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Clone and Expression Analysis under Cold Stress of FeSOD Family Genes from the Wild Banana in Fuzhou

福州野生蕉FeSOD家族基因的克隆及在低温胁迫下的表达分析



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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基金项目$国家香蕉产业技术体系专项资金"
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#&福建省农业科技平台"
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作者简介$冯
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新"
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#!女!在读博士研究生!主要从事果树分子生物学研究
7*89.:
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通信作者$赖钟雄!博士!研究员!博士生导师!主要从事园艺植物生物技术研究
7*89.:
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!
#(%+?@8
福州野生蕉
1)0,2
家族基因的克隆
及在低温胁迫下的表达分析

!
新!徐
!
蕾!赖恭梯!谢晓清!林玉玲!赖钟雄"
"福建农林大学 园艺植物生物工程研究所!福州
%$"""!
#

!
要$以抗寒性较强的福州野生蕉为材料!采用
3217

3B*C13
扩增得到铁超氧化物歧化酶"
D<4EF
#家族基
因"
!"#$%
#的
!
个成员共
)
条转录本!分别命名为
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"登录号
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基因
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全长为
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K
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个氨基酸&
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基因
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全长为
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K
!编码
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个氨基酸基因结构分析表明
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&!#%#)
的可变剪接转录本生物信息学和亚细胞定位分析显
示!
LMD4F#2

LMD4F#N
主要定位于叶绿体!但他们的理化性质(磷酸化位点(蛋白结构等存在差异序列比对
分析发现
LMD4F#2

LMD4F#N
相似性仅为
%%+%%O
!但都具有保守的金属结合位点和
D<4EF
的特征氨基酸
进化树分析显示!
LMD4F#2

LMD4F#N
聚在不同的分支中
P
3B*C13
分析表明!低温诱导
&!#%#(
基因的
表达而抑制
&!#%#)
基因的表达!且
&!#%#(
基因的相对表达量随着温度的降低而显著增加!说明该成员可
能在香蕉抗寒中起主要作用
关键词$福州野生蕉&
D<4EF
家族基因&可变剪接&低温胁迫&基因表达
中图分类号$
Q,&$
&
Q,&(
文献标志码$
2
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+
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4(5#%
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1Y.09
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D<4EF
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K
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K
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P
3B*C13[.0]M?<]VY<<>
K
[KK
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K
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K
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K
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=
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=
<0<<>
K
[!!
植物在生长发育过程中往往会受到各种生物和
非生物胁迫的影响!从而诱发细胞内活性氧"
3E4
#
的代谢失衡!产生氧化胁迫!引起细胞膜(蛋白(
F52
等氧化损伤进而导致细胞代谢紊乱!严重时细
胞死亡超氧化物歧化酶"
/M
K
<[@>.]<]./8MV9/<
!
4EF
#是抗氧化酶系统的第一道防线!能快速地催化
超氧阴离子自由基发生歧化反应生成分子氧和过氧
化氢!过氧化氢再经过氧化氢酶或愈创木酚等过氧
化物酶作用生成水!从而解除细胞内的氧化胁迫!保
护植物免受氧化损伤)#*根据酶活性中心金属离子
的不同!植物
4EF
分为
1M
%
X04EF
(
L04EF

D<*
4EF

%
种类型的
4EF
具有不同的亚细胞定位!如
1M
%
X04EF
主要存在于细胞质(叶绿体和过氧化物
酶体中!
L04EF
主要存在于线粒体中!而
D<4EF
主要存在于叶绿体和细胞质中)!*由于超氧阴离子
自由基不能透过磷脂膜!不同亚细胞定位的
4EF

各自的位置上行使相应的活性氧清除功能!以保证
生物体各种代谢的正常进行
D<4EF
是唯一一种
存在于厌氧古细菌中的
4EF
同工酶!因而在进化上
被认为是最古老的一类
4EF
!目前已在原核生物和
植物中鉴定到
D<4EF
!但未在动物中发现)%*
D<4EF
蛋白通常以同源二聚体或同源四聚体的形式存在!其
酶活性仅受
Z
!
E
!
抑制近年研究表明!
D<4EF
活性
还受铁伴侣蛋白
1C5!"
的直接调控)%*)*
植物
!"#$%
家族基因一般有
#
"
%
个成员!目
前已从拟南芥(油菜(小麦和杨树等多种植物中克隆
得到)$*6*其基因组
F52
通常含有
(
"
&
个内含
子)6*#"*已有的研究表明
!"#$%
家族基因参与植
物的体胚发生过程!且不同成员表达模式存在差
异)&!##*单宁伟)#!*研究发现!失水胁迫处理切花月
季可诱导其花瓣产生
%
条新的
D<4EF
酶条带转
录水平研究表明
!"#$%
基因的表达受光照(低温(
591:
和百草枯等逆境胁迫的诱导)#%*#)*!此外!还受
生长素(脱落酸(赤霉素和激动素等生长调节因子的
调控)#$*在玉米中过表达拟南芥
!"#$%
基因能有
效提高玉米的耐寒和抗氧化能力!并使其生长速率
加快)#(*因此!
!"#$%
在植物的抗逆中也发挥重
要作用
中国作为香蕉的起源地之一!蕴藏着丰富的野
生蕉资源!本实验室经多年考察发现福建分布着大
量的野生蕉资源!其中位于福州北峰海拔
%""
"
$""
8
的二倍体野生香蕉"命名为福州野生蕉#!在自然
野生状态下能耐受冬季
!`
以下低温!是香蕉抗
寒育种的重要种质资源)#,*而香蕉
!"#$%
家族基
因及其与抗寒性的关系至今未见报道本研究以福
州野生蕉为材料!克隆
!"#$%
家族基因的不同成
员!分析不同成员的基因结构(蛋白的结构域(基本
理化性质(亚细胞定位等特征!并借助
P
3B*C13

术检测不同成员在低温胁迫过程中的表达情况!以
期为探讨香蕉的抗氧化能力与抗寒之间的关系奠定
基础!为香蕉的抗寒遗传改良提供科学依据
#
!
材料和方法
?+?
!
植物材料与胁迫处理
本研究以福州野生蕉"
&1,/
KK
+
#的组培苗为
材料!选取植株大小和长势一致的组培苗进行不同
温度"
!&`
(
!"`
(
#%`
(
)`

"`
#处理!处理时
间为
%(Y
!进行
!
次重复处理!处理结束后收集叶片
于液氮中速冻!之后保存于
&"`
超低温冰箱用于
后续研究
?@A
!
核酸提取与
合成
分别采用
1@:M80C:90V352ESB!+"
试剂盒
"
BU25FX
!
1Y.09
#和
1B2N
法)#&*进行香蕉总
352

F52
的提取选择经紫外分光光度计检测
EF
!("
%
!&"

#+&
"
!+"
之间!且凝胶电泳显示其完整
性良好的核酸备用采用
BY<[8@4?.<0V.;.?3<^<[*
V2.]D.[/V4V[90]?F524
0VY"
D<[8<0V9/
!
7S
#将总
352
逆转录为带
2C
"
RR1121R1RB1*
R21B2RB21BBBBBBBBBBBBBBBBBB
#接头

?F52
!作为
E3D

%a*SB3
扩增的模板采用
4L23B
BL
3217?F52 28
K
:.;.?9V.@0b.V
"
B9b9*
[9
!
G9
K
90
#进行
?F52
逆转录!用于
$a*SB3
扩增
)$&
西
!

!

!

!

!

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


?
!
基因克隆及
D
EFGH$E
引物序列信息
B9J:<#
!
C[.8<[/M/<];@[
=
<0=
90]
P
3B*C13
引物名称
C[.8<[098<
引物序列
C[.8<[/<
P
M<0?<
"
$a
#
%a
#
退火温度
B8
%
`
用途
CM[
K
@/<
LMD4F#2*%D#
LMD4F#2*%D!
12B1BRR22RR1BB2BRR221B12B1
1BRRBBRRR1BBRR1BBRB1B21
$(
("
%a*3217
LMD4F#2*$3#
LMD4F#2*$3!
R2B2RB22R1RBR1B1112R212B1R
BB1BR22RR21RBRR2BB2212R1
("
$(
$a*3217
LMD4F#2*^D
LMD4F#2*^3
2BR12R12BB2121B1BBB1BBRBBR
B12BB12R11B11R22B12B1R
$$ E3D
验证
E3D <^[.;.?9V.@0
LMD4F#2*QD
LMD4F#2*Q3
RRBRR2R2BRB211BRR2B2RBR
12R1B2R22RBB122B1112212
$,
P
3B*C13
LMD4F#N*%D#
LMD4F#N*%D!
RRBBR12122BRR2RR2R1BB2B1
1BB1BRRR22B122BR12211B22BRR
$,
$&
%a*3217
LMD4F#N*$3#
LMD4F#N*$3!
112BB2RRBBR12BBR2BB1112R22R
R2B22R1B11B112BBRBR12211
$(
$(
$a*3217
LMD4F#N*^D
LMD4F#N*^3
2B11R11RB1RB11B21R1
R2R2212BBB2B1R2R122R2RB21
$(
E3D
验证和
=
F52
扩增
E3D <^[.;.?9V.@090]
=
F5298
K
:.;.?9V.@0
LMD4F#N*QD
LMD4F#N*Q3
RBB21222RRBB1BRR12B21B2
122112B2122BRRR1BRBB2
$,
P
3B*C13
2S2C RR1121R1RB1R21B2RB21 %a*3217
#"SCL
$
1B22B21R21B121B2B2RRR122R12RBRRB2B1221R12R2RB $a*3217

#

$a*3217#
/V
[@M0]
5SCL 22R12RBRRB2B1221R12R2RB
$a*3217

!

$a*3217!
0]
[@M0]
?@I
!
引物设计及
H$E
扩增
根据
R<0N90b
上已知的植物
!"#$%
基因序列
和小果野生蕉"
&1,,23./,0, 9^[+FZ*C9Y90
=
!
22
=
[@M
K
#基因组数据库"
YVV
K
$%%
J90909*
=
<0@8<+
?.[9]+;[
%#中注释为
!"#$%
的序列信息!经序列多
重比对分析!在
!"#$%
各基因成员的保守区分别
设计
%a*3217

$a*3217
引物!用于扩增
%a
末端

$a
末端!经测序后!在
F52L25
上进行序列拼
接!根据拼接全长预测最大
E3D
区!设计引物进行
E3D
验证分析!本研究所用的引物信息见表
#

F52
为模板!
D4F#N*^D

D4F#N*^3
为引物!扩

&!#%#)

=
F52
序列!用以分析可变剪接转
录本的类型和基因结构
C13
反应程序为$
6)`

变性
%8.0
&
6)`
变性
%"/
!
B8
"根据引物具体温度
设定#退火
%"/
!
,!`
延伸时间根据片段大小设定!

%$
个循环&
,!`
继续延伸
#"8.0

C13
扩增产
物经
#+"O
琼脂糖凝胶电泳分离后!回收!连接到
K
LF#&*B
"
B9b9[9
!
G9
K
90
#载体!并选取阳性克隆子
送测
?+J
!
基因序列分析
采用
F52L25(+"
软件进行核苷酸序列比对
和拼接使用在线软件对福州野生蕉
!"#$%
基因及
其推导的氨基酸进行同源性"
51NU
!
YVV
K
$%%
___+0?*
J.+0:8+0.Y+
=
@^
%#(氨基酸基本理化性质"
YVV
K
$%%
_
K
9/
+@[
=
%
K
[@V
K
9[98
%#(亚细胞定位"
c@TD
C4E3B
!
YVV
K
$%%
_@:;
K
/@[V+@[
=
%&
4@;VN<[[
!
YVV
K
$%%
:.0M>#+/@;VJ<[[
+?@8
%&#(
5
端目标序列"
C[<]@V9[
!
YVV
K
/
$%%
M[
=
.+^<[/9.:%
K
[<]@V9[
%
K
[<]@V9[+YV*
8:
#(磷酸化位点"
5!
YVV
K
$%%
___+?J/+
]VM+]b
%
/<[^.?%
5%#(功能位点"
C[@/.V<
!
YV*
V
K
$%%
___+
K
[<].?V
K
[@V<.0+@[
=
%#(保 守 结 构 域
"
4L23B
!
YVV
K
$%%
/89[V+<8J:*Y<.]<:J<[
=
+]<
%#(二级
结构"
C/.[<]
!
YVV
K
$%%
J.@.0;+?/+M?:+9?+Mb
%#和三级结
构"
4_.//8@]<:
!
YVV
K
$%%
/_.//8@]<:+<>
K
9/
+@[
=
%#的预
测与分析采用
L<
=
9$+"!
软件的邻位相连法
"
5<.
=
YJ@[G@.0.0
=
#构建植物
D<4EF
氨基酸的分子
系统进化树采用
1:M/V9:H
"
#+&%
#软件进行氨基酸
序列的多重比对分析
?+K
!
亚细胞定位分析
根据在线数据库预测分析显示福州野生蕉
!"*
#$%
家族各基因成员均定位于叶绿体的可能性最
大!因而本研究以
&!#%#(
为代表进行亚细胞定
位验证根据
&!#%#(
基因
E3D
序列设计带酶
切位点
425
#
的上游引物
LMD4F#2*/MJD
"
$.FG
6112BRR2BR12R12BB2121B1BBB1BBR
!
下划线标示酶切位点!粗体标示保护性碱基!下同#!
带酶切位点
#
6
"
#
的下游引物
LMD4F#2*/MJ3
"
6621B2RBB2R12B22122R1BBRBBRB11
#!
扩增
&!#%#(
基因片段并连接到
K
LF#&*B
"
B9b9*
[9
#!经测序后!双酶切!连接到
K
12LNU2#%"!
载体
RDC

5
端!构建融合表达载体
%$4
$
LMD4F#2*
RDC
!采用冻融法导入农杆菌
7Z2#"$
中!并用注射
$$&
$

!!!!!!!!!

!
新!等$福州野生蕉
!"#$%
家族基因的克隆及在低温胁迫下的表达分析
法侵染烟草叶片同时用水和
K
12LNU2#%"!

载体注射的烟草叶片分别作为阴性和阳性对照!
%]
后于激光共聚焦显微镜"
E:
8
K
M/Dd#"""
#下观察
%$4
$
LMD4F#2*RDC
的定位情况并拍照
?@L
!
福州野生蕉
1)0,2
各基因成员在不同温度处
理下的
D
EFGH$E
分析

1Y<0
等)#6*筛选的在非生物胁迫下表达较稳
定的
7(7
"
?:9VY[.09]9
K
V@[?@8
K
:<>#基
因作为本研究定量分析的内参基因!引物序列为
121*QD
"
221B11B2BRBBR1B1R1BB2BR
#

121*Q3
"
RR1B21B21BB1RRBB1BBB121
#!
扩增片段
#)&J
K
以经不同温度处理植株的
?F52
为模板!在基因的特异位置设计定量引物"表
#
#!分
析福州野生蕉各
!"#$%
基因在不同温度处理下的
表达情况根据
4WN37>4?[.
K
V
试剂盒"
B9b9[9
!
G9
K
90
#说明书配制荧光定量
C13
反应液!在
T.Y
=
V*
1
?:<[)&"
仪器上进行
C13
扩增!重复
%

C13
反应条件为$
6$`
预变性
%"/
&
6$`
变性
#"/
!
$,
`
退火
%"/
!
,!`
延伸
%"/
!共
)"
个循环首先!
以不同处理的
?F52
模板混合样的
#$
倍稀释液为
模板!经
P
3B*C13
扩增后分析各基因的扩增曲线(
融解曲线"
("
"
6$`
#和
C13
产物的凝胶电泳条
带!以确定引物的特异性随后!在样品扩增的同
时!对不同处理的
?F52
模板混合样进行
$
倍梯度系
列稀释!分别对
!"#$%
各基因成员和内参基因
7(7
进行扩增!获得标准曲线和扩增效率数据采用
7>*
?<:

=
<5E3L
"
<^[/.@0%+$
#
)
!"
*软件进行分析
!
!
结果与分析
A@?
!
福州野生蕉
1)0,2
家族基因不同成员
全长序列的克隆与分析
以福州野生蕉叶片总
352
逆转录的
?F52

模板!经
3217
扩增得到
!
条大小分别为
((#J
K

&(&J
K

%a*
末端"图
#
!
2
(
N
#!以及
!
条大小分别为
(6"J
K

)%6J
K

$a*
末端"图
#
!
1
(
F
#在
F52*
L25
上对已获得的
%a*
末端序列和
$a*
末端序列进
行比对及拼接!发现可能存在
!
个基因成员!进一步
设计
E3D
验证引物!经
3B*C13
扩增得到分别为
6"%J
K

#!##J
K

!
个片段"图
#
!
7
(
D
#!
B2

隆后送测测序结果显示!这
!
条序列与
F52*
L25
拼接结果一致将这
!
条序列的核苷酸和推
导的氨基酸序列分别在
51NU
上进行
N:9/V
分析!结
果显示!与数据库中已知的百脉根"
8501
9
,
6
5/.*
21
#(拟南芥"
(-,:.;5
6
1.10<,=.,/,
#(葡萄"
>.0.1
+./.
?
"-,
#(蓖麻"
@.2./12533/.1
#(水稻"
$-
A
B,
1,0.+,
#和龙眼"
%.352,-
6
1=5/
C
,/
#等的
!"#$%
%
D<4EF
的序列有较高的同源性!因此推断已成功获
得福州野生蕉
!"#$%

!
个基因成员!分别命名

&!#%#(
"登录号为
GH&))"!(
#和
&!#%#)
"登录号为
IG,&(%#&
#
&!#%#(

?F52
全长为
#!,,J
K
!开放阅
读框为
6"%J
K
!编码
%""
个氨基酸!
$a*SB3

##)
J
K
!
%a*SB3

!("J
K
&
&!#%#)

?F52
全长为
#%,&J
K
!开放阅读框为
,&%J
K
!编码
!("
个氨基

#
!
&!#%#(

&!#%#)

C13
扩增
L+F!"""F52:9]]<[
"
4@:9[J.@
#&
L@+$""J
K
F52:9]]<[89[b<[
"
B9b9[9
#&
2+&!#%#(*%a*
末端&
N+&!#%#)*%a*
末端&
1+&!#%#(*$a*
末端&
F+&!#%#)*$a*
末端&
7+&!#%#(*E3D
验证&
D+&!#%#)*E3D
验证!
#
为正常转录本! 和
%
为可变剪接转录本&
R+&!#%#)*
=
F52
扩增&箭头所指为特异条带
D.
=
+#
!
C1398
K
:.;.?9V.@0@;&!#%#(90]&!#%#)
L+F!"""F52:9]]<[
"
4@:9[J.@
#&
L@+$""J
K
F52:9]]<[89[b<[
"
B9b9[9
#&
2+&!#%#(*%a*<0]
&
N+&!#%#)*%a*<0]
&
1+&!#%#(*$a*<0]
&
F+&!#%#)*$a*<0]
&
7+&!#%#(*E3D
<^[.;.?9V.@0
&
D+&!#%#)*E3D <^[.;.?9V.@0
!
#./0@[89:V[90/?[.
K
V
!
90]%9[< 9^[.90V
V[90/?[.
K
V/
&
R+LMD4F#N*
=
F5298
K
:.;.?9V.@0
&
9[[@_//Y@_VYK
($&
西
!

!

!

!

!

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

酸!
$a*SB3

#%%J
K
!
%a*SB3

)(!J
K
与小果
野生蕉"
&1,,23./,0,FZ*C9Y90
=
!
22
=
[@M
K
#
基因组中注释为
!"#$%
的序列进行比对发现!
&!#%#(
开放阅读框的
?F52
序列与小果野生蕉
基因组中编号为
R4LS2
+
2?Y[##C!%$("

!"#$%
序 列 长 度 一 致!且 相 似 性 达 到
6,+,6O

&!#%#)

E3D
序列与基因组中注释为
!"#$%
的另外
)
条序列"编号分别为
R4LS2
+
2?Y[#"C*
!,!!"
(
!,#6"
(
!,!%"

!,!#"
#有较高的相似性"图
!
#!推测它们为同源基因但本研究获得的福州野
生蕉
&!#%#)

E3D
序列比小果野生蕉的长!
编码
#
个更长的蛋白
A@A
!
福州野生蕉
1)0,2
可变剪接转录本与基因结
构分析
在验证
&!#%#)

E3D
时!获得了
!
个比
&!#%#)

E3D
条带略长的转录本"图
#
!
D
#
经测序后!与
&!#%#)

E3D
序列比对显示!这
!
条转录本的
%a
端分别多出了
#
段"
&,J
K
#和
!

"
&,J
K

#,!J
K
#的序列为了进一步分析这
!

转录 本 的 特 征!以 福 州 野 生 蕉
F52
为 模 板!
LMD4F#N*^D

LMD4F#N*^3
为引物!扩增得到
&!#%#)
基因
)6&!J
K

=
F52
片段"图
#
!
R
#!
测序结果分析表明开放阅读框的
=
F52
序列为
)#&6J
K

=
F52
序列比对结果表明!这
!
条转

!
!
福州野生蕉
&!#%#)
与小果野生蕉
!"#$%
基因的序列比对
D#&E(
+
(2<-#"F!,!!"
(
!,#6"
(
!,!%"

!,!#"
为小果野生蕉基因组中注释为
!"#$%
的序列颜色由深到浅表示序列间一致性由高到低
D.
=
+!
!
4<
P
M<0?<9:.
=
08<0V@;&!#%#)90]!"#$%1;[@8&G,23./,0,FZ*C9Y90
=
D#&E(
+
(2<-#"F!,!!"
!
,#6"
!
,!%"90]!,!#"9[P
M<0?=
<0@8<]9V9J9/<
@;&G,23./,0,FZ*C9Y90
=
!
_Y.?Y9[<900@V9V<]9/!"#$%+1@:@[/ 9^[
;[@8
]9[bV@:.
=
YV8<90/VY9VVY<.]<0V.V.P
M<0?=
YV@:@_
,$&
$

!!!!!!!!!

!
新!等$福州野生蕉
!"#$%
家族基因的克隆及在低温胁迫下的表达分析
录本分别是由
&!#%#)
基因在转录过程中的第
,
个内含子和第
,
(
&
个内含子共同驻留产生的可变剪
接转录本!因而将这
!
条转录本分别命名为
&!#%#)*
+,-.,/0#
"登录号为
IG,&(%#6
#和
&!#%#)*+,-.*
,/0!
"登录号为
IG,&(%!"
#
由于
&!#%#(

E3D
序列与小果野生蕉的
D#&E(
+
(2<-##F!%$("
基因高度相似!因而采用
D#&E(
+
(2<-##F!%$("

=
F52
序列"
)",$J
K
#
为参考序列分析
&!#%#(
的外显子和内含子组
成如图
%
显示!
&!#%#(
基因由
&
个外显子和
,
个内含子组成!最长和最短的外显子分别为
!#"
J
K

!)J
K
!而最长和最短的内含子分别为
!!&#
J
K

,!J
K
&
&!#%#)
基因由
6
个外显子和
&

内含子组成!最长和最短的外显子分别为
#&6J
K

!)J
K
!而最长和最短的内含子分别为
#&")J
K

,6J
K

&!#%#(

&!#%#)
的起始密码子和
终止密码子均为
2BR

BR2
!而可变剪接转录本
&!#%#)*+,-.,/0#

&!#%#)*+,-.,/0!
均由
于第
,
个内含子驻留导致终止密码子提前!变为
B22
!因而都具有
,
个外显子和
(
个内含子所有
福州野生蕉
!"#$%
基因成员的内含子剪切位点均
符合真核生物内含子剪接规律!即,
RB*2R
-规则
A@I
!
福州野生蕉
41MB
氨基酸序列比对与生物信
息学分析
虽然
&!#%#(
基因和
&!#%#)
基因推导
的氨基酸序列的相似性比较低!仅有
%%+%%O
!但与
来自拟南芥的
%

D<4EF
"
2VD4F#
(
2VD4F!

2VD4F%
#的 多 重 序 列 比 对 结 果 显 示 "图
)
#!
LMD4F#2

LMD4F#N
均具有植物
D<4EF
保守
的金属结合位点和区别于
L04EF
的特征氨基酸!

4L23B
软件分析显示这
!
个成员均含有
4@]
+
D<
+
5
结构域和
4@]
+
D<
+
1
结构域这些结果表明
本研究所获得的
LMD4F#2

LMD4F#N

!
个成
员均具有
D<4EF
的基本功能和特性
采用生物信息学方法进一步对所获得的这
!

D<4EF
成员进行理化性质和结构特征的分析!以了
解其蛋白的生物学活性及潜在的功能结果"表
!
#
表明!
LMD4F#2

LMD4F#N
均为亲水蛋白!但
LMD4F#2
为酸性不稳定蛋白!而
LMD4F#N
为碱
性稳定蛋白亚细胞定位结果均显示
LMD4F#2

LMD4F#N
定位于叶绿体的可能性最大
C[<*
]@V9[ #^+"%
分 析 结 果 亦 显 示
LMD4F#2

LMD4F#N
均具有导向叶绿体的
5
端目标序列!这
也验证了亚细胞预测结果的准确性!说明福州野生
蕉的
D<4EF
主要是参与叶绿体中超氧阴离子自由
基的清除
5软件预测显示
LMD4F#2
具有
#(
个磷酸化位点"丝氨酸位点
#"
个!苏氨酸位

%
个!酪氨酸位点
%
个#!而
LMD4F#N
具有
#)

磷酸化位点"丝氨酸位点
,
个!苏氨酸位点
!
个!酪
氨酸位点
$
个#此外!
LMD4F#2
具有
(
个蛋白激

1
磷酸化位点!
(
个酪蛋白激酶
$
磷酸化位点!
%

5
端酰基化位点!
#
个酰胺化位点和
#

L0
%
D<*
4EF
特征位点&而
LMD4F#N
具有
!

?2LC

1RLC
依赖性蛋白激酶磷酸化位点!
)
个蛋白激酶
1
磷酸化位点!
#
个酪蛋白激酶
$
磷酸化位点!
#

5
端酰基化位点和
#

L0
%
D<*4EF
特征位点以
上磷酸化位点分析结果表明!福州野生蕉
D<4EF

存在丰富的磷酸化位点!且不同成员间磷酸化位点
及类型的差异可能与它们在香蕉不同的发育进程或
逆境胁迫中受到不同因子的调控"磷酸化或去磷酸

%
!
福州野生蕉
!"#$%
家族基因的基因结构
D.
=
+%
!
R<0@8.?/V[M?VM[<@;!"#$%;98.:
\=
<0&$&
西
!

!

!

!

!

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

化#有关二级结构分析显示
LMD4F#2
蛋白由
)!+(,O
%
*
螺旋!
(+%%O
&
*
折叠和
$#+""O
无规则卷
曲组成!而
LMD4F#N
蛋白由
$"+,,O
%
*
螺旋!
(+6%O
&
*
折叠和
)!+%#O
无规则卷曲组成以
CFN
数据库中相似性最高的
D<4EF
"编号为
#M0;+#
#为
模板构建福州野生蕉
D<4EF
蛋白的三级结构模型
亦显示!
LMD4F#2

LMD4F#N
的三级结构存在
明显差异"图
$
#综上!本研究获得的福州野生蕉
LMD4F#2

LMD4F#N

!
个成员在蛋白的理化
性质!磷酸化位点及类型!二级和三级结构均存在明
显差异!暗示它们的具体功能可能存在差异
A@J
!
福州野生蕉
41MB
的系统进化分析
为了分析福州野生蕉中
D<4EF
不同成员的进
化关系!采用
L<
=
9$+"!

&!#%#(
(
&!#%#)
和来自
51NU
中已知的其他
#,
种植物
!"#$%
基因
的 氨基酸序列进行聚类分析"图
(
#!结果显示植物

)
!
福州野生蕉与拟南芥
D<4EF
氨基酸序列的多重比对
%
表示保守的金属键结合位点氨基酸&
"
表示
D<4EF
催化活性中心的氨基酸酪氨酸&
&
表示
D<4EF
区别于
L04EF
的特征氨基酸!而
4@]
+
D<
+
5

4@]
+
D<
+
1
结构域分别用单和双直线表示
LMD4F#2

LMD4F#N
为福州野生蕉
D<4EF
&
2VD4F#
(
2VD4F!

2VD4F%
为拟南芥
D<4EF
D.
=
+)
!
LM:V.
K
:P
M<0?<9:.
=
08<0V@;VY%
[<
K
[=
90]J.0].0
=
/.V&
"
[<
K
[[@/.0V.?9?V.^.V
&
&
[<
K
[K
@[V90V;@[]./V.0
=
M./Y.0
=
D<4EF;[@8L04EF
&
4@]
+
D<
+
590]4@]
+
D<
+
1]@89.0/9[<89[b<]
_.VY/.0
=
:<90]]@MJ:<:.0!
[K
+LMD4F#290]LMD4F#N9[.0DMAY@M
&
2VD4F#
!
2VD4F!90]2VD4F%9[6
1.10<,=.,/,

A
!
福州野生蕉
41MB
的基本理化性质
B9J:!
N9/.?
K
9[98蛋白名称
C[@V<.0
098<
总氨基酸数
B@V9:98.0@
9?.]/
%
99
分子量
L@:_<.
=
YV
%
bF
等电点
K
U
分子式
D@[8M:9
不稳定性系数
U0/V9J.:.V
.0]<>
带正电氨基酸
B@V9:0M8J<[
@;
"
2[
=
eT
/
#
带负电氨基酸
B@V9:0M8J<[
@;
"
2/
K
eR:M
#
总亲水性值
R32dW
LMD4F#2 %"" %)+###$ $+,%
1
#$!#
Z
!%%6
5
)!,
E
))6
4
#"
)!+%% %( )) "+)6(
LMD4F#N !(" !6+6#(# ,+#"
1
#%(!
Z
!"$"
5
%("
E
%,6
4
#!
%,+#) !( !( "+!6(
6$&
$

!!!!!!!!!

!
新!等$福州野生蕉
!"#$%
家族基因的克隆及在低温胁迫下的表达分析
!"#$%
基因的氨基酸序列可分为两大分支"
#

$
#!各分支的
D<4EF
可能具有不同的基因起源
#

$
大分支中均包含
!
个小分支!即双子叶植物
分支和单子叶植物分支福州野生蕉
LMD4F#2
位于
#
大分支的单子叶植物类中!与马蹄莲
D<4EF
的亲缘关系最近&而
LMD4F#N
聚到
$
大分支的单
子叶植物类中!与海枣
D<4EF
的亲缘关系最近!其
次为手参(二穗短柄草(小麦(水稻和玉米的!与双子
叶植物的亲缘关系较远香蕉
!
个成员聚类到不同
的大分支中!这与它们氨基酸间的低一致性相符合
"
%%+%%O
#!暗示它们来自不同的基因祖先
A@K
!
福州野生蕉
1)0,2
基因的亚细胞定位
将水"阴性对照#(
K
12LNU2#%"!
"阳性对照#

%$4
$
LMD4F#2*RDC
分别注射烟草叶片进行瞬
时表达!
$`
培养
%]
后于激光共聚焦显微镜下观
察福州野生蕉
LMD4F#2
蛋白的亚细胞定位情况
结果"图版
#
#表明!阴性对照未见
RDC
绿色荧光信
号"图版
#
!
2
#!但保卫细胞中叶绿体的自发红色荧
光信号可以观察到"图版
#
!
N
(
F
#&阳性对照可以观
察到在叶绿体(细胞质(细胞膜和细胞核上均有
RDC
绿色荧光信号"图版
#
!
7
(
Z
#!同时可观察到
叶绿体的自发红色荧光信号"图版
#
!
D
#!及其与绿
色荧光信号叠加"图版
#
!
Z
#&转
%$4
$
LMD4F#2*
RDC
的烟草可在其保卫细胞的叶绿体上观察到明
显的
RDC
绿色荧光信号和自发红色荧光信号"图版
#
!
U
(
G
(
T
#!此外还观察到在其细胞质中也存在比较
弱的
RDC
绿色荧光信号"图版
#
!
U
(
T
#!说明福州野
生蕉
LMD4F#2
的蛋白主要定位在叶绿体中!这与

$
!
福州野生蕉
D<4EF
的三级结构
D.
=
+$
!
B<[V.9[
/V[M?VM[<@;D<4EF;[@8VY<_.:]J90909.0DMAY@M

(
!
福州野生蕉与其他植物
!"#$%
基因氨基酸序列的进化树分析
进化树分支点的数字表示
N@@V/V[9
K
验证中基于
#"""
次重复该节点可信度的百分比!
各物种
D<4EF

R<0N90b
登录号列在括号内标尺表示进化距离
D.
=
+(
!
CY
:@
=
<0P
M<0?K
:90V/
5M8J<[/9VVY<0@]K
[\K
<[?<0V@;N@@V/V[9
K
9^:MK
:.?9V.@0/+
BYK
:90V/9[<.0J[9?bK
[]./V90?"(&
西
!

!

!

!

!

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


,
!
福州野生蕉
!"#$%
在不同温度处理下的定量表达
D.
=
+,
!P
3B*C13909:
/].;;<[<0VV<8
K
<[9VM[生物学信息学的预测结果一致
A@L
!
福州野生蕉
1)0,2
家族基因在不同温度条件
下的表达分析
福州野生蕉具有较强的抗寒能力!而植物抗逆
能力被认为与其抗氧化能力密切相关!分析福州野
生蕉
!"#$%
家族基因对低温的应答模式有助于了
解 该 类 型 基 因 在 香 蕉 抗 寒 中 的 作 用由 于
&!#%#)
可变剪接转录本
&!#%#)*+,-.,/0#

&!#%#)*+,-.,/0!
的特异序列"即所包含的驻
留内含子序列#存在较多的同种或
!
种碱基连续结
构!本研究分析
&!#%#)
基因所有转录本类型的
总体表达模式
P
3B*C13
结果显示"图
,
#!当处理
温度高于香蕉生长的限制温度
#%`
时!
&!#%#(

&!#%#)
基因相对表达量均变化不大!当温度
低于
#%`
时!
&!#%#(
基因表达量随着温度的下
降持续上升!在
)`
时的表达量是
!&`

!
倍!而
温度降到
"`
时!其表达量是
!&`

%
倍以上
&!#%#)
基因表达量在
)`
时下降到
!&`
时的
"+$
倍以下!之后保持基本不变以上结果说明福
州野生蕉
!"#$%
家族基因参与低温应答!且不同
成员发挥不同的功能!其中
&!#%#(
基因受低温
诱导!且表达强烈!可能在香蕉抗寒中起主要作用
%
!

!

I@?
!
福州野生蕉
1)0,2
家族基因具有
A
个成员
植物
!"#$%
家族基因在不同物种中的成员数量
不同!如拟南芥中存在
%

!"#$%
基因"
(0!#%#
!
(0!#%!
!
(0!#%%
#
)
$
*
!杨树中亦存在
%

!"#$%

因"
F0!#%!G#
!
F0!#%!G!
!
F0!#%%
#
)
6
*
!龙眼中存在
!

!"#$%
基因"
%=!#%#,
!
%=!#%#:
#
)
&
*
!巴尔干苔苣
中仅有
#
个"
Z[D4F#
#
)
!#
*
小果野生蕉基因组中注
释为
!"#$%
的基因序列共有
$
条)!!*其中
D#&E(
+
(2<-##F!%$("
基因与福州野生蕉
&!#%#(
的一
致性高达
6,+,6O
!说明该基因成员在香蕉不同类群
间极为保守另外
)
条基因
D#&E(
+
(2<-#"F!,#6"
"
(,&J
K
!
?@8
K
:#(
!,!#"
"
#))J
K
!
;[9
=
8<0V
#(
!,!!"
"
,#,J
K
!
?@8
K
:#和
!,!%"
"
#6&J
K
!
;[9
=
8<0V
#均与福
州野生蕉
&!#%#)
基因"
E3D

,&%J
K
#同源染
色体定位表明小果野生蕉的
D#&E(
+
(2<-#"F*
!,#6"
(
!,!#"
(
!,!!"

!,!%"
基因在
#"
号染色体上
成簇排列!且它们的
?F52
序列和
=
F52
序列间均具
有高度的相似性!说明它们是由基因重复而来!不同
长度的
E3D
可能是由各重复基因间的转录和翻译起
始位点不同导致曾在这
)
条基因
?F52
的特异
$a
端设计引物尝试扩增福州野生蕉中可能存在的不同
翻译起始位点的
!"#$%
基因!但均未得到任何条带!
而在它们的保守区设计引物经
3217

3B*C13

证仅获得
#
条序列"
&!#%#)
#!推测该基因成员的
转录调控机制在香蕉不同类群中存在差异同样的!
本研究克隆得到的
&!#%#)

=
F52
序列与小果
野生蕉的
)

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F52
序列也高度相似!因而可以确定
福建野生蕉中仅存在此
#
成员综上!福州野生蕉
!"#$%
家族基因由
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&!#%#)!

成员组成
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低温胁迫下
34102?!

34102?%
基因的
功能差异
温度低于
#%`
即可限制香蕉生长!而中国香蕉
的主产区处于香蕉栽培的北缘区域!易受到冬季低
温的影响而造成减产或品质下降)!%*已有研究表
明香蕉的抗寒能力与其
4EF
等抗氧化酶的活性变
化密切相关)!)*!$*而叶绿体中的光合作用是受低温
影响最明显的过程之一)!(*叶绿体型
D<4EF
主要
参与清除光合传递链上产生的过多
3E4
!保证光合
作用的顺利进行!进而提高植株的抗氧化能力)!,*
福州野生蕉的
!

D<4EF
成员"
LMD4F#2

LMD4F#N
#主要定位在叶绿体!但其氨基酸序列间
的相似性低系统进化分析表明
&!#%#(

&!#%#)
基因来自不同的基因祖先!可能存在功
能分化
I:.等)$*研究表明拟南芥中的
(0!#%!

(0!#%%
基因对光胁迫(
EA@0<
介导的
氧化胁迫和
Sd*N
胁迫表现出不同的应答模式!说
明植物
!"#$%
家族不同成员的具体功能存在差
异已有研究表明低温等逆境条件能改变相关蛋白
的磷酸化水平进而调控其活性或亚细胞定位进一步
参与逆境应答)!&*!6*福州野生蕉
LMD4F#2

LMD4F#N
蛋白的理化性质(磷酸化位点的数量和
#(&
$

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新!等$福州野生蕉
!"#$%
家族基因的克隆及在低温胁迫下的表达分析
类型(二级结构及三级结构上均存在明显差异!说明
它们生物学活性存在一定差异!且可能通过不同的
磷酸化或去磷酸化方式!改变酶活性和蛋白构像!参
与由低温引起的各种氧化胁迫应答过程李林玲
等)%"*研究发现银杏叶绿体型
D:!"#$%
基因的表达

)`
低温诱导过表达分析表明转拟南芥
!"*
#$%
基因的玉米植株比非转基因表现出更耐寒的
能力)#(*福州野生蕉
&!#%#(

&!#%#)

因在温度低于
#%`
时的转录表达变化明显!说明它
们参与低温应答!这与李琳玲)%"*和
B/90
=
等)#%*的
研究结果一致但
&!#%#(

&!#%#)
基因
的表达模式存在明显差异!其中
&!#%#(
基因显
著被低温诱导表达!且随着胁迫温度的降低表达量
不断增加!而
&!#%#)
基因的表达受到抑制!说
明福州野生蕉
!"#$%
不同成员在低温胁迫下可能
行使不同的功能!其中
&!#%#(
基因可能在香蕉
抗寒中起主要作用!需进一步通过过表达或
352
干扰进行验证
I@I
!
内含子驻留可能是香蕉
1)0,2
基因可变剪接
的普遍方式
可变剪接是基因转录调控的一种重要机制!通
过不同的剪接方式可从同一个
8352
前体产生各

8352
转录本!进而翻译出具有不同生物学功能
的蛋白亚型!在生物体的发育(组织分化及应对环境
变化等过程中发挥重要作用)%#*%!*基因的可变剪接
现象普遍存在于各种真核生物中!但其普遍性和特
性在不同物种间存在明显差异)%%*近年的研究表
明!植物
#$%
家族基因的部分成员也存在多种可
变剪接现象)&*其中
!"#$%
基因的可变剪接转录
本在水稻(龙眼和荔枝中均有报道)&!%)*%$*龙眼的
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基因存在
)
个可变剪接转录本"
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"
)
#!分别由内含子驻留(外显子被选择性切
除及前面这
!
个种剪接模式共同作用产生!而荔枝可
变剪接转录本
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和水稻可变剪接转录本
$1!"*#$%:
均是由内含子驻留产生福州野生蕉的
!
个 可 变 剪 接 转 录 本 "
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&!#%#)*+,-.,/0!
#均是由内含子驻留产生!说明
内含子驻留剪接模式是香蕉
!"#$%
基因可变剪接
转录本形成的普遍方式
此外!
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=
等)%)*研究发现虽然水稻的可变剪接
转录本
$1!"#$%:
产生的是一个截短蛋白!但其氨基
酸序列含有植物
D<4EF)
个保守金属结合位点中的
%
个和区别于
L04EF
的所有特征氨基酸!且原核表
达结果表明该截短蛋白具有
4EF
活性!能行使
4EF
功能
&!#%#)*+,-.,/0#

&!#%#)*+,-.,/0!

录本翻译的蛋白均由于内含子驻留而提前终止!产生
一个
!!&99
的截短蛋白!有意思的是!这
!
个转录本
翻译的蛋白序列完全相同!且与水稻的
E/D<4EFJ
类似!同样拥有
D<4EF

%
个保守金属结合位点和
所有的
D<4EF
特征氨基酸!因而!推测在同为单子
叶植物的香蕉中!这
!
个可变剪接转录本翻译的蛋
白很可能也具有
4EF
活性!但需要进一步通过原核
表达验证
参考文献!
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