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$
!"#$)"!)!,
基金项目$河南省科技厅农业重点攻关项目"
##!#"!##"#(1
#
作者简介$许
!
鑫"
#&11
#!女!在读硕士研究生!主要从事植物分子生物学研究
2)34.5
$
-
67899
:!
#,%*;<3
"
通信作者$李春奇!博士!教授!主要从事植物解剖研究
2)34.5
$
5.;
=
,,
!
#!,*;<3
玉米
!1,
基因的克隆与表达分析
许
!
鑫#!李丹丹!!李双江#!阚云超!!李春奇#"
"
#
河南农业大学 生命科学学院!郑州
$("""!
&
!
南阳师范学院 河南省伏牛山昆虫生物学重点实验室!河南南阳
$+%",#
#
摘
!
要$以玉米自交系(昌
+)!
)三叶期前后
!
个时间点"种子萌发后
(>
和
1>
#幼苗不同组织部位的总
?@A
为研究
对象!采用实时荧光定量
BC?
技术!对玉米中
,
个
AD
E
<04F98
"
AGH
#蛋白家族基因"
!"##
*
!"#!
*
!"#$
*
!"#(
*
!"#+
和
!"##"
#在幼苗不同发育时期及不同组织部位的表达谱进行了研究结果表明$"
#
#
!"##
*
!"#!
*
!"#$
和
!"#+
在种子萌发后
(>
和
1>
幼苗不同组织中均有表达!种子萌发后
(>
幼苗中的平均表达量均高于萌发
1>
的幼苗!且在地上部分新生组织或细胞分裂比较旺盛的组织中表达较多!表明
!"##
*
!"#!
*
!"#$
和
!"#+
可能
在玉米幼苗发育早期的分生组织分裂生长中发挥调控作用"
!
#
!"#(
和
!"##"
只在叶片和茎尖中表达!其他组
织中不表达&其中
!"#(
主要集中在新生叶和种子萌发后
1>
的茎尖中!
!"##"
在玉米叶发育过程中可能存在着
迁移的现象
关键词$玉米&幼苗&
!"#
基因&表达谱
中图分类号$
I+1&
文献标志码$
A
$%"&(&!)*
+
,--#"&.&(%
/
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4
534
JKJ.0
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E
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#C<58
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8
T8040A
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VP80
E
6P
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L47
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:
40
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:
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E
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CP.04
#
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ZP88[
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808/
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#
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E
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E
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7
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8D3.049.<09P409P49499P819P>4
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3
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54
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8D3.049.<0*
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!
#
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:
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&
!"#
E
808
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8[
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!!
?@A
诱导的沉默复合体"
?MOC
#是
3.?@A
发
挥作用时的主要成分!
?MOC
是一种包含
AD
E
<04F98
"
AGH
#蛋白的核糖核蛋白复合物!其核心成分是
AGH
家族蛋白+#)!,!
AGH
蛋白能结合
3.?@A
或
/.?@A
!在
3.?@A
或
/.?@A
的介导下识别靶基因
并剪切靶基因或造成靶基因翻译抑制+%,在动物
中!
AGH
蛋白和小
?@A
复合体与目标
?@A
相互
作用通常导致转录后基因沉默!造成靶基因的不稳
定或翻译抑制+$,&在植物中!
AGH
蛋白和小
?@A
复合体参与维持基因组的稳定*调控组织发育*对逆
境的适应性应答以及对入侵核酸"转基因和植物病
毒#的免疫+(,近年来!由于
AGH
蛋白在基因转录
后调控过程中的特殊作用!对其结构*功能以及作用
机制的研究日益成为焦点在果蝇!拟南芥*水稻*
玉米中对
AGH
蛋白都有研究!在拟南芥和水稻中
分别发现了
#"
个和
#&
个
AGH
蛋白+,)#",
AGH#
与
3.?@A
沉默通路相关+)1,!
AGH$
与内源的
/.?)
@A/
结合导致基因沉默+&)#",!
AGH+
主要是维持分
生组织和植物从幼嫩到成熟生长阶段的过渡+##,
玉米是世界主要的粮食作物!也是重要的饲料
作物目前在玉米中发现了
%!#
条成熟的
3.?@A
序列!它们参与到玉米的生长发育和逆境胁迫过程
中+#!)#1,对
3.?@A
功能的解析离不开对
!"#
基
因功能的研究!
I.40
等通过预测的方法已经在玉米
Y+%
中鉴定出
+
个
!"#
家族
#1
个基因!但对其在
玉米发育过程中详细的时空表达谱及功能未进行深
入研究+#&,拟南芥中发现!部分
!"#
基因在分生
组织和植物从幼嫩到成熟生长阶段的过渡中发挥重
要作用+##!",!而三叶期是玉米从幼嫩到成熟生长过
渡的一个重要时期!选取河南省普遍种植的玉米自
交系(昌
+)!
)为研究对象!对
!"#
家族
,
个主要基
因在三叶期前后"种子萌发后
(
和
1>
#幼苗不同发
育阶段及不同组织部位的表达谱进行研究!为探索
!"#
基因协助
3.?@A
参与玉米发育的调控机制
奠定基础!也为从非编码
?@A
作用机制角度进行
玉米自交系(昌
+)!
)的转基因改良提供理论依据
#
!
材料和方法
:*:
!
材
!
料
以河南农业大学农学院提供的玉米自交系(昌
+)!
)为材料!种子用质量浓度为
#
E
%
L
的
T
E
C5
!
消
毒
#"3.0
!蒸馏水冲洗干净!
1^
暗处浸种
!$P
!暗
处催芽
$1P
!移至
#_T<4
E
540>
营养液中培养"温
度
!1^
!湿度
+"`
!光照%黑暗时间为
#$P
%
#"P
#!
分别取种子萌发后
(>
和
1>
的整株幼苗及不同天
数的根*茎尖"茎尖生长点上下约
!33
的组织#*胚
芽鞘*第一叶*第二叶*第三叶和第四叶"按出现顺序
命名!种子萌发后最早出现的叶片为第一叶!以此类
推#!置液氮中研磨!
Z?M6<5
法提取总
?@A
:*;
!
方
!
法
:4;4:
!
!1,
基因的克隆与测序
!
取玉米幼苗总
?@A!
"
E
!使用反转录试剂盒"
BD<38
E
4
#进行
;N)
@A
的合成利用表
#
所列引物及高保真酶扩增
,
个
!"#
基因
BC?
产物采用
N@A
凝胶回收试剂
盒"
A[
:E
80
#回收!将回收的目的片段连接
BXN)#&
Z84/
:
载体"
Z4a4D4
#!转化大肠杆菌!挑取阳性克
隆!送北京奥科鼎盛生物技术有限公司进行测序
测序结果用
N@AXA@
进行序列比对
表
:
!
实时荧光定量
<$=
所用引物
Z4758#
!
BD.38D/89/S
@438
序列"
(b
#
%b
#
O8
=
F80;8
"
(b
#
%b
#
!"##)W AZGGZGAGGAAGAAAAGGACZ
!"##)? ZGGZAZCCACCAZGZCCCZG
!"#!)W CGGGAZCCAZGGAGZACGAGCGCGGZGG
!"#!)? GCZCGAGZZACZCCZZGZCCZZGGGCGCAA
!"#$)W CGGGAZCCAZGGGCZCZCAZGAZGGCGA
!"#$)? GCZCGAGZZAGCZCCCAZZGGCAGCAGZCZ
!"#()W CGGGAZCCAZGCAAAZAAAZGGGAGACC
!"#()? GCZCGAGZZAGCCACCAACCZZAACAZZAA
!"#+)W GGGAZCCAZGGAGZACGAGCGCGGGGA
!"#+)? GCZCGAGZZAZZCCZZGACCAZGGGCGCAG
!"##")W GGGAZCCAZGZAZGGZZZCACCAZZCA
!"##")? GCZCGAGZZAAZACZZCAACCAAGGZGCAG
&*+,-)W GAZGAZGCGCCAAGAGCZG
&*+,-)? GCCZCAZCACCZACGZAGGCAZ
:4;4;
!
实时荧光定量
<$=
!
取玉米不同时期不同
组织部位的总
?@A!
"
E
!使用反转录试剂盒"
BD<)
38
E
4
#进行
;N@A
的合成采用
W4/9O94D9K0.U8D)
/45ORY?GD880
荧光定量
BC?
试剂盒"
?<;P8
#进
行
?845)9.38BC?
BC?
反应条件为$
&(^
变性
%"
/
!
,"^
退火
%"/
!
+!^
延伸
%"/
!
$"
个循环
BC?
引物如表
#
所示!
&*+,-
为内参基因!灭菌双蒸水模
板为阴性对照
BC?
结果采用
!
$$
.+法计算相对
表达量高低+
.+
为循环阈值!表示每一个反应管内
的荧光信号到达设定的阈值时所经历的循环数!
$
.+c
目的基因的平均
.+
值
内参基因的平均
.+
值!
$$
.+c
$
.+"样本
#
#
$
.+"样本
!
#
,
!
!
结果与分析
利用玉米
Y+%
基因组数据库中得到的
+
个
!"#
基因序列设计引物!通过高保真酶在玉米自交
系(昌
+)!
)中扩增相应的
!"#
基因!得到
!"##
*
!"#!
*
!"#$
*
!"#(
*
!"#+
和
!"##"
均有单一的
扩增产物!且无引物二聚体污染"图
#
#通过测序
鉴定发现!(昌
+)!
)中扩增到的
!"#$
基因片段与
Y+%
中对应的基因序列完全相同!
!"##
*
!"#!
与
Y+%
仅差别
#
个碱基!
!"#(
与
Y+%
差别
!
个碱基!
!"#+
和
!"##"
分别与
Y+%
有
+
个和
#(
个碱基的
差别!序列一致性为
&1`
和
1&`
"图
!
#!表明在(昌
+)!
)中扩增的为真实的
!"#
家族基因
为了获得
!"#
基因在玉米幼苗中的时空表达
谱!选取玉米种子萌发后
(>
和
1>
不同组织部位的
?@A
为研究对象!采用实时荧光定量
BC?
的方法
"($
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$
卷
检测不同
!"#
基因的表达水平由图
%
可知!
!"##
*
!"#!
*
!"#$
和
!"#+
在种子萌发后
(>
和
1
>
幼苗不同组织中均有表达!但
!"#(
和
!"##"
只
在叶片和茎尖中表达!其他组织中不表达!表明不同
的
!"#
基因在玉米幼苗中可能具有不同的功能
由图
%
!
A
结果可得!
!"##
在玉米叶片中表达
量最高!在茎尖*胚芽鞘中次之!在根中表达量最低
!"##
在种子萌发后
(>
幼苗中的总体表达量明显
高于
1>
的幼苗!表明在玉米幼苗发育早期对
!"##
的需求量较高比较不同叶片中
!"##
的表
达量可得!
!"##
在新生叶片中表达量明显高于老
叶片!这也表明
!"##
在细胞分裂生长比较旺盛的
图
#
!
,
个
!"#
基因
?Z)BC?
扩增结果
X*NL!"""
&
#
#
+
分别为
!"##
*
!"#!
*
!"#$
*
!"#(
*
!"#+
*
!"##"
和
&*+,-
W.
E
*#
!
?Z)BC?D8/F59/E
808/
X*NL!"""
&
#
#
+D8
D8/8098>9P843
5.S.;49.<0D8/F59/!"##
!
!"#!
!
!"#$
!
!"#(
!
!"#+
!
!"##"40>&*+,-
组织中表达较多比较胚芽鞘中
!"##
的表达量
可得!
!"##
在种子萌发后
(>
的表达量是
1>
表达
量的
#(
倍种子萌发早期!胚芽鞘作为幼苗的保护
组织存在一定的细胞分裂和生长!到种子萌发后
1>
幼苗进入快速生长阶段!主要依靠根吸收营养!原始
种子的组成部分逐渐衰老死亡!胚芽鞘作为种子最
外层的保护组织!也逐渐衰亡!
!"##
在此组织中表
达量急剧下降!也从侧面表明在玉米地上部分新生
组织"或分裂较旺盛的组织#中对
!"##
的需求量
较大
!"#!
在玉米叶中表达量较高!在茎尖中次之!
在胚芽鞘*根中表达量最低
!"#!
在种子萌发后
(>
幼苗中的总体表达量高于
1>
!在新生叶片中表
达量高于老叶片"图
%
!
Y
#!这也表明
!"#!
在细胞
分裂生长比较旺盛的组织中表达较多不同于
!"##
!
"#!
在根和茎尖中从种子萌发后
(>
到
1>
都有一个小幅上升的趋势!表明在玉米幼苗生长过程
中!根和茎尖中
!"#!
的需求量有上升的趋势
!"#$
的表达趋势与
!"##
和
!"#!
相似!也
是在玉米叶中表达量较高!但在茎尖*胚芽鞘*根中
表达量较低"图
%
!
C
#
!"#$
在种子萌发后
(>
幼
苗中的总体表达量高于
1>
的幼苗!在新生叶片中
表达量高于老叶片!这也表明
!"#$
在细胞分裂生
图
!
!
昌
+)!
和
Y+%
中
!"#+
"
A
#和
!"##"
"
Y
#基因比对结果
W.
E
*!
!
A5.
E
03809D8/F59/"
A
#
40>!"##"
"
Y
#
789]880CP40
E
+)!40>Y+%
#($
%
期
!!!!!!!!!!!!!!!
许
!
鑫!等$玉米
!"#
基因的克隆与表达分析
图
%
!
!"#
家族基因在玉米种子萌发后
(>
和
1>
不同组织中的相对表达量
W.
E
*%
!
ZP8D8549.U88[
D8//.<0:E
808/.0>.SS8D8099.//F8/
499P8(9P40>19P>4
:
4S98D34.68/88>
E
8D3.049.<0
长比较旺盛的组织中表达较多
!"#+
的表达趋势与
!"##
*
!"#!
和
!"#$
相似!也是在玉米叶中表达量较高!茎尖次之!胚芽
鞘*根中表达量较低
!"#+
在种子萌发后
(>
幼
苗中的总体表达量稍高于
1>
的幼苗!在新生叶片
中表达量高于老叶片"图
%
!
2
#!这表明
!"#+
在细
胞分裂生长比较旺盛的组织中表达较多
!"#(
和
!"##"
的表达较其他
$
个基因有较
大差别!
!"#(
只在种子萌发后
(>
的第三叶!种子
萌发后
1>
的第四叶和茎尖中表达!在其他组织中
都不表达"图
%
!
N
#而
!"##"
只在叶片和茎尖中
表达!在胚芽鞘和根中无表达
!"##"
在种子萌发
后
(>
幼苗中的总体表达量低于
1>
!在种子萌发后
(>
幼苗的第一叶和第三叶中表达!在第二叶中不
表达!但在种子萌发后
1>
幼苗的第一叶中不表达!
在第二叶*第三叶和第四叶中存在下降趋势"图
%
!
W
#!表明
!"##"
在玉米叶发育过程中可能存在着
迁移现象!但还需要更多的试验证据
%
!
讨
!
论
?@A
诱导的沉默复合体
?MOC
是
3.?@A
行使
功能的主要组分!其中
AGH
蛋白是其核心元件+!#,
AGH
家族蛋白首先在植物中发现!具有高度保守
性
!"#
基因的功能在拟南芥中研究较多!但在玉
米中相应的报道还很少+,)#"!#&)!$,本研究以河南省
推广种植玉米自交系(昌
+)!
)为研究对象!首次系
统探索了三叶期前后"种子萌发后
(>
和
1>
#不同
组织部位
!"#
基因的时空表达谱结果显示
!"##
在玉米地上部分新生组织或细胞分裂生长比
较旺盛的组织中表达较多!表明玉米中的
!"##
可
能具有与拟南芥中
!"##
相似的功能!都是存在于
幼苗分裂组织中!对维持茎端细胞分化一致性起着
决定性作用+!"!$,玉米
!"#(
与其他几个
!"#
基
因在表达上存在着较大差异!主要集中在新生叶和
种子萌发后
1>
的茎尖中!从进化上来看!
!"#(
本
身处于单独的进化分支上+#&,!可能发挥着与其他
!($
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$
卷
!"#
基因不同的功能
!"#+
在种子萌发后
(>
幼
苗中的表达量明显高于
1>
的幼苗!而且也是存在
于细胞分裂较旺盛的组织中!表明玉米中
!"#+
可
能和拟南芥中
!"#+
功能相似!也在维持植物从幼
苗到成熟过渡生长阶段的分生组织分裂中发挥着作
用+!$,
!"##"
基因在植物多个发育阶段发挥着关
键的作用!如维持茎尖分生组织干细胞的分裂能力
及建立叶发育的极性等+!(,!本研究中
!"##"
的表
达结果显示该基因在玉米叶发育过程中可能存在着
迁移的现象!表明
!"##"
可能与叶的极性发育相
关!但具体机制还需进一步的研究本结果将为定
位
!"#
基因的具体作用部位及深入探索其参与玉
米发育调控的作用机制奠定良好的基础!也为从非
编码
?@A
作用机制角度入手对玉米进行转基因改
良提供了理论依据
参考文献!
+
#
,
!
TKZdAG@2?G
!
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E
<04F98
D<98.0/
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