全 文 :书西北植物学报!
"#! " % #
#&()#&%
!"#%&#%&()*+,""-.)/#0-/
!!
文章编号 #"""*"!( " !"#
#
"%*#&(*"(
收稿日期 !"#*"+*"(
%修改稿收到日期 !"#*"&*" 基金项目河北省自然科学基金"
,!"##"("!!
#%国家自然科学基金"
##"##(( #%&十二五农村领域国家科技计划项目" !"##-./"+-"# # 作者简介袁进成"
#%&")
#!男!副教授!主要从事植物种质资源方面的研究(
0*1234
567 89 : ! #+;:<1
"
通信作者刘颖慧!教授!主要从事分子生物学研究( 0*1234
4==4
8
(#%
!
#!+;:<1
玉米脱氢抗坏血酸还原酶基因的克隆和特性研究
袁进成!马海莲!宋晋辉!宋小青!刘颖慧"
"河北北方学院!河北张家口
"&("""
#
摘
!
要通过电子克隆方法得到玉米脱氢抗坏血酸还原酶基因!命名为 !"#%&#
(结果显示!
!"#%&# 基因 全长 &!>
?
!开放阅读框
+!>
?
!编码
!#
个氨基酸(
!"#%&# 基因与高粱)水稻及小麦等植物的脱氢抗坏血酸 还原酶基因高度相似!其中与高粱的 #%&
基因相似性为
@(A
!与水稻的
#%&# 基因相似性为 @A
(基因表
达分析显示!
"#%&# 基因在根以外的其他部位都可以检测到表达!而且 !"#%&#
基因可以在
B
低温)
#""
"
1<4
*
C.-.
)
#""11<4
*
CD0E
)
!("11<4
*
CF2,4
和机械损伤等多种逆境胁迫下均可应答表达(研究表明!
!"#%&# 基因可能在玉米抗逆境胁迫反应中发挥重要的作用( 关键词玉米%
#%& 基因%诱导表达%逆境胁迫 中图分类号
G&@%
文献标志码 . !"#%&&()%&*)"+,)-)(%#-&.)%&**)/#, 0 "-*)1(*-2)%# 3#"4(%)1#5##&6)&.# " 1)2$
3
478
#
HI.FJ35:K=5
L
!
M.N234325
!
OPFEJ35KQ3
!
OPFER32<
S
35
L
!
CTIH35
L
KQ3
"
"
N=>=3F
!
YK25
L9
326!
N=>=3"&("""
!
,K352
#
921%-)(%
$
/=K
8
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=
"
/N.[
#
?
42
8
X2:UQ:324U<4=351235V23535
L
2X:3:2:3Z
"
.X.
#
4=W=4
35
?
425V;\<=4Q:3Z2V=VK=U<4=X<]#%& L =5= ! =^:4<5=Z25Z:K2U2:V=U3_=Z2#%&
L
=5=35123_=;\K=
#$%&=5:
=5U=2Z35
L
]U21=<]!#2135<2:3ZX;\K=:<1
?
2U3X<5<]123_=#$%&X=
S
Q=5:= 3^VK
XL
KQ1
!
U3:=25Z K^=2VXK<^ =Z2X3
L
53]3:25V:<5X=UW2V3<525ZK3
L
KX31342U 3^VKVK=VKU==X
?
=:3=X
!
XQ:K2X
@(A3Z=5V3]3=Z 3^VKXL
KQ1#%&25Z@A3Z=5V3]3=Z 3^VKU3:=#%&# L =5=;DK 8 4< L =5=V3:2524 8 X3X35* Z3:2V=ZVK2VVK=#%&
?
U
XL
KQ1
!
K^=2V25ZU3:=
?
U
U=X*
X3<5
?
2VV=U5U=W=24=Z:<5XV3VQV3W==7
?
U=XX3<525Z2>3
4
8
35ZQ:=Z>
8
:<4Z
!
.-.
"
#""
"
1<4
*
C
#!
D0E
"
#""11<4
*
C
#!
F2,4
"
!("11<4
*
C
#
25Z <^Q5ZXVU=XX;.4V<
L
=VK=UVK=U=XQ4VX35
VK3X <^U6Z=1<5XVU2V=ZVK2VVK=#$%& 12
8?
42
8
2531
?
L
3:24U<4=35
?
425VXQ5Z=U2>3
:#
0
;*-"1
123_= % #%&
L
=5=
%
35ZQ:V3<5=7
?
U=XX3<5
%
2>3
抗坏血酸"
2X:3:2:3Z
!
.X.
#即维生素
,
"
3`*
V2135,
#!是在植物中丰富存在的小分子抗氧化物
质!是植物自身代谢必不可少的物质!在植物的抗氧
化反应)光合作用中发挥重要的作用(
.X.
还参与
植物细胞分裂)生长发育)细胞分化等多种生命过
程+#,!在植物的整个生长发育期均起着重要的作用(
同时抗坏血酸还作为某些重要酶类的辅因子在植物
的酶促反应中发挥作用!最近新的研究发现
.X.
也
可以作为信号因子在信号传递中发挥重要作用(
作为植物体内重要的还原剂之一!
.X.
的再生
体系在植物应答逆境胁迫反应中起到非常重要的作
用!
.X.
的再生不仅参与清除光合)呼吸过程中产
生的活性氧"
[PO
#!同时还参与维生素
0
的再生合
成!并作为多种酶的辅酶发挥作用+!,(在逆境条件
下!尤其是
[PO
产生时!
.X.
被氧化为脱氢抗坏血
酸"
Z=K
8
ZU<2X:2V=
!
/N.
#!
/N.
在脱氢抗坏血
酸还原酶"
/N.U=ZQ:V2X=
!
/N.[
#的催化下以谷
胱甘肽"
EON
#为底物!催化脱氢抗坏血酸还原为
.X.
!
/N.[
在循环利用
.X.
)保护细胞组分)抵御
氧化损伤中发挥重要作用+,(因此! /N.[ 在植物 适应逆境条件下维持 .X. 的动态平衡非常重要+,( .X. 作为植物体内重要的还原剂之一!不仅参 与清除植物光合)呼吸作用产生的活性氧!还参与维 生素 0 的再生并作为多个酶的辅酶发挥作用(对 其合成)转化和利用!可以为人类提供丰富而方便的 维生素 , 源!因此受到越来越多的重视( /N.[ 在 维持植物内源 .X. 的动态平衡起着非常重要的作 用!所以对其功能和作用机制的研究报导很多+(*+,( 本研究在玉米中获得了 #%&
基因!并对其基因
特性和表达特征进行了初步研究!对了解其作用机
制及在抗氧化胁迫中的作用进行了探索(
#
!
材料和方法
<8<
!
1256!7<
基因的获得
前期!本课题组开展玉米抗旱机制研究!通过生
物信息学分析发现
E=5>256
中的一段序列"
E=5*
-256
-\"!((;# #和其他作物的 #%&
基因高
度同源!将该序列在
F,-T
"
KVV
?
$**
^^ ^;5:>3;
541;53K;
L
M.TY0E/-
"
KVV
?
$**
^^ ^;
123_=
L
Z>;L
*#以及
M.TY0O0GI0F,0
"
KVV
?
$**
^^ ^;123_=X=
S
Q=5:=;L
*#数据库中进行同源查
询!得到一个全长的
:/F.
!根据该序列设计引物进
行扩增"正向 (a*EE..,,.E..E,\..,,EE,* a
%反向 (a*EE.E\,,.,,.E\\.E,.,,.*a
#!
扩增反应条件为
%B
预变性
(135
!
%B"X ! (+ B"X
!
&!B%"X
!
( 个循环! &!B 延伸 (135 (最 终从玉米中获得了 !"#%&
基因(
<;=
!
植物材料与处理
玉米播种于试验田中!分别取大田生长
#"Z
玉
米的叶片及幼根!以及花期玉米的幼穗和授粉
!"Z
后的籽粒!供提取不同组织
[F.
(同时剪取幼叶叶
片提取基因组
/F.
(用于胁迫处理的玉米播种于
营养土蛭石
#b 配置的基质中!种植在人工培养箱 中!生长 #"Z 的幼苗分别进行 B ) #"" " 1<4 * C .-. ) #""11<4 * CD0E ) !("11<4 * CF2,4 和机械 损伤的胁迫处理!分别处理 " ) # )
)
+
)
#!
)
!
和
"K
!
取处理后的幼苗经液氮冷冻后超低温保存!供提取
[F.
(
<8>
!
1256!7<
基因的表达分析
取不同材料及不同处理总
[F.
进行基因表达
分析(利用
M*MC`
"
T5W3VU<
L
=5
#反转录合成第一
链
:/F.
(取
#
"
L
总
[F.
按说明书操作!将反转
录产物稀释
"
)
(
)
#"
倍不同的梯度!摸索较好的模板
上样浓度!进行半定量
D,[
分析(
D,[
反应条件
为 %B135
!
%B"X ! (@B"X
!
&!B"X ! !@ 个循环!最后 &!B 延伸 (135 ( [=24*V31=D,[ 技术研究基因的诱导表达特性!根据 OH-[EU==5 S D,[OQ ? =UM37 " T5W3VU< L =5 #试剂盒的操作进行实 时定量 D,[ ! D,[ 的条件为
%(B(135
!
%B" X ! (@B"X
!
&!B"X ! ( 个循环!最后 &!B 延伸 (135 (同时对玉米看家基因 %()* 进行平行 D,[ 反应作为内参(扩增 %()* 基因引物 %+ ()**c " E,.\,.,.,,\\,\.,..,E. #和 %+ ()**[ " ,.E,,\EE.\.E,..,.\.,.#(扩 增 !"#%&
基因的引物
!"#%& 正义" E\\,* ,,..,\,,\\,\,\EE#和 !"#%&
反义"
\E*
,\,,\,EE.\EE,\\.E#(
<;?
!
生物信息学分析
利用
F,-T
以及
M23_=X=
S
Q=5:=
数据库分析对
基 因 进 行 比 对 分 析%利 用
,4QXV247
"
KVV
?
** X<]V#XVQZ2#:<1 * Z<^ 535]< * %(+#KV14
#软件对来源
于不同植物基因进行序列比对和聚类分析(用
0R*
D.OH
对蛋白结构和功能进行预测"
^^ ^;=7
?
2X
8
;
L
#(
!
!
结果与分析
=8<
!
1256!7<
基因的克隆及序列分析
本课题组前期开展干旱条件下玉米抗旱基因的
克隆和功能研究!通过
F,-T
及玉米基因组数据库
查询!得到一个全长的
:/F.
"
E=5-256
登录号为
-\"!((;# #!该序列和水稻及小麦等植物的脱氢 抗坏血酸还原酶" /N.[# #高度相似!命名为 !"+ #$%&# 基因( !"#$%&# 基因全长 &!$> ? !开放 阅读框 +!> ? !编码 !# 个氨基酸!理论等电点 ? T (;#( "图 # #( 将获得基因编码蛋白序列在 F,-T 数据库中比 +&# 西 ! 北 ! 植 ! 物 ! 学 ! 报 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!
卷
对发现!其与高粱的
#%& 基因编码蛋白序列"登录 号为 RM - ""!"&
#相似性为
@(A
!和水稻的
#%&# 编码蛋白序列"登录号为 .-"&%&"
#相似性
为
@A (聚类分析结果表明 !"#%&#
基因编码蛋
白序列和高粱的
#%& 基因编码蛋白序列聚在一起( 和其他植物!如水稻 /N.[# 蛋白序列" .-"&%&"
#!大
麦的
/N.[
蛋白序列"
.d(%!! #!小麦的 /N.[ " EG%""% #!二穗短柄草的 /N.[! 蛋白" RM - ""(+@%++
#以及高粱的
/N.[
蛋白"
RM
-
""!"+ # 的相似性都很高"图 ! )
#(通过分析基因的亲水性
以及二级结构表明!玉米的
!"#%&# 基因和其他 作物的基因在蛋白特性和结构上都是高度一致的! 即具有相同的疏水结构和相同的蛋白二级结构域 "结果未列#!这也表示该基因是一个保守性很强的 基因!这可能和其功能作用密切相关( =8= ! 1256!7< 基因在玉米中的表达情况 分别取大田出苗后生长 #"Z 玉米的叶子)茎和 图 # ! !"#%&#
基因电泳图
M;#"">
?
/F.42ZZ=U
%
#;!"#$%&#
基因产物%
!;
阴性对照
c3
L
;#
!
\K=D,[
?
U
=5=
M;#"">
?
/F.42ZZ=U
%
#;D,[
?
U
#)大麦
/N.[
"
.d(%!! #)小麦 /N.[ " EG%""% #) 二穗短柄草 /N.[! " RM - ""(+@%++
#)高粱
/N.[
"
RM
-
""!"+ #和高粱 /N.[ 类似蛋白" RM - ""!"&
#%图
$
同
c3
L
;!
!
,<1
?
2U3X<5<]VK=Z=ZQ:V=Z2135<2:3ZX=
S
Q=5:=X<]Y1/N.[#
?
U
425VX
.135<2:3Z1Q4V3
?
4=243
L
51=5V<]Y1/N.[# 3^VKK<1<4<
L
X]U<1
425VX
,- . /0102340/N.[# " .-"&%&"
#!
5-678"102348" /N.[ " .d(%!!
#!
(-32398"0712348" /N.[
"
EG%""%
#!
:-09;
.<
5638"/N.[!
"
RM
-
""$(+@%++
#
25ZV^ <=5-
>
;8"?395@5-/N.[
?
U
RM
-
""!"+ ! RM - ""!"&
#%
\K=X21=2Xc3
L
; &&# % 期 !!!!!!!!!!!! 袁进成!等玉米脱氢抗坏血酸还原酶基因的克隆和特性研究
幼根!及花期玉米的幼穗以及授粉
!"Z
后的籽粒!
提取不同组织的
[F.
!检测基因的表达情况(图
可见!
"#%&# 基因在植物根除外的其他部位都 可以检测到表达!该基因的表达量在叶片中是最高 的!通过定量分析!叶片中的表达量是茎的
倍!是
幼穗的
(
倍!是籽粒的
!
倍多(基因的表达结果表
明该基因在玉米的发育中有重要的作用!需要进一
步研究(
=8>
!
1256!7<
基因受多种逆境因子诱导表达
在不同胁迫处理中!可以看出玉米在处理
#
#
图
! 玉米 Y1/N.[# 和其他作物蛋白的进化树分析 分支上的数值表示每单位长度位点替代率 c3 L ;
!
DK
8
4<
L
=5=V3:VU==]
425V
?
U
XQ>XV3VQV3<5X
?
=UX3V=]
L
VK
图
!
!"#%&# 的表达模式 c3 L ; ! ,K2U2:V=U3_2V3<5<]!"#%&#
=7
?
U=XX3<535Z3]]=U=5VV3XXQ=X
图
(
!
!"#%&# 不同胁迫诱导表达情况 c3 L ;( ! 07 ? U=XX3<5 ? U<]34=X<]!"#%&#
2524
8
_=Z>
8
U=24*V31=D,[
"K
之间
!"#%&# 出现了上调表达"图 ( #(其 中诱导表达最强烈的是 .-. 处理!当处理到 +K 时!表达量达到最高!为对照的 ! #
倍!
.-.
处理
#!K
表达量显著降低!到
"K
表达量接近于对照(
从图
+
可见干旱对基因的表达量影响较小!在
D0E
处理
#!K
表达量达到最高!为对照的
#;(
倍(冷)
盐以及机械损伤都可以诱导基因的表达!而且在处
理的早期达到最高的表达量!如冷处理
K 基因表 达量达到最高!为对照的
倍!盐处理
+K
基因表达
量达到对照的
!; 倍!当机械处理 +K 时!基因的表 达量为对照的近
倍(从基因的诱导表达情况可
见!该基因是受多种逆境因子诱导表达的!而且在
诱导的早期基因对逆境因子做出快速的应答!因此
!"#%&# 基因可能在玉米抵抗逆境胁迫中发挥 重要的作用(
!
讨
!
论
.X.
作为一种重要的抗氧化剂!在植物细胞的
酶促反应和非酶促反应中均发挥重要作用!为了维
持植物体内
.X.
的平衡!其再生尤为重要(脱氢抗
坏血酸还原酶"
/N.[
#可以催化氧化态的抗坏血酸
/N.
还原成
.X.
!因此该酶对维系植物抗坏血酸
平衡和再生是非常重要的(
近年来!人们已经相继在小麦)烟草)水稻等植
物中克隆到
#%& 基因并进行深入研究+(*+,( !""" 年 d31 等从水稻中克隆到了 #%&
基因!并
研究了基因的特性和表达模式+&,(
H
等将水
稻的
#%& 基因过表达后在逆境条件下可以明显 提高 植 株 的 产 量+@*%,( ,K=5 等 分 离 出 小 麦 的 #%&
!并在烟草和玉米中进行表达后!检测结果
显示
#%& 表量高达 !
#
#""
倍! 种植物的抗氧
化系统功能明显增强+(,(同时!作为
/N.[
还原剂
的
EON
"谷胱甘肽#含量及其氧化还原水平也大为
提高(
OK312<62
等通过以
EON
为底物研究菠菜叶
绿体中
/N.[
的反应!发现
/N.[
反应特异性远
远高于动物酶类!并提出了
/N.[
的
?
35
L
*
?
<5
L
反
应机制!证明
/N.[
作为还原剂在抗氧化反应中起
重要作用(
H
#%& 基因 在抗离子胁迫中起作用+#",( 04V2 8 => 等研究表明 #%&
过表达可以增强植物对逆境环境的抵抗
力+,!如过表达小麦的
#%& 可以增强烟草对臭 氧的抵抗力!在烟草中表达人的 #%&
基因可以
增强烟草对高温和盐的抵抗力+#"*##,(
H35
等过表达
拟南芥细胞质
#%& !可以增强烟草对臭氧和干旱 @&# 西 ! 北 ! 植 ! 物 ! 学 ! 报 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 卷 的抵抗!提高植物抗氧化胁迫的能力+#!*#,(
人类等少数动物自身不能合成抗坏血酸!必须
通过食物获得(近年来!对
.X.
合成)代谢)功能)
调控)利用等方面研究日益广泛和深入!同时
.X.
含量也已成为衡量果蔬品质的标准之一(玉米不仅
是重要的食物来源也是重要的饲草作物!玉米中的
.X.
含量直接影响其品质!所以对其含量的研究有
重要的意义(玉米中的
.X.
还参与植物的抗逆境
胁迫反应!在逆境环境下起重要的作用!所以研究
.X.
合成关键酶有重要的意义(本课题从玉米中
获得了控制
.X.
合成的关键基因
#$%&
并对其转
录特性及诱导表达情况进行了初步研究!结果表明
该基因可以应答多种逆境因子!其具体的作用机制
还需要深入研究(
参考文献!
+
#
,
!
E.[,T.`
!
O\0` 0FO[
!
ETCC
!
720@;.535V=
L
U2V3W=
L
=5<13:X2
??
U<2:K]
K=U35
L
VK=:<1
?
4=735V=U2:V3<5X>=V^==52X:2V=1=*
V2><43X125Z]UQ3V
L
U<^VK25Z:<1
?
J
,
;-32A&74A:35279;B5@A
!
""%
!
$$!
$
#""&)#"!#;
+
!
,
!
GTF.
!
ONTG
!
HIR;.X:3:2:3Z:<5V=5VX35VU25X
L
=53:
?
425VX
U=XX35
L
V^
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=
L
=5=X
+
J
,
AC5@A
:35@A&7
<
A
!
!"##
!
@
#((&)#(++;
+
$
,
!
/0I\O,NJ,;/=K
8
ZU<2X:3:2:3Z
+
J
,
;DA;-5"025
>
-A%A
!
"""
!
@@#
!%%)"&;
+
,
!
0C\.H0-.0
!
d.e.FPF
!
-./.eTEN
!
720@;PW=U=7
?
U=XX3<5<]1<5
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=35VU25X
L
=53:V<>2::<:<5]=UX=5*
K25:=ZV<4=U25:=V<<_<5=
!
X24V25Z
?
<4
8
=VK
8
4=5=
L
4
8
:<4XVU=XX=X
+
J
,
;E@0B20
!
""&
!
!(
$
#!(()#!+;
+
(
,
!
,N0FY
!
HPIFE\0
!
CTFEJ
!
720@;T5:U=2X35
L
W3V2135,:<5V=5V<]
?
425VXVKUL
K=5K25:=Z2X:2V=U=:
8
:435
L
+
J
,
AE-59A*02@A%906A
5
F
=93AG=%A
!
"" ! #""
(!()(";
+,
!
YPI.C
!
CT-N
!
PIH.FE.-
!
720@;,4<535
L
25Z12
??
35
L
<]
L
=5=X35W<4W=Z35V<12V<2X:3:2:3Z>3
5VK=X3X25Z1=V2><43X1
+
J
,
A
E@0B2=93A
!
""+
!
#!"
$
#!")#!&;
+
&
,
!
I[.FPJ
!
F.d.E.e.!
M.dTH
!
720@;M<4=:Q42U:4<535
L
25Z:K2U2:V=U3_2V3<5<]2U3:=Z=K
8
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=
+
J
,
AHI:=AJ72+
27-1
!
"""
!
#
$
#"&)###;
+
@
,
!
,N0F
!
E.CCT0;T5:U=2X35
L
V<4=U25:=V<<_<5=>
8
=4=W2V35
L
]<432U2X:3:2:3Z:<5]=UX
L
U=2V=U
?
U
235XV<_<5=VK2535:U=2X35
L
2*
W<3Z25:=
+
J
,
AE@0B2E;
.
135@A
!
""(
!
#@
#+&$)#+@%;
+
%
,
!
HPIFE*O.0FEd
!
OIDd
!
MT*JIFE-
!
720@;N<1<4<
L
U=XX3<5<]:
8
V
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=35:U=2X=X
L
U235
8
3=4Z25Z
>3<12XXQ5Z=U
?
2ZZ
8
]3=4Z:<5Z3V3<5X35VU25X
L
=53:U3:=
"
,-
.
/0102340C;
9
2
?
<53:2
#+
J
,
AE@0B20
!
"# ! !
)@;
+
#"
,
!
HPONT/.O
!
\.M.PdTM
!
ONTd.FP!
720@;,
8
V
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=3X31
?
131
2;0@30B0
+
J
,
AE@0B27@@E;
.
135@A
!
""+
!
&
")"@;
+
##
,
!
0C\.H0-.0
!
d.e.FPF
!
-./eeTEN
!
720@;05K25:=ZV<4=U25:=V<<_<5=25ZZUL
KVXVU=XX=X35VU25X
L
=53:V<>2::<
U=XX35
L
Z=K
8
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=35:
8
V
J
,
;E;
.
135@AE@0B2
!
""+
!
#!&
$
(&)+(;
+
#!
,
!
HTFC
!
e.FEO
!
0C\.H0-.0
!
720@;PW=U=7
?
U=XX3<5<]Z=K
8
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=
!
>QV5
ZU<2X:2V=U=ZQ:V2X=
!
:<5]=UX
V<4=U25:=V<24Q135Q1XVU=XX35VU25X
L
=53:V<>2::<
+
J
,
;E@0B20
!
"#"
!
#
+"%)+!#;
+
#$
,
!
dePFOH
!
,NPTOM
!
.NFHP
!
720@;05K25:=ZXVU=XX*V<4=U25:=<]VU25X
L
=53:V<>2::<
?
425VX=7
?
U=XX35
L
2KQ125Z=K
8
ZU<2X:2V=
U=ZQ:V2X=
L
=5=
+
J
,
;DAE@0B2E;
.
135@A
!
"" ! #+"
&)(;
%&#
%
期
!!!!!!!!!!!!
袁进成!等$玉米脱氢抗坏血酸还原酶基因的克隆和特性研究