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Overexpression and Phenotype Analysis of GH3.9 Gene in Arabidopsis thaliana

拟南芥GH3.9基因的过表达及其表型分析



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$
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&修改稿收到日期$
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基金项目$湖南省自然科学基金"
##112""!
#&湖南省生物发育工程及新产品研发协同创新中心"
!"#%&&(,
#
作者简介$周
!
苹"
#3+!
#!女!硕士!实验师!主要从事生物化学与分子生物学研究
4)56.7
$
+,,#$("%
!88
*9:5
"
通信作者$刘选明!博士!教授!主要从植物分子生物学方向研究
4)56.7
$
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!
<0=*>?=*90
拟南芥
12$%&
基因的过表达及其表型分析

!
苹!唐冬英!郭
!
明!谭振华!赵小英!刘选明"
"湖南大学 生物学院!植物功能基因组学与发育调控湖南省重点实验室!长沙
&#""(!
#

!
要$为研究
!"%*3
基因在植物生长发育过程中的作用!利用
@A)BC@
成功克隆到
!"%*3
基因!该基因全长为
#+$"D
E
通过构建
E
4F2G)!"%*3
过表达载体转化拟南芥!获得过表达
!"%*3
基因纯系转基因株系
!"%#3$%&%

!"%#3$%)+
对拟南芥野生型"
HA
#和转基因株系"
!"%#3$%&%

!"%#3$%)+
#幼苗用不同光强和光质进行处
理!结果显示$在蓝光(红光(远红光等不同光照强度下培养!过表达株系幼苗下胚轴的生长均明显受到抑制!且较
野生型明显&采用不同光周期处理拟南芥幼苗!过表达幼苗下胚轴的伸长明显低于野生型&对成年植株表型进行观
察!发现过表达株系植株矮小(雄蕊变短(果荚短小研究表明$
!"%*3
基因参与了拟南芥生长发育调控!过表达
!"%*3
基因对拟南芥生长有抑制作用
关键词$拟南芥&
!"%*3
基因&过表达&表型分析
中图分类号$
I+($
&
I+(3
文献标志码$
2
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,
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3,
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E
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&
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!!
植物生长素能够诱导一些基因快速高表达!这
些基因被称为生长素早期响应基因"
E
U.56U
P
)U>)
/
E
:0/>
N
>0>/
#
)
#
*
一般在生长素处理后
!
"
%5.0
就能检测到基因的表达!进而调控植物相关基因的
后续表达!影响植物的生长发育)!*植物的
!"%
基因是一种典型的植物生长素早期响应基因)%*第
一个
!"%
基因于
#3(+
年在大豆中被发现!后来又
陆续在水稻(拟南芥等植物中发现
!"%
基因家族
成员目前在拟南芥的基因组中包括
!"

!"%

因!据其序列的相似性分为
%
个亚族)&*拟南芥大
部分
FK%
蛋白都具有一种或多种植物生长素的氨
基酸化合成酶活性)$),*!并参与光信号反应途径)+*
氨基酸化的生长素不具有生物活性!其中部分可以
经蛋白水解酶水解成活性生长素!另外一部分被分
解代谢
FK%
蛋白的氨基酸化合成酶的作用和蛋
白水解酶的共同作用维持了拟南芥体内生长素的动
态平衡)(*
!"%*3
基因位于拟南芥的
!
号染色体上!属于
!"%
基因家族的
TT
类!能催化
T22
腺苷化以及与
氨基酸的连接研究表明!
"%*3
基因的功能缺失
突变体仅表现为初生根伸长!对
T22
敏感性增强!
在形态上没有多大变化)3)#"*本研究通过构建拟南

!"%*3
基因的过表达载体!获得了过表达的纯
合株系!并从光质(光强(光周期等方面对拟南芥下
胚轴发育的影响进行了分析!以期探讨该基因是否
参与了拟南芥光信号反应途径和生长发育调控
#
!
材料和方法
<*<
!

!

本实验所用的野生型拟南芥 "
()*+,$
-
.+.
/0)1+)2)
#为
C:7=5D.6)&
生态型
<*=
!

!

<*=*<
!
拟南芥材料的收集和处理
!
将拟南芥种子

+$^
酒精浸泡
%"/
!再用
#"^ O6C7L
浸泡
#"
5.0
!吸出浸泡液后!用无菌水洗
&
"
,
次!放入
&_
冰箱处理
&?

"*#^
琼脂悬浮种子!然后直接将种
子播在含
"*(^
琼脂的固体
Q`
培养基表面!置
!!
_
光照培养箱培养用于观察成年植株表型的拟南
芥!直接播种在土壤中!
!_
长日照培养室培养
<%=%=
!
>?4
提取和
9@?4
合成
!
收集
#,?
的野生
型拟南芥幼苗!用
@O2>6/
P
Q.0.W.X
按照说明提取

@O2
!采用
Q)QSa
逆转录系统合成
9GO2
!用
作目的基因克隆的模板根据
A6.U
"
E
$%%
6U6D.)
?:
E
/./*:U
N
%#中公布的拟南芥基因组序列设计
BC@
扩增引物!上游引物
Z
#
"
$b)CCF22AAC2AFF2A)
FA22AF22FCAAF2AC2CF)%b
!引入
34$@
#

切位点#和下游引物
@
#
"
$b)AAFF2ACCAC2AF)
F22CCC22FACFFFAC)%b
!引入
5)6K
#
酶切
位点#反应条件为$
3$_
预变性
$5.0
!
3$_
变性
%"/
!
$(_
退火
%"/
!
+!_
延伸
##"/
!
%(
个循环!
+!
_
延伸
$5.0
扩增后的产物取
#"
$
S
进行琼脂糖
凝胶电泳分析
<*=*$
!
植物过表达载体的构建
!
根据回收试剂盒
操作指南回收
BC@
产物!将纯化的已回收
BC@

段与
E
F4Q)A
载体连接!连接产物转化大肠杆菌
GK$
%
!经蓝白斑筛选鉴定!将阳性克隆送上海生物
工程技术有限公司测序!所得序列分别在
A2T@

F>0[60c
进行
[76/X
对比分析将测序正确的质粒

E
4F2G
载体进行
34$@
#

5)6K
#
双酶切!分
别纯化回收
E
4F2G
载体线性片段和
!"%*3
基因
片段!然后用
A
&
连接酶连接!构建成由
%$`
启动子
驱动的含有
!"%*3
基因的植物表达载体产物转
化大肠杆菌
GK$
%
!并在含有卡那霉素(利福平的
S[
平板中筛选!获得阳性克隆
<*=*A
!
农杆菌转化和过表达纯合子的筛选
!

E
4F2G)!"%*3
阳性重组质粒
#
$
S
和农杆菌
Fa%#"#
感受态
&"
$
S
混合!然后转移到预冷的电
击杯小槽内电击菌液涂布于含有卡那霉素
$"
$
N
%
5S
(利福平
$"
$
N
%
5S

S[
平板上!
(_
培养
!
"
%?
扩大培养后进行菌液
BC@
验证采用花
序浸泡法转化拟南芥!成熟期收取转基因种子
种子经表面消毒!置于
&_
冰箱冷处理
&?

种在培养土中!待长出
!
片真叶!喷洒
#d#"""

[6/X6
除草剂进行筛选!利用
!"%*3
基因特异性引
物!通过
@A)BC@
对具有
[6/X6
抗性的阳性植株进
行鉴定!筛选
!"%*3
基因过表达转基因株系
<%=%B
!
半定量
>CD0E>
分析
!
采用
@O2>6/
P
Q.0.W.X
提取总
@O2
!采用
Q)QSa
逆转录系统合

9GO2

9GO2
稀释
#"
倍!
"
$
SBC@
反应体
系中加
#
$
S
稀释的
9GO2
模板用
@A)BC@
半定
量检测
!"%*3
基因的
5@O2
水平!以持家基因
4/+2!

BC@
产物作为分子内标"表
#
#
BC@

应程序为$
3&_
预变性
$5.0
&接着
3&_
变性
%"/
!
$$_
退火
%"/
!
+!_
延伸
##"/
&循环数为
%$

反应结束后!取
#"
$
SBC@
反应液!在
#*"^
琼脂糖
凝胶上进行电泳
@A)BC@
反应及电泳重复
%

<*=*F
!
不同光照强度处理拟南芥幼苗
!
野生型和
过表达植株的种子播种后直接放置于光强度为
"*#
(

<
!
>CD0E>
引物
A6D7>#
!
@A)BC@
E
U.5>U
引物名称
BU.5>U065>
引物序列
BU.5>U/>
8
=>09>
"
$b
#
%b
#
!"%#37 FCAAF2AC2CF2C2FAFA2AA2
!"%#38 FFAC2CF2FFFCA222F2
4/+2!7 C2CAFAFCC22ACA2CF2FFFA
4/+2!8 C2C222CF2FFFCAFF22C22F
$$&
%

!!!!!!!!!!!!!

!
苹!等$拟南芥
!"%*3
基因的过表达及其表型分析
#*"
(
#"*"
(
#""*"
$
5:7
+
5
!
+
/
#的蓝光(红光(远
红光及黑暗条件下培养!各取
!"

,
日龄幼苗!测
量下胚轴长度
<*=*G
!
不同光周期处理拟南芥幼苗
!
野生型和过
表达植株的种子播种后直接置于不同光周期处理!
!!_
恒温培养!随后各取
!"

+
日龄幼苗!测量下
胚轴长度长日照处理为
#,<
光照!
(<
黑暗&短日
照处理为
(<
光照!
#,<
黑暗
!
!
结果与分析
=%<
!
12$%&
基因的
9@?4
合成
以拟南芥
C:7)&
野生型总
@O2
反转录产物
9GO2
为模版!
BC@
扩增
#+$"D
E

!"%*3
基因
全长!经琼脂糖凝胶电泳分析!扩增片段条带大小与
理论大小一致"图
#
#!说明利用
@A)BC@
已成功克
隆到
!"%*3
基因

#
!
!"%*3
基因扩增
Z.
N
*#
!
F>0>65
E
7.Y.96X.:0:Y!"%*3
#*GO256Uc>U
&
!*!"%*3
&
%*??K
!
L
=%=
!
12$%&
基因过表达突变体的构建及验证

BC@
扩增得到的
!"%*3
基因参照
#*!*%

案导入到过表达载体
E
4F2G
中!随后将筛选得到

E
4F2G)!"%*3
阳性重组质粒转入 农杆菌
Fa%#"#
中用农杆菌浸花法转化拟南芥!经卡那
霉素(利福平筛选获得纯合的过表达转基因株系用
于后续实验以
4/+2!
为内参!采用半定量
@A)
BC@
方法比较野生型和转基因植株
!"%*3
的表达
情况!发现
!"%*3
基因确实在转基因植株中超表
达"图
!
#
=%$
!
不同光处理对
12$%&
基因过表达转基因拟南
芥幼苗下胚轴伸长的影响
=%$%<
!
不同光强和光质处理结果的比较
!

%

示!不同强度蓝光(红光(远红光处理后发现!在黑暗
状态及
"*#
$
5:7
+
5
!
+
/
#弱光照射下!过表达和
野生型拟南芥幼苗下胚轴生长没有明显不同强光
下!和野生型相比!过表达株系下胚轴的伸长受到

!
!
转基因植株的
@A)BC@
鉴定
#*
野生型拟南芥"
HA
#&
!
(
%*
过表达植株
!"%#3$%&%

!"%#3$%)+
Z.
N
*!
!
@A)BC@.?>0X.Y.96X.:0:YXU60/
N
>0.9
E
760X
#*H.7?)X
PE
>
"
HA
#&
!
!
%*LV>U>;
E
U>//.:0
E
760X
!"%#3$%)%60?!"%#3$%)+

%
!
不同光处理下拟南芥幼苗下胚轴生长
2*
蓝光&
[*
远红光&
C*
红光
Z.
N
*%
!
K
PE
:9:X
P
7
N
U:\X<:Y#/0)1+)2)/>>?7.0
N
/.0?.YY>U>0X7.
N
2*[7=>7.
N
&
[*Z6UU>?7.
N
&
C*@>?7.
N
,$&
西
!

!

!

!

!

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

更强的抑制"图
%
#可见!
!"%*3
基因的过表达突
变体!对强光抑制下胚轴的伸长更加敏感!推测
!"%*3
基因可能参与植物的光信号转导
=*$*=
!
不同光周期处理的比较
!
野生型和过表达
植株的种子播种后!分别在长日照"
#,<
光照!
(<
黑暗#和短日照"
(<
光照!
#,<
黑暗#条件下培养
结果"图
&
#表明!与野生型相比!无论是哪种光周期

&
!
不同日照条件下拟南芥幼苗各材料下胚轴长度比较
""
*
表示转基因和对照植株存在显著性差异!
/
检验
9
$
"*"#
&下同
Z.
N
*&
!
K
PE
:9:X
P
77>0
N
X<:Y#/0)1+)2)/>>?7.0
N
/
=0?>U?.YY>U>0X7.
N
""
/X60?Y:U/.
N
0.Y.960X?.YY>U>09>D>X\>>0XU60/
N
>0.9
60?9:0XU:7
E
760X6X"*"#7>V>7U>/
E
>9X.V>7
P
!
/)X>/X9
$
"*"#
&
A<>/65>6/D>7:图
$
!
长日照条件下拟南芥花各材料的
雄蕊和雌蕊长度比值
Z.
N
*$
!
X`65>07>0
N
X<
%
E
./X.77>0
N
X<:Y
#/0)1+)2)Y7:\>U.0SG9:0?.X.:0

,
!
拟南芥各材料果荚长度比较
Z.
N
*,
!
#/0)1+)2)/.7.
8
=>7>0
N
X<
下!过表达幼苗的下胚轴伸长都受到明显抑制"图版
#
!
2
(
[
#
=%A
!
12$%&
过表达转基因拟南芥表型分析
长日照培养下!收集成熟花
!"
朵!雄蕊和雌蕊
长度比"图
$
#显示!过表达转基因拟南芥的雄蕊明
显变短"图版
#
!
C
#从成熟植株上直接收集成熟
的果荚各
!"
个!测量果荚长度!结果"图
,
#表明!野
生型果荚要比过表达株系果荚长"图版
#
!
4
#!且过
表达植株明显矮小"图版
#
!
G
#推测
!"%*3
基因
过表达严重影响了植物的生长发育
%
!

!

光和生长素是影响植物生长发育的重要因素
其中!光调控转录因子与植物对生长素的反应相关!
而生长素调控基因突变会影响光信号的传递作为
生长素早期响应基因!一方面
FK%
蛋白通过调节
游离生长素的浓度来实现对活性生长素的调控)&*!
这是因为
FK%
蛋白具有生长素氨基酸化酶活性!
可以将氨基酸结合到生长素上!使其失去活性!以维
持植物体内生长素的动态平衡)$*&另一方面!
FK%
蛋白还参与光信号转导途径!通过影响植物对光的
吸收来影响植物的生长发育)(*通过对部分
!"%
基因过表达突变体研究发现!他们的表型跟野生型
相比都有很明显的区别!例如根系变短(侧根变少(
植株矮小)##)#!*
!"%*3
基因作为拟南芥
!"%
基因家族
!"

基因中的第
3
号基因!目前对它的研究尚不够深入
我们通过前期对
!"%*3
基因的生物信息学分析发
现!
"%*3
基因的转录调控区域存在大量与光反应
相关的调控元件!如
F)D:;
(
FA#)5:X.Y
(
ACA)5:)
X.Y
(
F2)5:X.Y
!推测植物
!"%*3
基因参与了光信号
转导途径本研究通过构建过表达
!"%*3
载体!
筛选得到纯系过表达
!"%*3
植株结果发现$在
蓝光(红光(远红光等不同光照强度培养下!过表达
植株幼苗下胚轴抑制均较野生型明显&而黑暗情况
下!
"%*3
基因过表达幼苗下胚轴发育与野生型相
比无明显差异进一步证明了该基因参与光对拟南
芥生长发育的调控同时还发现!正常光照下过表

!"%*3
植株果荚短小(雄蕊变短(植株矮小!表
明植物各个器官的生长发育均受抑制推测过量表
达的
FK%*3
蛋白除了通过光信号转导途径!还通
过催化过多的游离生长素氨基酸化影响植物体内生
长素动态平衡!进而抑制生长素信号途径!导致拟南
芥形态的变化和生长发育抑制我们的后续实验将
+$&
%

!!!!!!!!!!!!!

!
苹!等$拟南芥
!"%*3
基因的过表达及其表型分析

!"%*3
基因的光以及生长素信号转导途径的具 体调节机制进行深入探讨
参考文献!
)
#
*
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!
涛#!
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