全 文 :书西北植物学报!
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文章编号$
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-
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收稿日期$
!"#$*"$*"$
&修改稿收到日期$
!"#$*")*"!
!!
基金项目$西北农林科技大学博士科研启动基金"
!"#+1233"%4
#&陕西省科技统筹项目"
!"#!5671"!*"#*"#
#
!!
作者简介$杨桂燕"
#&4)(
#!女!博士!讲师!主要从事林木遗传育种研究
8*9:.;
$
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==
>.
<
:0
!
0?/>:@,AB>,C0
!!"
通信作者$翟梅枝!教授!主要从事林木遗传改良研究
8*9:.;
$
D
;>9*EF:.
!
#)%,CG9
核桃
1(2304$%&
基因克隆及温度胁迫响应模式分析
杨桂燕!贾彩霞!孙宇栋!李
!
鸣!翟梅枝"
"西北农林科技大学 林学院 核桃研究中心!陕西杨陵
#!#""
#
摘
!
要$通过分析核桃"
!"
#
$%&()
#
*%
#转录组!鉴定获得核桃热激蛋白家族
+,-#.%
基因的全长
CHIJ
序列!命
名为
!(+,-#.%
!(+,-#.%
基因开放读码框
++K
D
!编码产物含
#$
个氨基酸!分子量为
#,)+LH
!理论等
电点为
$,%$
为了研究该基因表达的组织特异性及温度响应模式!采用实时荧光定量
MNO
"
P
O6*MNO
#方法!对高
温和低温胁迫下
!(+,-#.%
基因在根(茎(叶中的转录水平进行分析结果显示!
(+,-#.%
基因在不同组织
中均有表达&经高温"
%)Q
"
$!Q
#和低温"
#)Q
"
)Q
#处理后!
(+,-#.%
基因均可被显著诱导!其中
#!Q
胁
迫
#F
表达最高!为对照"非处理情况#的
#+!,"!
倍研究表明核桃
!(+,-#.%
基因能够响应冷热温度胁迫!为
进一步研究
!(+,-#.%
基因的抗寒耐高温特性奠定基础
关键词$核桃&热激蛋白&
!(+,-#.%
&组织表达&温度胁迫
中图分类号$
R4)
!!!
文献标志码$
J
1(2304$%&(")#)
*
+,"-15
6
*$/2()
6
-$.)!/0123
4
,511#")6,"+#(51#)
751
4
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4
5,.09,5:0,51151
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NF.0:
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D
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$%&
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#
*%
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D
.0;A0
=
\F:0BA0CGBA/:#,)+
LH:
D
[G\A.0?.\F#$:9.0G:C.B[A/.B>A/:0B\FA\FAG[A\.C:;
D
UG@$,%$,6G>0BA[/\:0B\FA\.//>A/
D
AC.@.C
:0B\A9
D
A[:\>[A[A/
D
G0/.`AAV
D
[A//.G0
D
[G@.;A/
!
?A:0:;
<
EAB\FA\[:0/C[.
D
\.G0;A`A;/G@!(+,-#.%.0
[GG\/
!
/\A9/:0B;A:`A/AV
D
G/AB\GFA:\:0BCG;B/\[A//A/:\B.@@A[A0\\.9A
D
G.0\/K
>:0\.\:\.`A[A:;\.9A
MNO
"
P
O6*MNO
#
,6FA[A/>;\//FG?AB\F:\!(+,-#.%?:/AV
D
[A//AB9G[AG[;A//.0/\A9/
!
[GG\/:0B
;A:`A/
!
:0B?:/GK`.G>/;
<
.0B>CAB:@\A[F.
=
F
"
%)Q($!Q
#
:0B;G?
"
#)Q()Q
#
\A9
D
A[:\>[A\[A:\*
9A0\/
!
:9G0
=
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FA/\AV
D
[A//.G0;A`A;?:/#+!,"!*@G;BG@CG0\[G;>0BA[#!Q@G[#F
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A/\.0
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D
G0/A\GFA:\:0BCG;B\A9
D
A[:\>[A/\[A//A/,6FA/A[A/>;\/?.;
D
[G`.BA:K:/./@G[
@>[\FA[>0BA[/\:0B.0
=
\FA@>0C\.G0G@!(+,-#.%.0CG;B:0BFA:\\G;A[:0CA,
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@",!1
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#
$%&()
#
*%
&
FA:\/FGCL
D
[G\A.0
&
!(+,-#.%
&
\.//>AAV
D
[A//.G0
&
CG;B:0BFG\/\[A//
!!
热激蛋白"
Z2M
#是一类受温度刺激诱导表达的
蛋白质自
#&)!
年在黑腹果蝇体内发现
Z2M
蛋白
以来)#*!在其他各类生物群包括植物也相继发现了
Z2M
的存在)!*例如!红藻"
/
0
%&*1*234
0
52&6)(7
2$%)
#的
!
个
Z2M
蛋白能同时迅速响应热胁迫!且
与对照比较其表达大于
#"""
倍)%*摇蚊"
/4*7
(2&26"(*
8
%(*"
#
+,-!
基因在
%$Q
能被明显诱
导!但在低温胁迫下其表达不明显!
+Q
时该基因的
转录水平明显下降!但进入正常生长温度时!其转录
水平能迅速恢复并显著过表达!表明该基因对环境
刺激因素具有敏锐性)+*在
!Q
胁迫下!胡萝卜
"
9%"3"3%(2:%
#
93+,-#.
在营养组织中被诱
导!且该基因作为分子伴侣阻止低温胁迫导致的蛋
白降解!进而有利于植株的抗寒)$*
根据分子量大小可以将植物
Z2M
分为小
Z2M/
"
/Z2M/
#(
Z2M)"
(
Z2M"
(
Z2M&"
和
Z2M#""
等
$
类)*其中
/Z2M/
是分子量分布在
#$LH
"
+!
LH
的一类
Z2M
蛋白)*!包含具有进化分歧的
I*
端(后接一个保守的约由
&"
个氨基酸残基组成的
b*
C[
<
/\:;.0
结构域"
JNH
#以及一个较短的
N*
端)4*&*
/Z2M/
的主要功能涉及植株的生长(防御(非生物
胁迫响应等多个方面)#"*例如!从麻风树"
!%:(27
8
4%3"(3%
#发育种子中克隆获得的
!3+,-7#
和
!3+,-7!
基因!在植物细胞保护和种子成熟发育中
起重要作用)##*&过表达拟南芥
+,-!%
基因能增强
植株的耐盐能力)#!*&柽柳
+,-
基因能响应
I:N;
(
高温(低温等不同胁迫诱导)#%*!且
;4+,-#4.%
能
改善转基因酵母的多重抗逆能力)#+*
核桃"
!"
#
$%&()
#
*%
#属多年生落叶果木!是中
国经济林中分布广泛的树种之一!资源丰富由于
全球气候变化!核桃的生长发育(结实坐果等多方面
也受到不同程度的影响特别是中国西北部!频繁
的倒春寒现象严重制约了核桃的产量和经济效益
因此研究核桃的温度胁迫响应功能及机理将为预防
或调节核桃遭受倒春寒(冷冻害等胁迫提供一定的
理论依据本研究从核桃中克隆获得
!(+,-#.%
基因!分析了核桃
!(+,-#.%
基因在不同温度胁
迫下的组织表达模式!以及它对高温和低温胁迫的
响应特征!为研究核桃抗寒耐高温相关基因的功能
及抗逆机理打下基础
#
!
材料和方法
$,$
!
植物材料处理
核桃品种+香玲,种子采自西北农林科技大学核
桃研究中心核桃采穗圃将种子播种于泥炭土
c
珍
珠岩
d!c#
"
e
%
e
#的混合土壤中!培养条件为温度
"
!!f!
#
Q
!光照
#+F
%黑暗
#"F
!相对湿度
"g
"
$g
于温室大棚中培育
!
个月!使用光照培养箱
进行温度处理温度处理分别设
%)
(
+"
(
++
(
+4
(
$!
Q
等高温!
#)
(
#!
(
#"
(
4
和
)Q
等低温!处理时间分
别为
#
和
!F
正常生长条件下的植株未进行处理
"
F
#设为对照每个处理设置
%
次重复
$,A
!
方法
$BAB$
!
1(2304$%&
基因克隆与序列分析
!
以
-
FA:\/FGCL
D
[G\A.0
.为关键词在+香玲,核桃叶片转
录组中查找相关基因!结果共获得
#"
余条
+,-
基因经
1;:/比对!根据注释结果发现
#
条为
+,-#.%
基因!命名为
!(+,-#.%
用
aO_
@.0BA[
确定
!(+,-#.%
基因开放读码框"
aO_
#!
再根据
aO_
两端序列设计引物
3[/Z2M#,%*S7*_
"
$h*J6TTJ6N6NJTJJ6NJ6TTT6*%h
#和
3[*
/Z2M#,%*S7*O
"
$h*66J6TNJJ6N66JJNN6*
NJJ66*%h
#!进行
MNO
扩增扩增产物胶回收纯
化后!与
D
YH*#4*6
载体
#)Q
下连接!连接产物转
化大肠杆菌
HZ$b
感受态细胞!并在氨苄青霉素存
在下筛选培养挑取阳性克隆扩大培养进行菌液
MNO
确认!对能够产生目的片段的克隆进行测序
利用
8V
D
:/
<
M[G\M:[:9
"
F\D
$%%
?AK,AV
D
:/
<
,G[
=
%
D
[GD
:[:9
%#对确认的
!(+,-#.%
基因进行分
析&利用
1XJ26M
"
F\D
$%%
K;:/\,0CK.,0;9,0.F,
=
G`
%
1;:/#进行序列同源搜索&利用
N;>/\:;%,"
和
Y8TJ
软件对不同物种的
/Z2M#
蛋白进行进化
分析
$BABA
!
1(2304$%&
基因组织表达分析
!
使用
N6J1
法)#$*提取各样品总
OIJ
!经
HIJ
酶消化后
用
M[.9A2C[.
D
6Y
O6[A:
=
A0\5."
N]1Ua
!北京!中
国#进行反转录将获得的
CHIJ
稀释
#"
倍后作
为实时荧光定量
MNO
"
P
O6*MNO
#模板
P
O6*MNO
使用
2S1OT[AA0OA:;\.9AMNOY:/\A[9.V
"
N]*
1Ua
#进行!
P
O6*MNO
引物为
3[/Z2M#,%*_
"
$h*
J6TTJ6N6NJTJJ6NJ6T*%h
#和
3[/Z2M#,%*
O
"
$h*N6JNN6TTJNN66TJ6T6N*%h
#选取核
桃
#42[OIJ
"
Z8$+4$"
#基因)#)*作为内参基因!内
参基 因 引 物 为
#42*[OIJ*_
"
$h*TT6NJJ6N6*
6N6NT66NNN66*%h
#和
#42*[OIJ*O
"
$h*6NT*
NJ666NTN6JNT66N66*%h
#反应程序为$
&+
Q
预变性
%"/
&
+Q
变性
#!/
!
)"Q
退火
+$/
!
!
Q
延伸
+$/
!
+$
个循环&
4#Q
读板
#/
!每个样品重
复
%
次采用
!
(
##
N\法对定量结果进行分析)#*
!
!
结果与分析
AB$
!
1(2304$%&
基因全长
=CD;
的获得及序列
分析
!!
通过分析核桃转录组发现其中存在
#"
余条
%$#
&
期 杨桂燕!等$核桃
!(+,-#.%
基因克隆及温度胁迫响应模式分析
/Z2M
蛋 白!经
1;:/分 析 发 现 其 中
#
条 为
+,-#.%
"命名为
!(+,-#.%
#!根据序列设计起
始和末端引物"
3[/Z2M#,%*S7*_
%
O
#进行
MNO
验
证!确认其
aO_
长
++K
D
!编码的蛋白含
#$
个氨
基酸!分子量为
#,)+LH
!理论等电点为
$,%$
"图
#
#
1;:/分析发现该基因具有
b*C[
<
/\:;.0
"
JNH
#
保守域!表明该蛋白为
/Z2M
蛋白
利用
1;:/D
搜索同源蛋白进行比对分析!发现
来自不同植物的
/Z2M#
蛋白相似性较高!大于
"g
!
3[/Z2M#,%
与葡萄
e`/Z2M#,%
和毛果杨
M\/Z2M#,
同源关系较近"图
!
#
ABA
!
高温胁迫下
1(2304$%&
的表达
提取不同高温处理下核桃根(茎(叶总
OIJ
!反
转录为
CHIJ
后进行
P
O6*MNO
分析结果显示!
高温胁迫下
!(+,-#.%
基因在根(茎(叶中均有
不同程度表达!且主要表现为上调表达"图
%
#在
++Q
环境胁迫
#F
!
!(+,-#.%
在根中的表达量
图
#
!
核桃
!(+,-#.%
基因
aO_
全长及推导的氨基酸
_.
=
,#
!
6FA@>;;A0
=
\FG@!(+,-#.%aO_:0B
BAB>CAB:9.0G:C.B/A
P
>A0CA
最大!为对照的
#",)%
倍&在
%)Q
时的表达被抑
制!为对照的
##,"%g
!
$!Q
时为对照的
+,$"
倍
!(+,-#.%
基因在茎中的变化趋势与根中相似!
%)Q
时被抑制表达!表达量仅为对照的
%+,4g
!
++
Q
时最高!为对照的
$+,&$
倍&叶中的表达趋势与根
茎中的表达差异较大!
%)Q
为上调表达!而
+"Q
时
被抑制!为对照的
%",&&g
!
+4Q
时被诱导最明显!
为对照的
,#
倍"图
%
!
J
#
!F
胁迫下!根的变化略区别于茎和叶!根中
图
!
!
核桃
3[/Z2M#,%
蛋白的进化树分析
进化树中蛋白名称后括号内为蛋白
TA01:0L
登录号&
分支上数值表示
#"""
次重复抽样符合聚类的百分数
M\/Z2M#,,
毛果杨&
e`/Z2M#,%,
葡萄&
N
D
/Z2M#,,
番木瓜&
YB/Z2M#,%,
苹果&
3C/Z2M#,$,
麻风树&
OC/Z2M#,$,
蔷薇杂交
品种&
6C/Z2M#,),
可可&
e@/Z2M#,&,
蚕豆&
Y//Z2M#,),
苜蓿&
2;/Z2M#,),
番茄&
I\/Z2M#,%,
烟草
_.
=
,!
!
6FA
D
F
<
G
=
A0A\.C\[AA:0:;
<
/./G@3[/Z2M#,%
D
[G\A.0
6FA/
<
9KG;KAF.0B\FA
D
[G\A.0.0\FAK[:CLA\/?A[A
TA0A1:0L0>9KA[/,6FA0>9KA[/G0\FAK[:0CFA/9A:0
\FA
D
A[CA0\:
=
A/G@\.9A/\FA/
D
AC.A/:[A
=
[G>
D
AB\G
=
A\FA[
.0\FAKGG\/\[:
D
:0:;
<
/./@G[#"""[A
D
;.C:\A/,
M\/Z2M#,,-2
8
"$":(*3423%(
8
%
&
e`/Z2M#,%,<*:*=*&*
>
)(%
&
N
D
/Z2M#,,/%(*3%
8
%
8
%
0
%
&
YB/Z2M#,%,?%$"126):*3%
&
3C/Z2M#,$,!%:(2
8
4%3"(3%
&
OC/Z2M#,$,OG/:F
<
K[.BC>;\.`:[
&
6C/Z2M#,),;4)2@(26%3%3%2
&
e@/Z2M#,&,<*3*%
>
%@%
&
Y//Z2M#,),?)1*3%
#
2%:*=%
&
2;/Z2M#,),2$%&"6$
0
32
8
)(*3"6
&
I\/Z2M#,%,A*32:*%&%:26)&:2*
>
2(6*
图
%
!
高温胁迫
#F
"
J
#和
!F
"
1
#核桃
!(+,-#.%
基因的表达
_.
=
,%
!
8V
D
[A//.G0G@!(+,-#.%AV
D
G/AB\GF.
=
F\A9
D
A[:\>[A/@G[#F
"
J
#
:0B!F
"
1
#
+$#
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
%$
卷
图
+
!
低温胁迫
#F
"
J
#和
!F
"
1
#核桃
!(+,-#.%
基因的表达
_.
=
,+
!
8V
D
[A//.G0G@!(+,-#.%AV
D
G/AB\G;G?\A9
D
A[:\>[A/@G[#F
"
J
#
:0B!F
"
1
#
!(+,-#.%
的转录水平在
+4Q
时达最大值!为对
照的
!$,+)
倍&
$!Q
略低!为对照的
#%,+$
倍茎
和叶中的表达均在
$!Q
最大!分别为对照的
+#,"
和
#"+,)&
倍"图
%
!
1
#
AB&
低温胁迫下
1(2304$%&
的表达
低温胁迫后!
(+,-#.%
基因在不同组织和
不同时间表现出差异!但主要表现为上调表达胁
迫
#F
!根在
#"Q
被抑制!为对照的
%%,)4g
!其他
低温处理下被上调为对照的
),!4
"
&,4&
倍&茎中
均为诱导表达!
#!Q
最高!为对照的
#+!,"!
倍!
)Q
也被诱导较高水平!为对照
)%,#!
倍!
#"Q
最低!为
对照的
!,%&
倍&叶中也均为上调表达!在
#!Q
最
高!为对照的
&%,"
倍!
)Q
最低!仅为对照的
#,)
倍"图
+
!
J
#胁迫
!F
!根中的表达均为上调表达!
相对于对照的表达!被上调了
!,&
"
$$,%%
倍&茎中
的表达量相对小!如在
#"Q
胁迫下最高!表达为对
照的
!$,+)
倍!在
#)Q
被抑制&叶中的表达比根和
茎都不明显!在
4Q
(
)Q
为抑制表达!
#!Q
最高!
也只有对照的
#%,+$
倍"图
+
!
1
#
%
!
讨
!
论
通过分析+香玲,核桃转录组和
MNO
验证获得
!(+,-#.%
基因!它含有
/Z2M
蛋白
JNH
保守
域!属于
/Z2M/
成员&
1;:/\M
分析发现
3[/Z2M#,%
属
于
/Z2M#,%
类蛋白!在进化关系上与毛果杨
M\/Z*
2M#,
蛋白(葡萄
e`/Z2M#,%
蛋白(苹果
YB/Z*
2M#,%
蛋白(木瓜
N
D
/Z2M#,
蛋白较近!而与蚕豆
e@/Z2M#,&
蛋白(蔷薇杂交品种
OC/Z2M#,$
蛋白(
烟草
I\/Z2M#,%
蛋白(番茄
2;/Z2M#,)
蛋白较远!
表明
3[/Z2M#,%
蛋白在功能特性上可能与毛果杨(
葡萄(苹果(木瓜等的
/Z2M#
蛋白相似
有研究表明
/Z2M/
蛋白是植株响应温度变化(
进行温度胁迫保护调节的重要分子伴侣!也是调控
其他非生物胁迫响应的重要因子)#!!#4*对拟南芥(
水稻等模式植物中有关
Z2M
基因的研究较多)#&*!
木本植物中的研究相对较少
S:0
=
等)#%*研究柽柳
"
;%6%(*B4*
8
*1%
#
&
个
+,-
基因的表达模式发
现!这些
+,-
基因在温度胁迫下主要表现为上调
表达!推测其为柽柳响应温度胁迫调控的重要因子
核桃是中国重要的经济树种!具有重要的经济价值!
分布广泛!深受广大人们喜爱!保证核桃的经济效益
尤为重要目前!随着全球气候变化!核桃的生产受
到一定的限制!核桃的抗逆机制特别是抗寒耐高温
调控机理相关研究亟待进行
本研究对核桃
!(+,-#.%
基因在不同温度
胁迫不同时间时不同组织中的表达水平进行分析!
结果发现!相同温度相同时间处理下!根(茎(叶中的
表达差异较大如
%)Q
胁迫
#F
根中的表达分别
为茎和叶的
%#,)+g
和
),$)g
&
4Q
胁迫
#F
!茎中
的表达分别为根和叶的
%,!"
倍和
,!)
倍相同组
织不同温度处理相同时间下的表达也具有差异!如!
根在
%)Q
"
$!Q
处理
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#F
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是
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胁迫
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后即可被显著诱
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期 杨桂燕!等$核桃
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基因克隆及温度胁迫响应模式分析
导)!#*表明来自不同植物的同一家族基因的表达!
受相同温度诱导的响应时间具有差异性!由此可推
知!相同基因在不同植物中!对相同胁迫的调控方式
及调节能力可能有一定的差异性本研究较系统地
分析了核桃
!(+,-#.%
基因在不同温度不同时
间胁迫下的表达水平!表明
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基因与温
度胁迫调控具有一定的关系!为继续研究
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逆
境应答功能(核桃抗逆机理打下了基础
参考文献!
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