编码蛋白只有 80 kD,而大多数的 Cry1 类蛋
白大小为 130 kD(Crickmore et al. ,1998)。 目前已
公布的 cry1I 类基因包括 7 类(cry1Ia、cry1Ib、cry1Ic、
cry1Id、cry1Ie、cry1If和 cry1Ig),共 58 种,其中 cry1Ia
类最多,共 35 种。 Cry1I 类蛋白的特点是具有较强
的杀虫活性和相对较广的杀虫谱,目前为止所发现
的 cry1I基因表达的蛋白主要对鳞翅目夜蛾科、卷叶
蛾科、菜蛾科和鞘翅目叶甲科的害虫有效(Sekar et
al. ,1997; Selvapandiyan et al. ,1998; Sauka et al. ,
2007)。 其中,Cry1Ie 类蛋白对玉米螟、棉铃虫和小
菜蛾 Plutella xylostella有效,并已经转入烟草和玉米
中,转基因植株主要对玉米螟和棉铃虫杀虫效果较
好(Liu et al. ,2004;Zhang et al. ,2013),但目前转入
植株中抗小菜蛾的 cry1Ie基因还未见报道。
小菜蛾是全球最具破坏性的十字花科鳞翅目类
害虫(Yi et al. ,2013),且是第 1 种在户外被发现对
Bt蛋白产生抗性的物种,是全世界最难防治的害虫
之一(Sarfraz & Keddie,2005)。 因此,cry1I 类基因
的研究具有尤为重要的理论意义和实用价值,并将
为解决 Bt毒素杀虫谱窄、害虫抗药性产生等问题提
供新的基因资源。 Bt菌株 BN23⁃5 是本实验室从四
川成都土壤中分离得到的 1 株对鳞翅目害虫有高活
性的野生型菌株(未发表)。 为获得新的鳞翅目害
虫杀虫基因,本研究以 BN23⁃5 菌株质粒为模板,根
据已知 cry1I类基因编码区设计简并引物,采用直接
克隆法克隆得到新的 cry1Ie 全长基因,并进一步测
定该基因表达产物对小菜蛾、亚洲玉米螟 Ostrinia
furnacalis、棉铃虫及甜菜夜蛾 Spodoptera exigua 的生
物活性,以期为该基因的后期研究和开发利用提供
基础依据。
1 材料与方法
1 1 材料
供试菌株与质粒:野生型苏云金芽胞杆菌菌株
BN23⁃5、Cry1Ac⁃BL21 和质粒 pET⁃28a(具卡那霉素
抗性)为本实验室保存。 Trans1⁃T1 化学感受态细
胞、大肠杆菌 DH5α 化学感受态细胞、pEASYTM⁃T1
克隆载体(具氨苄青霉素抗性、卡那霉素抗性)购自
中国全式金生物技术有限公司;大肠杆菌 BL21
(DE3)化学感受态细胞购自中国宝生物工程有限
公司。
供试昆虫及培养基:小菜蛾、亚洲玉米螟、棉铃
虫和甜菜夜蛾均为本实验室饲养的标准化试虫。 小
菜蛾使用新鲜白菜叶饲养,其余试虫均于 25℃光照
培养箱中使用人工饲料饲养。 LB(Luria⁃Bertani)培
养基:胰蛋白胨 1 0% 、酵母提取物 0 5% 、氯化钠
1 0% ,pH 7 0。
试剂:限制性内切酶、 T4 DNA 连接酶、 DNA
Marker、高分子量标准蛋白 Marker、氨苄青霉素、卡
拉霉素、IPTG、Taq DNA聚合酶购自日本 TaKaRa 公
司;KOD Plus DNA 聚合酶购自日本 ToYoBo 公司;
大肠杆菌质粒提取试剂盒 E. Z. N. A. ® Plasmid Mini
Kit购自美国 Omega 公司;DNA 回收试剂盒购自天
根生化科技(北京)有限公司;其它试剂均为国产分
析纯。
仪器:AB Veriti 96 PCR仪,美国 Applied Biosys⁃
tems 公司;Sorvall Legend Micro 17R 离心机,美国
Thermo Scientific 公司;PowerPac 电泳仪,美国 Bio⁃
Rad公司。
1 2 方法
1 2 1 Bt及大肠杆菌质粒 DNA的提取
Bt质粒的提取(Reyes⁃Ramírez & Ibarra,2008):
将 Bt菌株 BN23⁃5 于 LB 液体培养基中培养,30℃、
202 植 物 保 护 学 报 43 卷
250 r / min 培养至菌体 OD600介于 0 9 ~ 1 0 之间,
12 000 r / min离心 5 min,弃上清;加入预冷 TES 溶
液(30 mmol / L 三异丙基乙磺酰、5 mmol / L 乙二胺
四乙酸、50 mmol / L 氯化钠, pH 8 0) 1 mL,混匀,
12 000 r / min离心 1 min,弃上清,2 次重复;加 300
μL裂解液(含 20%蔗糖的三羟甲基甲胺基乙磺酸、
2 mg / mL溶菌酶、10 μg / mL RNA酶),混匀,37℃放
置 90 min,再加入 3 mol / L、pH 4 8 醋酸钠 150 μL,
- 20℃放置 30 min。 18 000 r / min、4℃离心 20 min,
汲取上清于新试管中,再加入 2 倍体积预冷的无水
乙醇,沉淀过夜。 18 000 r / min、4℃离心 20 min,弃
上清,低温干燥,置于 - 20℃冷冻保藏,备用。 大肠
杆菌质粒 DNA的提取使用质粒提取试剂盒。
1 2 2 含 cry1Ie基因的克隆及测序
cry1Ie基因的扩增引物,参照 GenBank 中公布的
cry1I类基因编码区的 N⁃端和 C⁃端序列同源性,设计
并合成 1 对引物 P1∶ 5′⁃ATGAAACTAAAGAATCMAG⁃
3′;P2 ∶ 5′⁃CTACATGTCACGCTCAATATT⁃3′,以 Bt 菌
株 BN23⁃5 的质粒 DNA 为模板,利用高保真 KOD
Plus DNA聚合酶进行 PCR 扩增。 扩增产物进行胶
回收,将产物回收纯化后与 pEASYTM⁃T1 载体进行
连接,连接产物转化 Trans1⁃T1 感受态细胞,过夜培
养长出单菌落后随机挑选单菌落进行 PCR 鉴定。
所得阳性克隆由华大基因科技有限公司完成测序。
测序得到的序列使用在线 NCBI BLASTx 软件进行
同源性分析;基因的酶切位点使用 DNAMAN软件分
析;多序列比对使用 Vector NTI Advance 11 的 Align
X程序进行。
1 2 3 cry1Ie基因的表达及 SDS⁃PAGE检测
测序后得到 cry1Ie 基因的完整开放阅读框,使
用 DNAMAN软件分析该基因序列,根据大肠杆菌表
达载体 pET⁃28a克隆位点及该基因开放阅读框两端
序列设计 1 对特异引物:上游引物 S51I:5′⁃GCCG⁃
GATCCATGAAACTAAAGAATCAAGATAAG⁃3′(下划
线为 BamHI 酶切位点 ), 下游 引 物 S31I: 5′⁃
CCCAAAGCTTCTACATGTCACGCTCAATAT⁃3′(下划
线为 HindIII酶切位点)。 以 Bt菌株 BN23⁃5 的质粒
DNA为模板,利用高保真 KOD Plus DNA 聚合酶进
行 PCR扩增。 扩增产物进行胶回收,将回收的目的
片段进行双酶切(BamHI和 HindIII),并与经过同样
酶切处理的 pET28⁃a 以 T4 DNA 连接酶进行连接,
4℃过夜。 将连接产物转化大肠杆菌 DH5α,37℃过
夜,待长出单菌落后,挑选单菌落进行检测,以 PCR
和限制性酶切筛选获得阳性克隆。 阳性克隆质粒再
转入表达细胞大肠杆菌 BL21(DE3)。
将阳性的表达细胞克隆子接种于 LB 培养基
中,37℃、210 r / min 条件下扩大培养,菌体 OD600值
达到 0 5 时,加入 IPTG,使终浓度达到 0 5 mmol / L
进行诱导,于 30℃、200 r / min 条件下进行诱导表达
12 h。 取 1 L菌液离心收集,弃上清,加入 30 mL 10
mmol / L Tris⁃HCl( pH 8 0)超声波破碎,进一步用
SDS⁃PAGE检测表达的蛋白(Schägger & von Jaqow,
1987)。
1 2 4 cry1Ie基因的室内生物活性分析
提取含有 cry1Ie 基因表达蛋白的包涵体,SDS⁃
PAGE定量分析后,分别测定其对小菜蛾、亚洲玉米
螟、棉铃虫和甜菜夜蛾的杀虫活性,并使用 SPSS
10 0 软件对生物测定结果进行分析,计算 LC50及
95%置信区间。 小菜蛾杀虫活性的测定采用浸叶法
测定:将该蛋白浓度稀释为 0 1、0 2、0 4、0 8、1 6
和 3 2 μg / mL,白菜叶用水洗净晾干,选取鲜嫩一致
的叶片浸入稀释好的待测样品 10 s,取出晾干,放入
培养皿中,每皿接 2 龄幼虫 20 头,每处理重复 3 次,
置于 25℃光照培养箱中培养 3 d,调查死亡数。 亚
洲玉米螟、甜菜夜蛾和棉铃虫杀虫活性的测定参考
Song et al. (2003)方法:将上述蛋白浓度稀释为 5、
10、20、40、80 和 160 μg / mL,加入人工饲料中混匀,
待凝固冷却后分装在生测板中,每处理接各试虫的
2 龄幼虫 20 头,每个样品 3 次重复,置于 25℃光照
培养箱中,甜菜夜蛾和棉铃虫培养 3 d 后调查结果,
亚洲玉米螟培养 7 d后调查结果。 生物活性的测定
以大肠杆菌 BL21(DE3)为阴性对照,清水为空白对
照;小菜蛾的生物测定以 Cry1Ac⁃BL21 为阳性对照。
2 结果与分析
2 1 全长 cry1Ie基因的扩增、克隆及测序
使用引物 P1 和 P2 进行 PCR扩增,得到 2 2 kb
左右的片段,将其回收、连接、转化,获得多个阳性克
隆,筛选 3 个阳性克隆分别进行测序,结果表明 3 个
序列完全一致。 将其转化子命名为 Trans1⁃Ie,将含
有目的片段的重组质粒命名为 TM⁃Ie。
2 2 cry1Ie基因序列测定及分析
对重组质粒 TM⁃Ie 的测序结果进行分析,发现
该基因为一个完整的 cry1Ie 基因,全长 2 160 bp。
由 DNA序列推导出该 cry1Ie 基因由 719 个氨基酸
组成(表 1),分子量为 81 kD,等电点 pI为 5 6,是弱
酸性蛋白质,其中丝氨酸、亮氨酸和苏氨酸 3 种氨基
酸含量最高,分别为 9 17% 、8 89%和 8 06% 。 使
3022 期 余宗兰等: 苏云金芽胞杆菌 cry1Ie新基因的克隆、表达与生物活性测定
用软件 Align X将获得的序列与其它 GenBank 中公
布的 4 个 Cry1Ie 蛋白进行分析比较,发现其与
Cry1Ie2 和 Cry1Ie3 的同源性最高,均为 95 4% ,且
均具有 33 个氨基酸的差异。 该蛋白被国际 Bt杀虫
晶体蛋白命名委员会命名为 Cry1Ie5,GenBank 登录
号为 KJ710646。
表 1 Cry1Ie5 蛋白的氨基酸组成
Table 1 Amino acid composition of Cry1Ie5 protein
氨基酸
Amino acid
百分比 (% )
Percent
氨基酸
Amino acid
百分比 (% )
Percent
氨基酸
Amino acid
百分比 (% )
Percent
丙氨酸 Alanine 5 83 甘氨酸 Glycine 5 69 脯氨酸 Proline 4 02
精氨酸 Arginine 5 14 组氨酸 Histidine 2 22 丝氨酸 Serine 9 17
天冬酰胺 Asparagine 6 39 异亮氨酸 Isoleucine 5 83 缬氨酸 Valine 6 81
天冬氨酸 Aspartic acid 4 72 亮氨酸 Leucine 8 89 苏氨酸 Threonine 8 06
半胱氨酸 Cysteine 0 28 赖氨酸 Lysine 3 75 色氨酸 Tryptophan 1 67
谷氨酰胺 Glutamine 3 89 甲硫氨酸 Methionine 1 39 酪氨酸 Tyrosine 4 44
谷氨酸 Glutamic acid 6 53 苯丙氨酸 Phenylalanine 5 14 终止密码子 Termination codon 0 14
2 3 cry1Ie5 基因在大肠杆菌中的表达
将重组表达质粒转化大肠杆菌 BL21(DE3),经
IPTG诱导后,cry1Ie5 基因在大肠杆菌 BL21(DE3)
中获得了表达。 SDS⁃PAGE 分析结果表明,cry1Ie5
基因的表达产物分子量约为 81 kD(图 1),与该基因
氨基酸序列推导的理论分子量相符。
2 4 Cry1Ie5 蛋白的生物活性
Cry1Ie5 蛋白的生物活性测定结果表明,其对小
菜蛾具极高的杀虫活性,LC50(95% CL)为 0 43 μg /
mL(0 28 ~ 0 58 μg / mL),高于阳性对照 Cry1Ac⁃
BL21 蛋白对小菜蛾的杀虫活性,其 LC50 (95% CL)
为 0 53 μg / mL(0 01 ~ 0 59 μg / mL)。 Cry1Ie5 蛋白
对亚洲玉米螟的杀虫活性也较高,LC50(95% CL)为
48 39 μg / mL(45 97 ~ 51 79 μg / mL) (表 2);而对
棉铃虫的致死率不高,但能明显抑制其生长;对甜菜
夜蛾不具有杀虫活性。 阴性对照大肠杆菌 BL21
(DE3)和空白对照对小菜蛾、亚洲玉米螟、棉铃虫和
甜菜夜蛾均不具有杀虫活性。
图 1 cry1Ie5 基因在大肠杆菌 BL21(DE3)
中表达产物的 SDS⁃PAGE检测
Fig. 1 SDS⁃PAGE analysis of cry1Ie5 gene expressed in
Escherichia coli BL21 (DE3)
1: cry1Ie5; 2: pET⁃28a; M: 标准蛋白。 1: cry1Ie5
gene; 2: pET⁃28a; M: protein marker.
表 2 Cry1Ie5 蛋白对 4 种昆虫的生物活性测定结果
Table 2 Bioassay results of Cry1Ie5 protein in four different insects
供试昆虫
Tested insect
Cry1Ie5 Cry1Ac
LC50(μg / mL) 95%CL (μg / mL) LC50(μg / mL) 95%CL (μg / mL)
小菜蛾 Plutella xylostella 0 43 0 28 ~ 0 58 0 53 0 01 ~ 0 59
亚洲玉米螟 Ostrinia furnacalis 48 39 45 97 ~ 51 79 - -
棉铃虫 Helicoverpa armigera N N - -
甜菜夜蛾 Spodoptera exigua N N - -
阴性对照 Negative control N N - -
空白对照 Blank control N N - -
- : 未检测; N: 无杀虫活性。 - : Not detected; N: no biological activity.
402 植 物 保 护 学 报 43 卷
3 讨论
cry1Ie5 基因的两端分别有 19 个(N 端)和 21
个(C端)核苷酸来自引物,虽然这些是参照 cry1I
类基因编码区的 N⁃端和 C⁃端序列同源性设计合成
的,不一定就是 cry1Ie5 本身的序列;但是,通过多序
列比对,cry1Ia以及 cry1Ie 基因,它们的前引物序列
第 16 位碱基有所不同,既有胞嘧啶(cytosine,C)又
有腺嘌呤(adenine,A),因此本研究设计了简并引物
M(M = A / C),最终测序结果表明 cry1Ie5 基因的第
16 位碱基为 A;而后引物序列的 21 个碱基完全一
致。 因此,cry1Ie5 两端引物序列的真实性较高。
从测序结果来看,Cry1Ie5 蛋白氨基酸序列与已
经报道的 4 种 Cry1Ie序列存在差异,其中与 Cry1Ie1
有 39 个氨基酸的差异,与 Cry1Ie2 和 Cry1Ie3 之间
均有 33 个氨基酸不同,与 Cry1Ie4 有 55 个氨基酸的
差异。 这些差异主要是在 N端区域,而 N 端区域是
蛋白质活性的关键区域(Knight et al. ,1995)。 据报
道,Cry1Ie2 蛋白对亚洲玉米螟的活性很高,LC50为
0 12 μg / mL(刘东明,2011),而本试验中 Cry1Ie5 蛋
白对亚洲玉米螟的杀虫活性 LC50为 48 39 μg / mL,
差别很大,这与它们的氨基酸序列有关,Cry1Ie5 与
Cry1Ie2 的全长均为 719 个氨基酸,在 N 端的前 60
个氨基酸中就有 19 个氨基酸不同,而后面的 659 个
氨基酸中只有 14 个氨基酸不同,具体哪个位点的突
变造成活性的变化还需进一步研究。
由大肠杆菌表达的 Cry1Ie5 蛋白对小菜蛾的
LC50为 0 43 μg / mL,高于 Cry1Ac 对小菜蛾(LC50为
0 53 μg / mL)的杀虫活性。 目前为止,全世界发现
并克隆得到许多 Bt基因,其中不少基因被用作生物
杀虫剂或者被转入植物中控制害虫。 但是,许多害
虫已经对 Bt 蛋白产生抗性(McGaughey,1985),小
菜蛾是第 1 种在户外被发现对 Bt 产生抗性的物种
(Sarfraz & Keddie,2005);且小菜蛾的基因容易发生
突变,对几乎所有的杀虫剂都能产生抗性(Zhao et
al. ,2006)。 目前,转入植物中抵抗小菜蛾的 Bt 基
因主要有 cry1A基因(Metz et al. ,1995)、cry1C 基因
(Cao et al. ,1999)和 cry1B 基因(Yi et al. ,2011)。
另外,由于 Bt蛋白对昆虫的作用与其中肠上的受体
有关,不同的蛋白在昆虫中肠细胞膜上的结合位点
和作用机制不同,Cry1I类蛋白与 Cry1A、Cry1C等蛋
白具有不同的结构,它们之间不存在交互抗性( de
Escudero et al. ,2006)。 但关于 Cry1Ie5 蛋白的结构
和杀虫机理还需进一步进行深入研究。 cry1Ie5 作
为新的基因,可用于我国抗虫转基因作物和工程菌
的研制,为筛选、延缓和克服昆虫产生抗性的基因组
合提供了新的可选材料。
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(责任编辑:李美娟)
602 植 物 保 护 学 报 43 卷