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Identification and functional characterization of the Phytophthora sojae induced-promoter of the soybean GmDRRP gene

大豆中疫霉诱导性GmDRRP基因启动子的克隆与功能分析



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  45(1): 57 ̄66(2015)
收稿日期: 2014 ̄03 ̄11ꎻ 修回日期: 2014 ̄09 ̄12
基金项目: 国家自然科学基金(31171831)ꎻ江苏省自然科学基金(BK2012027)ꎻ教育部博士点基金(20090097110032)
通讯作者: 窦道龙ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为植物与微生物互作ꎻTel:025 ̄84396973ꎬE ̄mail:ddou@njau.edu.cn
第一作者: 柴春月ꎬ女ꎬ河南南阳人ꎬ博士ꎬ研究方向为植物抗病基因工程ꎻE ̄mail:ccyuer1019@126.comꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2015.01.008
大豆中疫霉诱导性 GmDRRP基因
启动子的克隆与功能分析
柴春月1ꎬ 2ꎬ 林艳玲1ꎬ 吴育人1ꎬ 沈丹宇1ꎬ 窦道龙1∗
( 1南京农业大学植物保护学院ꎬ南京 210095ꎻ2南阳师范学院生命科学与技术学院ꎬ南阳 473061)
摘要:本研究根据大豆与疫霉互作的基因芯片数据ꎬ筛选了一个受疫霉诱导表达的大豆抗病相关基因(GmDRRPꎬ glycine
max disease resistance response protein)ꎬ并对其启动子响应疫霉侵染的功能进行了研究ꎮ 序列分析表明该基因编码一个大
豆抗病相关蛋白ꎮ 分别用 SA、MeJA、ABA、ETH 和 GA3 五种激素处理后ꎬ发现该基因的表达受激素的抑制ꎮ 克隆其转录
起始位点上游 1 590 bp的启动子区ꎬ生物信息学分析发现该区域包含多个已知与逆境响应相关的顺式元件ꎮ 进一步将启
动子构建在融合 Gus报告基因的植物表达载体上ꎬ分别瞬时转化烟草和稳定转化大豆根毛ꎬ并检测了 Gus报告基因的表达
情况ꎮ 结果表明ꎬGmDRRP启动子均能在两种体系中不同程度的受疫霉诱导ꎬ其表达模式为接种后 0.5 h被快速诱导ꎬ并在
2 h时显著提高ꎮ 根据生物信息学对顺式元件的预测结果ꎬ对启动子进行了分段分析ꎬ获得了一个 222 bp的小片段ꎬ其疫霉
诱导表达能力是全长启动子的 34%ꎮ 以上结果表明大豆的 GmDRRP启动子能被疫霉快速诱导ꎮ
关键词:大豆ꎻ 大豆疫霉ꎻ 病原菌诱导性启动子ꎻ GmDRRP
Identification and functional characterization of the Phytophthora sojae induced ̄pro ̄
moter of the soybean GmDRRP gene  CHAI Chun ̄yue1ꎬ2ꎬ LIN Yan ̄ling1ꎬ WU Yu ̄ren1ꎬ SHEN
Dan ̄yu1ꎬ DOU Dao ̄long1   ( 1College of Plant Protectionꎬ Nanjing Agricultural Universityꎬ Nanjing 210095ꎬ Chinaꎻ2Col ̄
lege of Life Science and Technologyꎬ Nanyang Normal Universityꎬ Nanyang 473061ꎬ China)
Abstract: In this studyꎬ we obtained a GmDRRP (glycine max disease resistance response protein) gene from
soybean microarray dataꎬ and functionally characterized roles of its promoter during Phytophthora sojae
infection. Phylogenetic and functional domain analysis showed that this gene encoded a soybean DRRP protein.
qRT ̄PCR analysis indicated it was down ̄regulated by the tested hormones. Thenꎬ a promoter fragment harboring
the  ̄1ꎬ590 to +1 region ( the transcription start site of GmDRRP is defined as +1 position) was isolated from
soybean (cv. Williams) . Its activity was determined by both transient expression assay in Nicotiana benthamiana
and stable expression in transgenic soybean hairy roots. The results showed that GmDRRP promoter ̄derived Gus
expression was rapidly induced at 0.5 hpi (hours post infection)ꎬ and reached high levels at 2 hpi. We also
identified a 222 bp fragment that was important for its full activities by deletion analysis. Thusꎬ we provide a
promoter that can confer Phytophthora ̄induced expression.
Key words: soybeanꎻ Phytophthora sojaeꎻ pathogen ̄inducible promoterꎻ GmDRRP
中图分类号: S435.651          文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2015)01 ̄0057 ̄10
    化学防治和抗病育种一直是作物病害控制的
两条主要途径ꎬ但在生产中都有一定的局限性和问
题ꎮ 随着现代分子生物学和生物技术的发展以及
对植物抗病性的深入了解ꎬ人们设想利用转基因技
 
植物病理学报 45卷
术来培育抗病植物材料ꎬ然而对于真菌、卵菌、细菌
和线虫等引起的植物病害ꎬ转基因抗病还没有成功
应用的实例ꎬ其中一个主要原因是当组成型表达一
个抗病相关基因时ꎬ尽管能达到使植物抗病的目
的ꎬ但抗性蛋白往往会持续过量积累ꎬ从而影响植
物的正常生长与发育[1~3]ꎬ同时目的基因在收获器
官的表达也会引起公众对转基因产品安全性的疑
虑ꎮ 病原菌诱导性启动子能驱动目的基因仅在病
原菌侵染点表达ꎬ有望能解决抗病相关基因组成型
表达带来的问题[4ꎬ5]ꎬ因此获得这类启动子是植物
抗病转基因育种的一个重要环节ꎮ
    近年来ꎬ多个来源于植物、病毒和细菌的启动
子已经在植物转基因中得到成功运用ꎬ这些启动子
根据其转录模式主要分为三种:组成表达启动子ꎬ
诱导表达启动子以及组织特异表达启动子ꎮ 其中
病原菌诱导性启动子因其能够控制目的基因适时、
适地、适度地表达ꎬ被认为是植物抗病基因工程应
用上最有潜力的一种[6~8]ꎮ 到目前为止ꎬ已经在拟
南芥ꎬ烟草和水稻上鉴定了一些病原菌诱导性启动
子[5ꎬ9]ꎬ其中比较典型的例子是烟草的 hsr203J 基
因启动子ꎬ当发生非亲和互作时植物的侵染点会产
生过敏反应ꎬ该基因会在此过程快速诱导表达[10]ꎮ
hsr203J启动子与疫霉激发子融合转化烟草后ꎬ能
在亲和真菌和卵菌侵染时介导过敏反应的发生ꎬ使
得转基因植株抗病性显著增强ꎬ而在转基因梨上这
个启动子却表现出很弱的诱导表达特征[11ꎬ12]ꎬ说
明该启动子的应用还有局限性ꎮ 通过对已有的病
原诱导性启动子的结果分析发现ꎬ这些启动子一般
都包含有多个受病原菌诱导的顺式元件ꎬ它们在一
个或多个信号通路中起作用ꎬ如 WRKY 转录因子
家族蛋白结合位点 W ̄boxꎬ防卫基因启动子中的
GCC ̄motifꎬ参与抗病和水杨酸通路的 GT ̄1 元件
等ꎬ寻找和鉴定参与不同信号通路的顺式元件ꎬ可
以根据不同的目的人工设计启动子[13~15]ꎬ从而实
现更精准地控制基因表达的目的ꎮ
    大豆是世界上最重要的一种油料经济作物ꎬ也
是最大的食用油和蛋白的来源ꎮ 由大豆疫霉
(Phytophthora sojae)引起的根茎腐烂病是一种毁
灭性病害ꎬ该病害在世界范围内的大豆种植区几乎
都可以检测到ꎬ严重影响着大豆的产量和质量ꎬ每
年都造成巨大的经济损失ꎮ 大豆疫霉属于卵菌ꎬ为
土传ꎬ很多控制真菌的常用方法对此病害的控制效
果都不明显ꎮ 目前控制大豆疫霉病害的主要方法
是选育抗病品种ꎬ到目前为止在大豆上已鉴定了至
少 15个主效抗病基因(R genes) [16]ꎬ在大豆疫霉
中也鉴定了 12个相应的无毒基因(Avr genes) [17]ꎬ
这些无毒基因与对应的抗病基因符合“基因对基
因”假说ꎬ但在生产上持续种植具有单一抗性的品
种ꎬ其抗性会随着大豆疫霉菌的快速变异而丧失ꎮ
利用多基因控制的水平抗性也是生产上的一种常
用策略ꎬ这种抗性虽然是可遗传的ꎬ但是由于参与
抗性的基因较多ꎬ常规育种的方法很难将其聚合到
一个品种上ꎮ 因此转基因技术将是大豆抗疫霉根
腐病育种的一个补充ꎬ但目前在该作物中尚缺乏功
能清楚的有应用潜力的启动子ꎮ
    本研究从大豆中筛选出了一个疫霉菌诱导的
启动子ꎬ功能分析发现它能介导报告基因在侵染点
的快速高效表达ꎬ研究结果将为大豆甚至其它作物
抗疫病基因工程奠定基础ꎮ
1  材料与方法
1.1  实验材料
    植物材料:本氏烟(Nicotiana benthamiana)ꎬ大
豆感病品种 Williamsꎮ 细菌:大肠杆菌 DH5αꎬ农
杆菌 GV3101ꎬ发根农杆菌 K599ꎮ 卵菌:大豆疫霉
P6497菌株ꎬ辣椒疫霉 Pc35 菌株ꎮ 植物表达载体:
pBI121ꎬpMDC162ꎮ
    试剂:内切酶购于北京 NEB 公司ꎻ连接酶ꎬ
rTaq 酶ꎬPrimer star 高保真酶ꎬRNA 反转录试剂
盒ꎬqRT ̄PCR试剂盒购自大连 TaKaRa 公司ꎻRNA
提取试剂盒ꎬ引物合成ꎬ质粒提取试剂盒购自
Invitrogen 公司ꎮ X ̄glucꎬBSA 购自索来宝公司ꎮ
其它均为国产分析纯试剂ꎮ
1.2  大豆疫霉诱导及激素诱导处理
    将参试的大豆(Williams)种子播种在蛭石培养
基中ꎬ在 25℃ꎬ16/ 8 h光周期的温室中培养ꎮ 待大豆
生长至两片真叶完全展开后ꎬ轻轻将豆苗从蛭石中拔
出ꎬ用清水冲洗根部的蛭石ꎬ小心尽量不要弄伤根部ꎮ
将新鲜的大豆根浸泡在游动孢子悬浮液(浓度为
105个􀅰mL-1)中ꎬ以清水浸泡作为对照ꎬ分别在接种
后的 0、0.5和 2 h 取样ꎬ迅速用滤纸吸干水分并剪下
根部ꎬ保存在液氮中待用ꎮ 把培养 7 d大的大豆苗从
培养基中拔出ꎬ用清水冲洗根部的蛭石ꎬ分别配置水
85
 
  1期 柴春月ꎬ等:大豆中疫霉诱导性 GmDRRP基因启动子的克隆与功能分析
杨酸(SA)ꎬ茉莉酸甲酯(MeJA)ꎬ脱落酸(ABA)ꎬ乙烯
利(ETH)和赤霉素 (GA3 )ꎬ并最终调配浓度至
100 μmol􀅰L-1ꎬ将大豆苗根部浸泡在不同激素中ꎬ以
ddH2O作为对照ꎬ3 h后取样ꎬ用液氮速冻备用ꎮ
1.3  启动子克隆与载体构建
    在大豆基因组库中寻找基因编号为 Gly ̄
ma01g31730的基因ꎬ确定转录起始位点上游 1 590
bp作为候选启动子区ꎬ根据其序列设计引物ꎬ分别
在上游引物中引入 Kpn I酶切位点ꎬ下游引物中引
入 Bgl II酶切位点(表 1)ꎮ 以大豆的基因组为模
板ꎬ将克隆到的启动子片段经 Kpn I 和 Bgl II 双酶
切后插入到携带有 Gus 报告基因的 pMDC162 载
体上ꎬ将小片段构建在之前已经引入了 35S小启动
子的 pMDC16235S-mini载体上ꎮ 热击转化入大肠杆
菌 DH5αꎬ用 PCR和双酶切的方法鉴定阳性克隆ꎮ
以 pBI121(含有 CaMV 35S全长序列和 Gus基因)
作为阳性对照ꎬ只引入了 35S 小启动子的 pM ̄
DC16235S-mini作为阴性对照ꎮ 利用电击法把这些植
物表达载体分别转入农杆菌 GV3101ꎬ或发根农杆
菌 K599ꎬ用 PCR的方法鉴定阳性克隆ꎮ
1.4  农杆菌介导的烟草瞬时转化与接种
    农杆菌介导的烟草瞬时转化方法是在参考
Llave等[18]的方法基础上稍有改进ꎮ 挑取转化农
杆菌 GV3101的单克隆ꎬ在含有卡那霉素(50 μg􀅰
mL-1)的液体 LB 培养基中ꎬ28℃震荡培养 48 hꎬ
3 000 rpm 离心 10 min收集菌体ꎬ用乙酰丁香酮缓
冲液(10 mmol􀅰L-1 MgCl2ꎬ10 mmol􀅰L
-1 MESꎬ
150 μmol􀅰L-1乙酰丁香酮(pH 5.6))重悬浮 3次ꎬ
最终稀释到 OD600为 0.5 ~ 0.6ꎬ黑暗室温放置 3 hꎮ
用 1 mL的注射器将菌液注入 6 周大的烟草叶片
背面ꎬ在注射后 72 h ꎬ剪下叶片ꎬ浸泡在辣椒疫霉
游动孢子悬浮液(浓度为 105个􀅰mL-1)中ꎬ分别在
接种后 0、0.5和 2 h取样ꎬ检测 GUS活性ꎮ
1.5  农杆菌介导的大豆根毛转化与接种
    大豆根毛转化主要参考 Savka 等[19]的方法:挑
取转化发根农杆菌 K599 的单克隆ꎬ在含有卡那霉
素(50 μg􀅰mL-1)的液体 LB培养基中ꎬ28℃震荡培
养 48 hꎬ3 000 rpm 离心 10 min 收集菌体ꎬ用 10
mmol􀅰L-1 MgCl2重悬浮ꎬ稀释至终浓度 OD600为0.5
~0.6 备用ꎮ 将无菌大豆种子种在 1 / 2 MS 培养基
中ꎬ在 25℃ꎬ16 / 8 h 光暗交替培养室中生长5~6 dꎬ
在超净台上剪下大豆子叶ꎬ用无菌手术刀在每个子
叶的背面挖洞ꎬ然后摆放在含有头孢和羧苄霉素
(250 μg􀅰mL-1)的Whiter培养基上ꎬ将稀释好的菌
Table 1  Polymerase chain reaction (PCR) primers used in the study
Primer Primer sequence (5′ to 3′) a Purpose
P8-F GGGGTACCCCTTCCTGCTGGCTGCTATT
GmDRRP promoter clone
and small fragment A
P8-R GAAGATCTGGCTGGTAATGAGAGAAAGA
GmDRRP promoter clone
and small fragment F
P8T1-R GAAGATCTCACGTGAGGGAAAATGAAGG Small fragment A
P8T2-F GGGGTACCCCCTCACGTGAAAACAGC Small fragment B
P8T2-R GAAGATCTTAAAACTGTGAACCAACC Small fragment B
P8T3-F GGGGTACCGTATGCAAATATTAAGGA Small fragment C
P8T3-R GAAGATCTTAGATGCCTTATTTACTC Small fragment C
P8T4-F GGGGTACCTGTGTGCATGATCTATCC Small fragment D
P8T4-R GAAGATCTCAGAAAAATCATACATA Small fragment D
P8T5-F GGGGTACCACAAATGAGATTGATCCA Small fragment E
P8T5-R GAAGATCTAGGAAGGGGACGTGAGGA Small fragment E
P8T6-F GGGGTACCGGACAAATTAAAGTCCAATG Small fragment F
a: The bold sites indicate the digestion regions for restriction enzymes Bgl II and Kpn I.
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植物病理学报 45卷
液滴在挖好的洞里ꎬ放置在 25℃黑暗条件下的培
养箱中生长 18~20 dꎮ 待根毛长出 4 ~ 8 cm 长时ꎬ
剪下根毛浸泡在大豆疫霉游动孢子悬浮液(105个
􀅰mL-1)中ꎮ 分别在接种后 0、0.5 和 2 h 取样ꎬ检
测 GUS活性ꎮ
1.6  GUS活性分析
    参照 Jefferson等[20]方法测定烟草叶片和根毛
中的 Gus报告基因的表达ꎮ 将需要染色的叶片或
根毛浸泡在 GUS染液(50 mmol􀅰L-1磷酸钠缓冲
液 pH 7. 0ꎬ 10 mol 􀅰 L-1 EDTAꎬ 1 mmol 􀅰 L-1
X ̄Glucꎬ0.1% Triton X ̄100ꎬ10 mmol􀅰L-1β ̄巯基
乙醇)中ꎬ置于 37℃温育 12 hꎬ75%乙醇冲洗两次ꎬ
再用 95%乙醇脱色ꎬ直至底色完全消失ꎮ
    将需要测定 GUS酶活的材料置研钵中加液氮研
磨成粉末加入提取缓冲液(50 mmol􀅰L-1 NaH2PO4ꎬ
pH 7. 0ꎬ 10 mmol 􀅰 L-1 EDTAꎬ 0. 1% Triton
X ̄100ꎬ 0.1(w/ v) 十二烷基磺酸钠ꎬ 10 mmol􀅰L-1
β ̄巯基乙醇)ꎬ4℃离心ꎬ上清为 GUS 蛋白提取液ꎮ
用 BSA 法测定蛋白浓度ꎮ 取出部分加 GUS 反应
底物 4 ̄MUGꎬ于 37℃ 反应 30 minꎬ在激发光
365 nm、发射光 455 nm 的条件下进行荧光测定ꎬ
3次生物学重复ꎬ最终以单位时间内产物的相对变
化量来计算 GUS活性值ꎮ
1.7  实时荧光定量 PCR (qRT ̄PCR)
    将所取植物材料ꎬ置研钵中加液氮研磨成粉末ꎬ
加入试剂盒 RNeasy kit (Tiangen) 的相应试剂ꎬ提
取总 RNAꎮ 用 iScript cDNA Synthesis kit (TaKa ̄
Ra) 反转录为 cDNAꎬ并定量到 100 ng􀅰μL-1ꎮ 以
大 豆 的 ACT20 ( GenBank accession no: XM _
003531518.1)ꎬ或本氏烟的 EF1a (Genbank accession
no: AF120093. 1) 分别做为内参基因ꎮ 用 SYBR
master mix (TaKaRa) 试剂盒ꎬ在 ABI 7500 Real ̄
time PCR system 荧光定量仪上采用 SYBR greenⅠ荧
光染料法进行 qRT-PCR分析ꎬ采用相对定量 2-△△Ct
法[21]分析基因的转录水平表达情况ꎮ 实验设计 3
个生物学重复ꎮ 本实验用到的引物见表 1ꎮ
1.8  进化树及启动子序列分析
    启动子所包含的顺式元件的分析和预测ꎬ用在线
软件 PlantCARE (http: / / bioinformatics.psb.ugent.be /
webtools / plantcare / html)[22]ꎮ 用 MEGA 4.0 软件[23]
并用邻接法来生成植物抗病反应蛋白的进化树ꎮ
1.9  数据统计分析
    用邓肯测验(P<0.05 Duncan’ s multiple range
tests)分析 GUS酶活数据ꎮ
2  结果与分析
2.1  一个大豆疫霉诱导表达基因的鉴定
    Zhou 等[24]最近利用基因芯片技术分析了不
同大豆品种在疫霉侵染后的基因表达情况ꎬ结果表
明几乎所有大豆基因的表达都受到疫霉侵染不同
程度地调节ꎮ 根据该基因芯片数据ꎬ我们筛选了
42个可能受疫霉诱导高度表达的基因(结果未发
表)ꎬ其中一个为 GmaAffx.76384.1.S1_s_a ꎬ在大
豆疫霉侵染后的 3 d 和 5 dꎬ该基因在 3 个不同的
大豆品种中均受疫霉高效诱导上调表达(图 1 ̄A)ꎮ
序列比对发现ꎬ该 EST 为预测的大豆基因 Gly ̄
ma01g31730.1 的一个片段ꎮ 为了进一步验证该基
因是否受大豆疫霉诱导早期表达ꎬ我们采用游动孢
子接种的方法ꎬ并在接种后的 0、0.5 和 2 h 分别取
样ꎬ通过 qRT ̄PCR 的方法分析其表达特征ꎮ 结果
表明ꎬ与 0 h 未接种相比ꎬ该基因能在接种后的
0.5 h上调表达 7倍左右ꎬ在接种后的 2 h上调表达
30 倍左右(图 1 ̄B)ꎮ 由此可见ꎬ大豆基因组中编
号为 Glyma01g31730.1 的基因是一个在大豆疫霉
侵染早期高效表达的基因ꎮ
2.2  大豆疫霉诱导表达基因的功能分析
    为了进一步研究该基因ꎬ我们从大豆基因组库
中下载了该基因的全长序列ꎬ通过生物信息学方法
预测其功能ꎮ 结果发现该基因的开放阅读框为 570
bpꎬ基因内没有内含子序列ꎬ编码一个含 189个氨基
酸残基的蛋白质ꎬN端的前 22个氨基酸残基组成信
号肽序列ꎮ 该蛋白与已知的蓖麻、拟南芥、苜蓿、芜
菁等植物来源的抗病相关蛋白[25~27]有很高的同源
性(图 2 ̄A)ꎬ其中与苜蓿中的抗病相关蛋白
(MtDRRP2)的相似性达到 54.3%ꎮ 用 SMART在线
分析系统进一步分析其结构域ꎬ发现其蛋白序列从
44位到 188位氨基酸的区域能形成完整的抗病反应
蛋白 所 特 有 的 结 构 域 ( dirigent ̄like protein )
(图 2 ̄B)ꎮ 这些结果表明ꎬ该基因编码大豆中的一
个抗病相关蛋白ꎬ我们将其命名为 GmDRRPꎮ
06
 
  1期 柴春月ꎬ等:大豆中疫霉诱导性 GmDRRP基因启动子的克隆与功能分析
Fig. 1  Relative expression of GmDRRP gene
A: Relative expression levels of GmDRRP gene in microarray dataꎻ B: Induced expression of GmDRRP gene in soybean roots.
Fig. 2  Bioinformatic analysis of GmDRRP
A: Neighbor-joining phylogenetic tree of plant DRRPs. The tree was constructed from the ClustalW alignment
using the neighbor-joining method of the MEGA programꎻ B: Conserved protein domain of soybean DRRP.
2.3  预测 GmDRRP基因启动子的顺式元件及激
素诱导表达分析
    我们克隆该基因转录起始位点上游的 1 590
bp为启动子区ꎬ并用 PlantCARE 在线软件预测启
动子区所包含的顺式元件ꎮ 结果表明ꎬ在 Gm ̄
DRRP基因启动子区主要包含 3 类顺式作用元件
(图 3):第一类是基础表达元件包括 CAAT ̄box 和
TATA ̄boxꎬ说明 GmDRRP启动子是一个典型的由
16
 
植物病理学报 45卷
RNA聚合酶 II结合的启动子ꎻ第二类是包括已经
研究报道很多的病原诱导性顺式作用元件ꎬ如有
13个 GT-1ꎬ6 个 WRKYꎻ第三类是激素诱导反应
顺式作用元件ꎬ如一个生长素诱导相关的 Arfꎬ赤
霉素诱导相关元件包括 14 个 Dof、1 个 GARE、2
个 MYB 等ꎬ一个 ABA 诱导相关的 ABREꎮ 由此
推测ꎬGmDRRP 启动子可能是一个受生物因素和
非生物因素诱导表达的启动子ꎮ
    由于该启动子中包含有一些响应激素诱导的
顺式元件ꎬ我们检测了该基因是否也同时受激素诱
导ꎮ 将生长 7 d 的大豆苗根部分别浸泡在以下 5
种激素中:水杨酸(SA)ꎬ茉莉酸甲酯(MeJA)ꎬ脱
落酸(ABA)ꎬ乙烯(ETH)和赤霉素(GA3)ꎬ以清水
作为对照ꎬ3 h 后取样ꎬ提取总 RNAꎬ用荧光定量
PCR方法检测该基因受不同激素诱导后转录水平
的表达(图 4)ꎮ 结果显示ꎬ用不同激素处理后ꎬ该
基因的表达量均低于对照水平ꎬ说明该基因的表达
受到了激素的抑制ꎮ
2.4  烟草瞬时表达体系中 GmDRRP 启动子诱导
表达能力的验证
    为了进一步研究 GmDRRP启动子的诱导表达
能力ꎬ我们克隆了 GmDRRP 基因转录起始位点上
游 1 590 bp的片段ꎬ将其构建在 pMDC162 载体上
(图 5 ̄A)ꎬ由农杆菌(GV3101)介导瞬时表达烟草
(本氏烟)叶片 72 h 后ꎬ剪下叶片并浸泡在辣椒疫
霉游动孢子悬浮液中ꎬ在处理前期取样ꎮ 化学组织
染色的结果表明(图 5 ̄B):与阴性对照(35S mini
启动子)相比ꎬGmDRRP启动子能在瞬时转化烟草
叶片上驱动报告基因的表达ꎬ并且在疫霉接种过程
中其表达程度增强ꎻ但与阳性对照(35S强启动子)
组成性启动子相比ꎬ其表达能力稍弱ꎮ 进一步通过
测定样品中 GUS 酶活来量化这种变化(图 5 ̄C)ꎬ
结果表明ꎬ与未接种样品相比ꎬGmDRRP 启动子能
在接种后的 0.5 h驱动报告基因上调表达 4.7倍ꎬ在
接种后的 2 h驱动报告基因上调表达 5.6倍ꎮ 在阴
性对照样品中几乎检测不到 GUS酶的活性ꎬ在阳性
对照样品中ꎬ组成性表达的35S启动子能持续驱
Fig. 3  The predicted cis ̄elements in the promoter region of GmDRRP
The translational start sites (+1) are shown under ATG. Upstream of the translation start sites (+1)
is the promoter sequence. The promoter motifs with significant similarity to the previously identified cis ̄acting
elements are shaded and the names are given under the elements.
26
 
  1期 柴春月ꎬ等:大豆中疫霉诱导性 GmDRRP基因启动子的克隆与功能分析
Fig. 4  Effect of the tested hormones on accumulation of soybean GmDRRP transcripts
Fig. 5  Induction of the GmDRRP promoter upon Phytophthora
capsici infection in Nicotiana benthamiana leaves
A: Scheme of the pathogen ̄induced promoter Gus fusion constructs. B: Histochemical GUS staining of GmDRRP: GUS
constructs in N. benthamiana leaves. C: Enzymatic assay of GUS activity in expanded 6 ̄week ̄old N. benthamiana leaves.
Experiments were done in triplicate with error bars showing the standard error.
动报告基因的高水平表达ꎬ并且其表达活性高于
GmDRRP启动子ꎮ 以上结果说明ꎬ烟草瞬时表达
体系中ꎬGmDRRP 启动子能在疫霉的诱导下驱动
报告基因的上调表达ꎮ
2.5  大豆根毛转化体系中 GmDRRP 启动子诱导
表达能力的研究
    为了进一步研究该启动子是受疫霉诱导表达
的ꎬ我们将这些植物表达载体ꎬ通过发根农杆菌
(K599菌株)介导法稳定转化大豆(Williams)根
毛ꎬ用大豆疫霉游动孢子接种ꎬ检测 GmDRRP 启动
子在大豆根毛中驱动报告基因的表达情况ꎮ 图 6A
显示了对转基因根毛化学组织染色的结果ꎬ表明
GmDRRP启动子能在转基因大豆根毛中持续驱动
报告基因的表达ꎬ并且随着疫霉接种的时间延长而
活性增强ꎮ 在阴性对照中没观察到颜色变化ꎬ而在
阳性对照的根毛中有较强的颜色变化ꎮ 测定 GUS
酶活表明 GmDRRP启动子在接种后的 0.5 hꎬ其表
达能力提高到对照的 2.8 倍ꎬ在接种后 2 h 其表达
能力提高到对照的 3.1 倍(图 6 ̄B)ꎮ 上述实验结
36
 
植物病理学报 45卷
果说明ꎬ在大豆根毛稳定表达体系中 GmDRRP 启
动子能在疫霉的诱导下驱动报告基因的诱导表达ꎮ
2.6  GmDRRP启动子的缺失突变体分析
    为了进一步找到启动子中控制其诱导表达的
顺式元件或 motifꎬ我们结合前面对启动子区所包
含的已知和未知的顺式元件的生物信息学分析结
果ꎬ直接将启动子截分为不同长度的小片段(图
7)ꎬ并将这些小片段分别构建在 pMDC16235S-mini载
Fig. 6  Validation of GmDRRP promoter function in soybean hairy roots
A: Histochemical staining of GUS activity in transgenic soybean hairy roots.
B: Enzymatic assay of GUS activity in multiple soybean hairy roots.
Fig. 7  The overall results of the small fragments analysis of
the soybean GmDRRP gene promoter
A: The indicated fragments were inserted upstream of the -46 CaMV 35S promoter in pMDC162 ꎻ
B: Structural mapping of fragments is presented schematically with a line representing the portion of sequence.
The enzymatic activities upon infection of the corresponding fragments are shown at the right.
Means that have different letters at the right are significantly different (P< 0.05 Duncan’s multiple range tests) .
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  1期 柴春月ꎬ等:大豆中疫霉诱导性 GmDRRP基因启动子的克隆与功能分析
体中(图 5 ̄A)ꎮ 瞬时表达烟草后ꎬ检测 GUS酶活ꎮ
结果 显 示ꎬ 只 有 小 片 段 A ( - 1 590 bp 至
-1 368 bp)表现出部分疫霉诱导表达能力ꎬ能在接
种后 2 h 驱动报告基因上调表达 1.9 倍ꎬ与全长启
动子在诱导后 2 h 上调表达 5.6 倍相比ꎬ其诱导表
达能力达到全长的 34%ꎬ依据邓肯分析(P < 0.05
Duncan’s multiple range tests)结果ꎬ在 P < 0.05的
水平下其活性显著高于其余小片段ꎮ 在小片段 A
中包含了四个已知的与病原诱导相关的 GT ̄1 元
件[28]ꎬ一个与赤霉素诱导相关的 Dof 元件[29]ꎬ一
个WRKY转录因子结合区域[30]ꎬ一个与生长素诱
导相关的 Arf 元件[31]ꎮ 对 GmDRRP 基因启动子
缺失突变的研究表明ꎬ片段 A 具有一定的疫霉诱
导表达能力ꎬ但仍然低于全长启动子的活性ꎬ说明
该启动子诱导表达活性可能由整个片段决定ꎬ没有
明显的有高活性的区域ꎮ
3  讨论
    到目前为止ꎬ在大豆上已报道 22 个疫霉侵染
诱导表达的基因ꎬ这些基因多为侵染后期受诱导表
达[24ꎬ 32ꎬ33]ꎮ 在本研究中ꎬ发现大豆的抗病相关基
因 GmDRRP能在疫霉侵染后的 0.5 h就上调表达ꎬ
在 2 h表达量就达到较高水平ꎬDRPP 存在于许多
植物中ꎬ并与植物的防卫反应相关ꎮ 我们进一步克
隆其启动子区ꎬ构建植物表达载体ꎬ通过烟草瞬时
表达和大豆根毛稳定转化体系ꎬ进一步研究了启动
子的疫霉诱导表达能力ꎬ发现它能在疫霉侵染后的
0.5和 2 h 驱动报告基因的高效表达ꎮ 有意思的
是ꎬ我们发现在转化表达体系中ꎬGmDRRP 基因启
动子驱动报告基因受疫霉诱导表达能力弱于
GmDRRP基因启动子在大豆中驱动内源基因的表
达ꎬ分析其原因可能是因为启动子驱动内源基因的
表达与驱动外源报告基因表达是不同的ꎬ其机制还
尚不清楚[34]ꎮ 另外ꎬ我们还发现在烟草实验体系
中ꎬ该启动子驱动报告基因的表达都有一定的背景
信号ꎬ也就是在接种 0 h的样品中也能检测到报告
基因的表达ꎬ我们分析其原因可能是在农杆菌注射
过程中ꎬ对叶片造成了伤害ꎬ而有研究证明很多病
原诱导性启动子也受伤口的诱导[35]ꎮ
    在大豆抗疫霉基因工程中ꎬ关于大豆疫霉诱导
性启动子的研究ꎬ报道相对较少ꎮ 本实验室还筛选
到一个大豆中的多酚氧化酶(GmaPPO12)基因启
动子ꎬ该启动子能在疫霉侵染早期高效的驱动报告
基因 GUS的诱导表达[36]ꎮ 在用同与本研究的激
素处理时ꎬGmaPPO12启动子表现出受 ABA 的诱
导上调表达ꎬ受其它四种激素的抑制ꎮ 而GmDRRP
这个抗病相关基因启动子同样是一个在疫霉侵染
早期诱导表达的ꎬ只是其诱导能力弱于GmaPPO12
启动子ꎮ 在用激素处理时ꎬGmDRRP启动子表现
了受激素的抑制ꎬ但其受抑制的原因还尚不清楚ꎮ
    为了寻找启动子中调控其疫霉诱导表达的核
心序列ꎬ我们根据启动子中所包含顺式元件的生物
信息学分析结果ꎬ将启动子截成不同长度的小片
段ꎬ进一步对小片段的疫霉诱导活性进行分析ꎬ结
果显示ꎬ只有-1 590至 -1 368 bp区域具有相对较
高的疫霉诱导活性ꎬ但总体这些缺失后的小片段疫
霉诱导活性都明显低于全长启动子ꎬ说明该启动子
诱导表达活性由整个片段决定ꎬ没有明显的有高活
性的区域ꎮ
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