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Cloning and Expression of an Cytosolic Ascorbate Peroxidase Gene from Populus tomentosa

毛白杨细胞质抗坏血酸过氧化物酶基因的克隆及表达分析



全 文 :书西北植物学报!
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文章编号$
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收稿日期$
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&修改稿收到日期$
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基金项目$国家自然科学基金项目"
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#&教育部新世纪优秀人才支持计划项目"
0123("4("+%"
#
作者简介$张
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蕾"
#544&
#!女!在读硕士研究生!主要从事植物分子生物学工作
2(67-8
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9
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"
通信作者$陆
!
海!博士!教授!主要从事杨树抗胁迫和木质素合成工作
2(67-8
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A?*=B?*>/
毛白杨细胞质抗坏血酸过氧化物酶
基因的克隆及表达分析

!
蕾!王昱!刘
!
蕾!尹
!
玢!曹
!
山!陆
!
海"
"北京林业大学 生物科学与技术学院!北京
#"""4%
#

!
要$利用同源克隆技术得到
#
个毛白杨细胞质抗坏血酸过氧化物酶基因!命名为
!"#!$
该基因编码
!$5

氨基酸残基!预测分子量为
%%*"#CD
采用原核表达技术在大肠杆菌中表达并纯化该蛋白并进行酶活性分析!结
果表明$重组
E>FEG
蛋白对抗坏血酸"
F.F
#和过氧化氢"
H
!
I
!
#有很高的活性!其对抗坏血酸的米氏常数"
%
6
#和
最大反应速度"
&
67J
#分别为"
*+#K"*"%
#
66:8
(
L
&#和"
*$#K"*"!
#
66:8
(
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6-/
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(
6
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&对过氧化氢的
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6

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67J
分别为"
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#
66:8
(
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#
66:8
(
L
&#
(
6-/
&#
(
6
M
&#
!表明
E>FEG

F.F

H
!
I
!
拥有较高的催化底物的能力和催化效率利用实时定量
N3(E1N
分析毛白杨
!"#!$
基因的表达模式!结
果表明其在老叶中表达量高于新叶)韧皮部)形成层和根部该研究结果将进一步促进毛白杨
#!$
基因家族成员
参与植物生长调控的研究
关键词$毛白杨&细胞质抗坏血酸过氧化物酶&克隆&原核表达&酶学分析
中图分类号$
O+4)
&
O+4
文献标志码$
F
$%"&#&

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+
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0
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9
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M
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9
[:X=-/<-X;7>78>?87X=B67..:A
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M
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Y
X:<7[B.7.>:[@->7>-B
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*FXA-J=BH
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#
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(
L
&#
(
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(
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M
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I
!
*3;=.=B7X7.;:<=BX;7XX;=
9
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H
!
I
!
7/B;7B;-
M
;>7X78
Y
X->=AA->-=/>
Y
*N=78(X-6=E1N7/78
Y
.-..;:<=BX;7XX;==J
9
[=..-:/8=\=8.:A
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M
;=[-/X;=6=.:
9
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Y
8:A7
M
=B8=7\=.X;7/X;7X:A:X;=[X-..?=.*3;-.[=.=7[>;
9
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99
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M
7X=[:8=.:A#!$
M
=/=A76-8
Y
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9
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M
[:M
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8-
0
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!
(
)*)+,-./,+0
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>
Y
X:.:8->7.>:[@7X=
9
=[:J-B7.=
&
>8:/-/
M
&
9
[:C7[
Y
:X->=J
9
[=..-:/
&
=/]
Y
67X->
>;7[7>X=[-.X->.
!!
作为植物生长的生理指标!活性氧在植物细胞 信号传导)生长发育)生物胁迫与非生物胁迫应激中
发挥着重要作用!主要包括过氧化氢"
H
!
I
!
#)超氧
根离子"
I
&
(
!
#等*#(%+在正常条件下!植物细胞内活
性氧含量很低!不会对植物造成损伤*$+但是在干
旱*)+)高盐*+)冷害*++和部分生物胁迫条件下*4(5+!生
理代谢紊乱导致的活性氧含量升高会造成细胞内活
性氧稳态的破坏过量的活性氧不能及时清除会对
细胞造成严重损伤!甚至导致细胞凋亡植物体内
的活性氧消除包括依赖超氧化物歧化酶"
WID
#)依
赖抗坏血酸过氧化物酶"
FEG
!
21#*##*#*#
#和依
赖过氧化氢酶"
H
Y
B[:
M
=/
9
=[:J-B7.=
#等多种机制
FEG
是活性氧消除机制中的重要组成部分!其
通过参与抗坏血酸循环反应来消除
H
!
I
!
*
!
+

FEG
利用抗坏血酸"
F.F
#作为电子媒介!将
H
!
I
!
还原

H
!
I
并生成单脱氢抗坏血酸"
^DF.F
#!而由
^DF.F
生成
F.F
的过程依靠
0FD
"
E
#
H
作电子
媒介*#"+
已有研究表明在多种植物中存在不同的
#!$
亚型!这些亚型定位在细胞质*##+)过氧化物酶体)线
粒体和叶绿体*#!+等不同的细胞器中在这些亚型
中!细胞质
#!$
发挥着不可替代的作用目前!已
经从烟草*#%+)拟南芥*#$+)菠菜*#)+和大豆*#+等多种
植物中分离得到了细胞质
#!$
文献报道细胞质
FEG
重组蛋白分子量大小在
!+
"
%)CD
!最适
9
H

$*"
"
+*"
对抗坏血酸和过氧化氢的米氏常数
"
%
6
#分别为
"*)
"
$*)66:8
(
L
&#和
"*#
"
#*"
66:8
(
L
&#
还有研究认为在植物遇到干旱)盐)冷
冻)涝)高温以及其他生物胁迫时!细胞质抗坏血酸
过氧化物酶活性会增强*#++
目前对细胞质抗坏血酸过氧化物酶调控植物氧
化还原反应机制的研究主要集中在拟南芥和水稻
上在对模式生物拟南芥的研究中发现!与线粒体
#!$
相比!细胞质
#!$
在过氧化氢消除中发挥着
不可或缺的作用*%+缺失细胞质
#!$
基因的拟南
芥在正常条件下!对环境更加敏感并生长缓慢*!+
相似的!缺失细胞质
#!$
功能水稻在生长)幼苗发
育等方面受到影响!造成植株半矮化)叶片损伤)种
子不育等多种现象*#4+有报道指出!在水稻细胞
中!随着
H
!
I
!
含量的增加!则细胞质
#!$
的表达
上调*#5+
作为绿化和木材产品中的重要树种!已经有一
些研究在探寻
#!$
基因对毛白杨生长的作用!并
有研究 克 隆 了 毛 白 杨 过 氧 化 物 酶 体
#!$

因*!"(!#+!而细胞质
#!$
基因在毛白杨生长发育中
的作用尚不明确为此!本研究利用同源克隆技术
获得了一个毛白杨细胞质
#!$
基因!并对其进行
了原核表达和酶活性分析!以了解其对抗坏血酸和
过氧化氢的活性!为进一步揭示其功能奠定基础
#
!
材料和方法
:;:
!
毛白杨细胞质
!16
基因的克隆
按照总
N0F
提取试剂盒"科百奥生物科技有
限公司#说明的步骤提取
4
周龄毛白杨组培苗叶片

N0F
!使用紫外分光光度计测定总
N0F
浓度!

&4"_
冰箱保存备用
以拟南芥细胞质
#!$
基因序列"
Q=/V7/C

列号
01
,
""%"+"
#为靶序列!对毛白杨基因组数据
库进行
V87.X
!得到一个与其高度相似的序列片段
利用
E[-6=[)*"
软件设计引物
FEG(Z
"
)`(FF3(
QF1QFFQFF13F311FF13Q
#和
FEG(N
"
)`(
1F313QFF3113FQQ1F31FQ1
#以毛白杨

N0F
反转录合成的
>D0F
为模板!采用
E1N

术扩增目的基因片段反应体系"
!)
#
L
#为正反向
引物"
)
#
6:8
(
L
&#
#各
#*)
#
L
!
>D0F
模板
!
#
L
!
B03E
"
E[:6=
M
7
!
!*)66:8
(
L
&#
#
!
#
L
!
10
2

"
E[:6=
M
7
#
"*!
#
L
!
V?AA=[!*)
#
L
!
BBH
!
I#*4
#
L

E1N
反应的条件为
5$_
预变性
)6-/
!
5$_
变性
%".
!
)4_
退火
%".
!
+!_
延伸
#6-/
!
%"
个循环!最

+!_
再延伸
#"6-/

E1N
产物经
#*!a
琼脂糖凝胶检测分离后!使
用琼脂糖凝胶回收试剂盒"天根#回收目的片段!产
物纯化后与
9
^D#4(3
载体"
37b7N7
#
$_
连接过
夜!转化到大肠杆菌
c^ #"5
感受态细胞"
37b7N7
#
使用含氨苄青霉素"
#""6
M
(
L
&#
#的
LV
固体培养

%+_
倒置培养
#!;
!随机挑选
#!
个白色菌落!
E1N
菌液检测阳性克隆!将阳性克隆测序并进行相
应的序列分析
:;<
!
!16
基因的原核表达与纯化
根据克隆出的毛白杨细胞质
#!$
基因序列!
设计带有酶切位点的
E1N
引物
FEG!(Z
$"
)`(1Q(
QFF331F3QF1QFFQFF13F311FF1
#和
FEG!(
N
"
)`(Q1Q31QF1313QFF3113FQQ1F31FQ
#以
含有毛白杨细胞质
#!$
基因的
9
^D#4(3
载体质
粒为模板!扩增毛白杨细胞质
#!$
基因片段回
收纯化扩增产物!与
9
^D#4(3
载体连接!转化大肠
杆菌
c^ #"5
!并鉴定测序正确后!与
9
23%"7(
"
d
#
"
37b7N7
#同时进行双酶切!回收酶切片段进行连
接后转化大肠杆菌
VL!#
"
37b7N7
#按
#e)"
的比
例对过夜培养的菌液进行稀释!
%+_
培养至
F
""

!%!
西
!

!

!

!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$

"*)
!取出
#6L
作为为诱导菌液在菌液中加入
#""66:8
(
L
&#
TE3Q
!使终浓度为
#66:8
(
L
&#
!
!4_
继续培养
%;

$_

)"""[
(
6-/
&#离心
)6-/
收集菌体!用
L
Y
.-.V?AA=[
"
!"66:8
(
L
&#
3[-.(H18
!
"*)6:8
(
L
&#
0718
!
#66:8
(
L
&#
FWF
!
9
H4*"
#重悬菌体!于冰浴中超声波裂解菌体!
#)"""[
(
6-/
&#离心
!"6-/
!收集菌体裂解上清
液取
#*6L
的菌体裂解上清液与
"*)6L)"a

0-(03F
亲和层析填料在
$_
)
!""[
(
6-/
&#摇床
上充分混合
"6-/
!将混合物上柱用
!f#6L

R7.;V?A=[
"
)"66:8
(
L
&#
07H
!
EI
$
!
%""66:8
(
L
&#
0718
!
$"66:8
(
L
&#咪唑!
9
H4*"
#淋洗除去杂
蛋白质!分别收集淋洗液用
%f"*)6L

28?X-:/
V?A=[
"
)" 66:8
(
L
&#
07H
!
EI
$
!
%"" 66:8
(
L
&#
0718
!
)"66:8
(
L
&#咪唑!
9
H4*"
#洗脱并收集带有
H-.
标签的重组的毛白杨细胞质
FEG
蛋白!收集重
组的毛白杨细胞质
FEG
蛋白上清液!并进行
WDW(
EFQ2
电泳检测
:;=
!
35>
酶学特性测定

%6L
酶反应混合液"
)"66:8
(
L
&#
EVW
9
H+*"
!
"*#66:8
(
L
&#
2D3F
!
"*$66:8
(
L
&#
F.F
#!加入适量收集的上清!反应以加入
H
!
I
!

起始!通过测定
!6-/
内其
F
!5"
吸收值的下降来测

FEG
的活性"每
!".
记录读数#分别固定底物
F.F

H
!
I
!
其中一种的浓度!使其相对过量!测
定另一种底物不同浓度梯度下
FEG
的活性用
I[-
M
-/E[:4*"
软件非线性拟合的方法!将测得的反
应速率拟合至米氏方程!计算得到
E>FEG
两种底
物对应的
%
6

&
67J

H
!
I
!
浓度过量"
"*#
66:8
(
L
&#
#时!取不同浓度的
F.F
"
*"!)
)
"*")
)
"*"+)
)
"*#
)
"*!
)
"*$
)
"*)
)
"*+)

#*"66:8
(
L
&#
#!分别测定
!6-/

F
!5"
的降低值!求
FEG

F.F

%
6

&
67J
值&
F.F
浓度过量"
*$66:8
(
L
&#
#时!取不同浓度的
H
!
I
!
"
"*"#
)
"*"!
)
"*"$
)
"*"4
)
"*#!
)
"*#
)
"*!
)
"*%
)
"*$

"*466:8
(
L
&#
#!分别测定
!6-/

F
!5"
的降低值!求
FEG

H
!
I
!

%
6

&
67J
值&保证
!
个底物
F.F
"
"*$
66:8
(
L
&#
#和
H
!
I
!
"
*#66:8
(
L
&#
#都过量!改
变反应混合液的温度"
!"_
)
!)_
)
%"_
)
%)_
)
$"
_
)
$)_
)
"_

))_
#!测定最适温度&改变反应
混合液的
9
H
值"
$*)
)
*"
)
*)
)
*"
)
*)
)
+*"
)
+*)
)
4*"

4*)
#!测定最适
9
H

:;?
!
毛白杨细胞质
!16
的表达定量分析

4
年生毛白杨成熟叶片)韧皮部)根和形成层
分别作为
N0F
提取植物材料!反转录得到的
>D0F

使用
E[-6=[)*"
软件设计
N3(E1N
引物
FEG(N3(Z
$
"
)`(13F1FF33Q11F313QF1FFQQ
#和
FEG(N3(
N
$"
)`(QQ1F31FQ1FFF3111FQ331Q
#以及毛白
杨内参基因
1)3*4/
引物
3?@(Z
$"
)`(1FQQF13Q(
QFQ1F3F11Q11FQ1
#和
3?@(N
$"
)`(3QFFQQ1(
1FQ3Q1FQ33F31FQ1
#反应体系"
#)
#
L
#包括
WSVNQ[==/OE1N.?
9
=[ -^J
"
E[:6=
M
7
#
+*)
#
L
!正反
向引物"
)
#
6:8
(
L
&#
#各
"*%
#
L
!
>D0F
模板
#
#
L
!参
比染料
NIG"*%
#
L
!
BBH
!
I)*
#
L
反应条件
"
W3NF3FQ202
公司
J^%"""E
#$第一步
5)_
预变

#"6-/
&第二步!
5)_
变性
%".
!
"_
退火
$).
!
+!
_%".
!
$"
个循环!在每一循环的退火阶段收集荧光
进行实时检测反应结束后!
5)_#6-/
!然后降至
"_%".
!缓慢升温"
*!_
%
.
#至
5)_
!该过程时刻
记录荧光信号的变化!从而得出扩增产物的溶解曲
线每个样品重复
%
次!根据标准曲线计算结果及
校正值!计算其平均值!并用
I[-
M
-/E[:4
作图
!
!
结果与分析
<;:
!
1"!16
的克隆与序列分析
通过
E1N
从毛白杨中扩增得到一条
+)"@
9

>D0F
序列"图
#
#!序列分析表明其中含有一个编

!$5
个氨基酸残基的开放阅读框序列比对分析
显示该序列编码的氨基酸残基与拟南芥细胞质
#!$
基因的一致性达
4"a
"
5"a
!与过氧化物酶

#!$
基因的一致性达
"a
"
+"a
!与叶绿体
#!$
基因的一致性达
)"a
"
"a
确定该序列为
毛白杨的
#!$
基因!命名为
!"#!$
"
Q=/V7/C

列号
bZ+4"4)
#利用
W^ FN3
"
;XX
9
$%%
.67[X*
=6@8(;=-B=8@=[
M
*B=
%#分析显示!该
FEG
蛋白序列
没有信号肽和跨膜结构
进化树聚类分析结果"图
!
#表明!毛白杨细胞质

#
!
毛白杨
!"#!$
基因的克隆
Z-
M
*#
!
18:/-/
M
:A!"#!$
M
=/=A[:6!5,-./,+0
#*DL!"""
&
!*>D0F
%%!
!

!!!!!!!!!!

!
蕾!等$毛白杨细胞质抗坏血酸过氧化物酶基因的克隆及表达分析
#!$
与拟 南芥 "
#60347
(
+4+,80*40/0
#细 胞 质
#!$
)苜蓿"
9.74"0
:
,6)/"0,)*0
#细胞质
#!$
!大
豆"
;*
<
"4/.-0=
#细胞质
#!$
有较高一致性!而大
豆过氧化物酶体
#!$
与拟南芥过氧化物酶体
#!$
)玉米"
>.0-0
<
+
#过氧化物酶体
#!$
的一致
性较高另外!拟南芥线粒体
#!$
)拟南芥叶绿体
#!$
)番茄"
?*0/)-*
<
"
(
.6+4")-
#线粒体
#!$
)
番茄叶绿体
#!$
聚为一类这个结果说明毛白杨
细胞质
#!$
与其他物种细胞质
#!$
亲缘关系较
近!而过氧化物酶体
#!$
和质体
#!$
各成一组!
说明
!"#!$
可能是细胞质
#!$
"图
!
#
<;<
!
5235>
蛋白的原核表达)纯化与酶活性分析
重组
E>FEG
蛋白诱导及纯化的
WDW(EFQ2

泳结果如图
%
根据蛋白
7^[C=[
可以看出!
E>FEG
被成功诱导!蛋白的分子量大约为
%%*"#CD

根据
-^>;7=8-.(^ =/X:/
机理!重组
E>FEG

抗坏血酸的
%
6

&
67J
分别为"
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66:8
(
L
&#
(
6-/
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!重组
E>FEG
对过氧化氢的
%
6

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67J
分别为"
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66:8
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(
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"表
#
#

!
!
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与其他物种
#!$
的进化关系
#,"#!$5
拟南芥细胞质
#!$
&
9,"#!$5
苜蓿细胞质
#!$
&
;-"#!$5
大豆细胞质
#!$
&
;-
(
#!$5
大豆过氧化物酶体
#!$
&
#,
(
#!$5
拟南芥过氧化物酶体
#!$
&
>-
(
#!$5
玉米过氧化物酶体
#!$
&
#,+#!$5
拟南芥线粒体
#!$
&
#,,#!$5
拟南芥叶绿体
#!$
&
?*,#!$5
番茄线粒体
#!$
&
?*+#!$5
番茄叶绿体
#!$
Z-
M
*!
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M
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M
[=87X-:/.;-
9
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(
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显示!
E>FEG
酶活的最适
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"
)*)
!当
9
H

4*"
时!
FEG
酶活只有最高值的
!"a
左右&
E>FEG

$)_
活性最高!
"_

)"_
时活
性降低
$"a
!
))_
时活性只有最适温度的
%)a
&在
底物中
F.F
缺失的条件下!
E>FEG
的活性为
F.F
存在情况下
E>FEG
活性最大值的
a

<;=
!
1"!16
在毛白杨不同组织中的表达
使用实时定量
N3(E1N

!"#!$
在毛白杨不
同组织表达特异性进行分析通过内参基因"
1)3A
*4/
#与目的基因的扩增曲线计算得到
!"#!$
基因
在新叶)老叶)韧皮部)根和形成层的相对表达量
结果"图
)
#表明!
!"#!$
在毛白杨的各个部位都有
表达!其中老叶中的表达量最高!为韧皮部和新叶表
达量的
!
"
!*)
倍!根中表达量较低!尤其是在形成
层组织中
!"#!$
的表达量极低
N3(E1N
结果表
明在成熟组织中
!"#!$
的表达量明显高于新生的
各个组织器官

%
!
E>FEG
重组蛋白
WDW(EFQ2
分析
#*^ 7[C=[
&
!*
未诱导阴性对照&
%*
重组
E>FEG
表达菌株
诱导后的全细胞蛋白&
$*
纯化的重组
E>FEG
蛋白
Z-
M
*%
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!
5235>
重组蛋白的酶活特性
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Y
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9
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:\=[(=J
9
[=..=B-/B5"*4
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抗坏血酸
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相对分子量
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西
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E>FEG
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V
表示
E>FEG
重组蛋白对
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"
F
#和
H
!
I
!
"
V
#的双倒数图&
1
)
D
表示以
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为底物时
E>FEG
重组蛋白在不同温度"
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#和
9
H
"
D
#时的活性
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2/]
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F.F
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Y
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!
!"#!$
在毛白杨不同组织的表达差异
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M
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!
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[=..-:/-/!5,-./,+0
%
!

!

据报道!细胞质
#!$
在植物面临氧化胁迫*!!+)
干旱*!%+)高盐等多种不良环境胁迫下的活性氧清除
方面发挥重要作用尽管细胞质
#!$
在许多高等
植物中已经被广泛研究!但在毛白杨中的相关研究
讨论还不明确本研究成功克隆了一个毛白杨细胞

#!$
基因!预测的蛋白序列与植物细胞质
#!$
家族高度一致原核高效表达的毛白杨重组
E>FEG
的分子量为
%%*"#CD
!这与其他物种的分子量区间
"
!+
"
%)CD
#相吻合*#%(#+对重组毛白杨
E>FEG

酶活生化特性分析发现!其对
F.F

H
!
I
!
这两种
底物具有较强的活性
本研究获得的毛白杨
E>FEG
与已报道的毛白杨
过氧化物酶
FEG
"
E
9
FEG
#
*
!#
+相比在蛋白质结构上有
所区别!蛋白质二级结构分析显示
E>FEG
蛋白序列
无信号肽和跨膜结构域!表明毛白杨
!"#!$
可能是
细胞质
#!$
定位于不同细胞器的
#!$
可能在植
物消除活性氧的反应中发挥不同作用
作用于相同底物的
E>FEG

%
6
值是
E
9
FEG
*
!#
+
的一半!这说明其与底物
F.F

H
!
I
!
具有较高的
亲和力并且!
E>FEG
具有很高的
@
>7X

@
>7X
%
%
6
值!说明
E>FEG
在对
F.F

H
!
I
!
的反应中拥有
更高的催化底物的能力和催化效率
E>FEG
的最

9
H
和最适温度分别为
)*"
"
)*)

$)_
!而
E
9
FEG
*
!#
+的最适
9
H
和最适温度分别为
+*"
"
+*$

!4_
!这种较大的差别表明植物在不同生长环境
中!各个
#!$
亚型功能不同!其发挥特定的作用以
适应变化的环境!这种同工酶之间的相互补充和协
调更有助于植物在逆境中的生长
实时定量
E1N
结果中!
!"#!$

!
(
#!$

对表达量差别不大!这说明在组织定位中!这
!
种亚

#!$
有相似之处!其都在老叶中表达量较高!在
新叶和根等位置表达量较低!尤其是在形成层组织
中表达量极低!说明细胞质
#!$
和过氧化物酶体
#!$
清除
H
!
I
!
的反应在老叶中活性最高!可能是
成熟叶片组织次生代谢物积累增多!活性氧成分含
)%!
!

!!!!!!!!!!

!
蕾!等$毛白杨细胞质抗坏血酸过氧化物酶基因的克隆及表达分析
量较高!导致细胞内抗氧化反应较为活跃!这种细胞
的自我调节能力对植物成熟组织的抗逆和抗凋亡能
力来说至关重要
#!$
在植物抗逆中的作用已经引起越来越多的
关注本研究克隆得到了一个毛白杨细胞质
#!$
基因!并对其序列和生理生化特性进行了分析!这为
以后进一步讨论其在细胞中的作用机制和对植物生
长发育以及抗逆影响提供了较为明确的方向
参考文献!
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