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Characteristics of gene expression driven by two tandem pathogen-inducible promoters

串联双病原物诱导启动子驱动基因表达的特性



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  43(4): 376 ̄382(2013)
收稿日期: 2012 ̄05 ̄04ꎻ 修回日期: 2013 ̄03 ̄10
基金项目: 国家自然科学基金(30300207)
通讯作者: 孔维文ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要从事植物抗病性机制和抗病基因工程研究ꎻ E ̄mail: wwkong@yzu. edu. cn
刘爱新ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要从事分子植物病理学研究ꎻ E ̄mail: liuax@sdau. edu. cnꎮ
串联双病原物诱导启动子驱动基因表达的特性
孔维文1∗ꎬ 王丹丹2ꎬ 刘爱新2∗
( 1 扬州大学园艺与植物保护学院ꎬ 扬州  225009ꎻ2 山东农业大学植物保护学院ꎬ 泰安  271018)
摘要:在植物抗病基因工程中ꎬ目标基因可控的高效表达是一重要目标ꎮ 在前期的研究中ꎬ我们将串联的病原物高度特异
性诱导启动子 EAS4(EP)和 hsr203J(HP)转入烟草ꎬuidA基因在相应病原物或激发子诱导后可被驱动表达ꎮ 为进一步研究
此串联双启动子驱动的基因表达特性ꎬ采用荧光法对 GUS 诱导表达活性进行了定量检测ꎮ 结果发现ꎬ双启动子表现较高
的诱导表达活性ꎬ双启动子与单启动子的活性差异均达极显著水平ꎮ 研究还发现ꎬ两个启动子串联的顺序对其活性强度和
时间动态有影响ꎬ双启动子 HP + EP的诱导表达高峰出现在诱导后 6 ~ 10 hꎬ而 EP + HP的活性高峰出现在诱导后 8 ~ 14 hꎮ
同时ꎬ初步分析了串联的 EP和 HP协同促进基因高水平表达的原因ꎮ 串联的双病原物特异性诱导启动子不但可响应较广
谱的病原物的诱导表达ꎬ而且可协同促进基因的高效表达ꎬ因而在植物抗病基因工程中具有广阔的应用前景ꎮ
关键词:植物抗病基因工程ꎻ 人工启动子ꎻ 病原物诱导启动子ꎻ 基因表达调控
Characteristics of gene expression driven by two tandem pathogen ̄inducible pro ̄
moters  KONG Wei ̄wen1ꎬ WANG Dan ̄dan2ꎬ LIU Ai ̄xin2   ( 1 School of Horticulture and Plant Protectionꎬ Yang ̄
zhou Universityꎬ Yangzhou 225009ꎬ Chinaꎻ 2 Department of Plant Protectionꎬ Shandong Agricultural Universityꎬ Taian 271018ꎬ
China)
Abstract: High ̄level expression of exogenous genes under controlled conditions is an important target of ge ̄
netic engineering for plant disease resistance. From our previous research it was showed that in response to in ̄
duction of certain pathogens or elicitorꎬ uidA in transgenic tobacco plants could be driven to express under the
control of two highly pathogen ̄inducible promotersꎬ concatenated by EAS4 and hsr203J promoter. In order to
further explore the characteristics of gene expression under the control of the tandem promotersꎬ the induced
GUS activity was quantitatively assayed by the fluorometric reaction method of Jefferson. It was found that the
tandem promoters had higher induced activityꎬ and the activity of tandem promoters is very different from that
of single promoter. Furthermoreꎬ the tandem order of the two promoters had also an effect on intensity and
time course of induced GUS activity. Dynamic assay of induced GUS activity showed that the tandem HP + EP
promoters reached the highest value in expression activity after 6 - 10 hour of inductionꎬ while the highest
value occurred in the tandem EP + HP promoters after 8 - 14 hours. In the endꎬ the causes are discussed for
cooperatively elevating the expression level of uidA by tandem EP and HP promoters. Two tandem pathogen ̄
inducible promoters can not only make transgenic plants responsive to more pathogens but also boost expression
level of exogenous genesꎬ will therefore be widely applied in genetic engineering of plants for disease resis ̄
tance.
Key words:genetic engineering of plant for disease resistanceꎻ synthetic promoterꎻ pathogen ̄inducible pro ̄
moterꎻ gene expression and regulation
 
  4 期     孔维文ꎬ等:串联双病原物诱导启动子驱动基因表达的特性
中图分类号:S432. 41           文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2013)04 ̄0376 ̄07
    外源基因在可控制条件下的高效表达是植物
抗病基因工程的目标之一ꎮ 与基因的组成性表达
不同ꎬ当且仅当遭受病原物侵染时ꎬ转基因植物才
开始高效表达外源基因ꎬ由此而获得或增强的抗病
能力ꎬ可使植物避免不必要的物质和能量消耗ꎬ甚
至可避免持续过量表达外源基因带来的不良反应ꎮ
要实现这样的目标ꎬ需使外源基因置于病原物特异
性诱导启动子下ꎮ
植物体内存在受病原物诱导的启动子ꎬ它们对
于植物抗病基因工程具有重要意义ꎮ 例如ꎬ拟南芥
PDF1. 2 基因的启动子受黑斑病菌 ( Alternaria
brassicicola)和灰霉病菌(Botrytis cinerea) 诱导后
强烈表达[1]ꎬAtCMPG1 和 AtCMPG2 启动子则受
霜霉菌(Peronospora parasitica)、黑斑病菌(Alter ̄
naria brassicicola)和丁香假单胞菌(Pseudomonas
syringae pv. tomato)的诱导表达[2]ꎮ
诱导启动子除了直接从植物体内获得ꎬ还可以
通过构建获得人工启动子 ( synthetic promoter)ꎮ
比如ꎬ在设计的启动子中引入多种顺式调控元件ꎬ
这些元件来自病原物特异性诱导启动子[3 ~ 5]ꎮ 由
于这些人工启动子是按特定目标设计出来的ꎬ因而
可以非常精巧ꎬ不但可对多种病原物的侵染作出灵
敏反应ꎬ而且可将基因表达局限在受侵染位点ꎬ做
到既能在合适时间和合适部位表达ꎬ又能迅速开启
和迅速关闭ꎮ 外源基因转入植物体后ꎬ可能由于多
种原因导致不表达或表达效率低下[6 ~ 9]ꎬ从而使抗
病基因工程目标落空ꎮ 因此ꎬ开展植物抗病基因工
程时ꎬ不仅要考虑外源基因表达与否ꎬ还需考虑其
表达强度ꎮ
另一个需要考虑的问题是ꎬ目前常使用单一病
原物诱导启动子ꎬ限制了外源基因受诱导表达的病
原物种类ꎬ而植物在生长的各阶段常遭受多种病原
物的侵染ꎮ 为了克服这个问题ꎬ我们考虑通过串联
双病原物诱导启动子ꎬ使外源基因可在面临更多病
原物侵染时均受诱导表达[10]ꎮ 烟草倍半萜烯环化
酶基因启动子 EAS4[11]和烟草防卫基因 hsr203J启
动子[12]均严格受病原物和病原物激发子诱导ꎮ 我
们以此两个典型的受病原物特异诱导的启动子串
联与编码 β ̄葡萄糖苷酸酶(β ̄glucuronidaseꎬGUS)
的 uidA基因融合ꎬ构建了可受多种病原物或激发
子诱导表达的植物表达载体[10]ꎬ转入烟草中获得
含不同类型启动子与 uidA 基因融合的转基因植
株ꎬ并以此研究串联双病原物诱导启动子驱动基因
表达的特性ꎮ
1  材料与方法
1. 1  材料
本研究使用的转基因烟草植株均由作者创
制[10]ꎮ 烟草黑胫病菌(Phytophthora nicotianea[0
小种])ꎬ烟草青枯病菌(Ralstonia solanacearum)由
本研究室保存ꎮ 激发子 Parasiticein 由本实验室制
备ꎮ
1. 2  方法
蛋白质激发子 Parasiticein 的制备参照文献
[13]的方法ꎮ
烟草疫霉游动孢子悬浮液的制备:(1)将保存
的 P. nicotianea 接入装有灭菌的燕麦培养基(燕
麦片 30 g、琼脂 17 ~ 20 g / 1 000 mL水)的茄瓶内ꎬ
28℃培养ꎮ 当菌丝长满时ꎬ向茄瓶内加入 10 ~
20 mL的无菌水ꎬ28℃培养 2 dꎮ (2)放入 4℃静止
30 minꎮ (3)轻轻震荡茄瓶ꎬ倒出游动孢子悬浮液ꎬ
用血球记数板检测其浓度ꎬ接种浓度为每毫升孢子
数目达 1 ×104个ꎮ
烟草青枯病菌菌悬液的制备:(1)熔化后的
NA 培养基冷却至 55℃加入 1%的 TTC 至终浓度
为 0􀆰 005% ꎬ倒平板ꎮ (2)用平板稀释法在含有
TTC的 NA 培养基上划线ꎮ 至菌落长出后ꎬ选择
致病力强的单菌落(白色ꎬ或仅中间有淡红色)ꎬ于
液体 NA中培养至线性增长期ꎮ (3)4 000 rpm 离
心收集菌体ꎬ用无菌水稀释至菌液浓度为每毫升菌
悬液含细菌 1 ×108个ꎮ
诱导接种或处理:用一次性注射器将一定浓度
的激发子、孢子或细菌注射进转基因烟草新长成的
叶片中ꎬ根据具体实验设计ꎬ在不同时间取样分析ꎬ
以无菌水同样处理为对照ꎬ实验重复 3 次ꎮ
参照文献[14]方法定量检测 GUS 活性ꎮ 过
程如下:(1)预热分析液和提取液到 37℃ꎮ (2)取
0. 1 g诱导处理的转基因阳性的植株叶片ꎬ液氮研
磨ꎬ加入 500 μL提取液ꎬ离心取上清ꎮ (3)加 80 μL
773
 
植物病理学报 43 卷
GUS分析液到预热的 1 mL 提取液中于 37℃反应
30 min后ꎬ立刻取出 400 μL 于 3. 6 mL 反应终止
液中ꎮ (4)以反应 0 h 的样品为对照ꎮ (5)用荧光
分光光度计读数ꎬ激发波长 365 nmꎬ放射波长 455
nmꎮ 并计算反应产物 4 ̄MU的浓度ꎮ
蛋白质含量的测定:取含植物材料的 GUS提取
液 29. 63 μL[80 × 400 / (1 000 + 80)]加水稀释至
4 mLꎬ加入 1 mL考马斯亮蓝溶液并混匀ꎬ室温放置
2 min后测定 595 nm处的吸光值ꎬ对照蛋白质浓度
的标准曲线ꎬ求出反应中植物材料的蛋白含量ꎮ
酶活计算:GUS 的活性 =反应产物 4 ̄MU 的
浓度 / (反应时间 30 min ×反应中植物材料的蛋白
含量)ꎮ 最终酶活性采用 3 次结果的平均值ꎮ
2  结果与分析
2. 1   串联双病原物诱导启动子可协同促进基因
的高效表达
为使外源基因不仅在遭到病原物侵染时才表
达ꎬ而且对多种病原物侵染均能作出响应ꎬ前期研
究中我们将两个具有高度病原物特异性诱导的启
动子 EAS4 和 hsr203J串联ꎬ构建了以 uidA 为外源
基因的植物表达载体ꎻ初步研究显示ꎬ在受到特异
性激发子或病原物诱导时ꎬ转基因烟草可迅速启动
uidA基因的表达ꎬ在处理的叶片部位可观察到
GUS的显色反应ꎮ 同时ꎬ我们注意到ꎬ不同转基因
材料的 GUS 染色深浅不一ꎬ肉眼观察有明显差
异[10]ꎮ
为了定量测定 GUS 染色的差别ꎬ并明确其是
否具有差异显著性ꎬ我们随机选取了以单拷贝整合
到基因组中且可通过 RT ̄PCR 检测到外源基因转
录的烟草植株 20 株ꎬ其中含单一启动子的植株各
3 株ꎬ含双启动子的植株各 7 株ꎬ分别用 Parasitice ̄
in、P. nicotianea 游动孢子悬浮液和 R. solana ̄
cearum菌悬液注射转基因植株的幼嫩叶片ꎬ6 h 后
取处理的叶片用荧光法测定 GUS 的诱导表达水
平ꎮ 另设清水处理为对照ꎮ
定量测定发现ꎬ在清水对照中ꎬ20 株转基因植
株的 GUS表达水平较低ꎮ 用 DPS v7. 05 对所测数
据进行方差分析ꎬ发现尽管 GUS表达水平较低ꎬ但
是不同启动子及组合间活性存在极显著差异(表
1)ꎮ 经 P. nicotianea、R. solanacearum 和激发子
parasiticein诱导后ꎬ含双病原物诱导启动子的转基
因植株ꎬ其 GUS诱导表达活性均明显高于含单一
病原物诱导启动子的植株(表 1)ꎮ 根据诱导因子
的不同ꎬ双启动子 HP + EP 比单启动子 HP 的诱导
表达活性高 4. 6 ~ 8. 7 倍ꎬ比 EP的高 5. 7 ~ 9. 0 倍ꎻ
双启动子 EP + HP 比单启动子 HP 的诱导表达活
性高 3. 5 ~ 7. 5 倍ꎬ比 EP 的高 4. 0 ~ 8. 6 倍ꎮ 经方
差分析ꎬ发现双启动子与单启动子的活性差异均达
极显著水平(表 1)ꎮ 双启动子 HP + EP和 EP + HP
的诱导表达活性也存在极显著差异ꎬ而两个单启动
子 HP和 EP之间没有明显差别(表 1)ꎬ这表明双
启动子的串联顺序可影响其活性ꎮ
而根据诱导因子的不同ꎬ四种类型启动子活性
在诱导后均比水处理对照大大提高ꎬ其中双启动子
HP + EP提高了 15. 7 ~ 32. 6 倍ꎬ双启动子 EP + HP
提高了 18. 4 ~ 33. 1 倍ꎻ而单一启动子 HP 提高了
2. 5 ~ 5. 5 倍ꎬEP提高了 2. 6 ~ 9. 2 倍ꎮ
2. 2   串联双病原物诱导启动子诱导活性的时间
动态
与单一病原物特异性诱导启动子 HP和 EP相
比ꎬ双病原物特异性启动子 HP + EP和 EP + HP在
诱导 6 h后表达活性存在显著差异ꎮ 为了分析这
些差异是否与取样时间有关ꎬ我们进一步测定了转
基因植株在 2 ~ 24 h 的各时间段中启动子的诱导
表达活性(图 1 ~图 3)ꎮ
从图 1 可见ꎬ用激发子 Parasiticein 诱导 4 h
后ꎬ4 种启动子类型的转基因植株的 GUS 活性均
逐渐升高ꎬ但含双病原物诱导启动子植株的 GUS
活性上升更快ꎬ活性高峰出现在 6 ~ 14 hꎬ其中双启
动子 HP + EP活性在 8 h处达到最高峰ꎬ之后活性
水平逐渐下降ꎮ 双启动子 EP + HP 在 Parasiticein
诱导后的 6 ~ 14 h中ꎬ一直保持较稳定的高水平活
性ꎬGUS活性峰值出现在 10 h 处ꎮ 而在所有的时
间段中ꎬ含单一病原物诱导启动子的两类转基因植
株的 GUS表达活性一直处于低水平状态ꎬ明显低
于各时间点串联的双启动子驱动的 GUS表达活性
(图 1)ꎮ 进一步分析发现ꎬ虽然实测 GUS 活性值
变化很大ꎬ但是不同类型的启动子及组合活性的倍
数变化并不大ꎮ 与 2 h 时 GUS 活性比ꎬ在最大值
时ꎬHP + EP活性提高了 7. 0 倍ꎬEP + HP活性提高
了 9. 8 倍ꎬ而 HP 活性也提高了 8. 4 倍ꎬEP 活性提
高了 10. 4 倍ꎮ
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  4 期     孔维文ꎬ等:串联双病原物诱导启动子驱动基因表达的特性
Table 1  GUS activity after induction by different factors after 6 h
Promoter
GUS activity (Mean ± S. E. ) / nmol􀅰min -1􀅰mg -1
H2O Parasiticein R. solanacearum P. nicotianea
HP + EP 1 968. 39 ±117. 15 A 37 543. 61 ±1 764. 84 A 57 297. 99 ±3 055. 03 A 33 642. 29 ±874. 23 A
EP + HP 1 375. 35 ±82. 77 BC 32 032. 36 ±5 222. 79 B 39 968. 97 ±2 756. 00 B 27 627. 24 ±738. 90 B
HP 1 620. 21 ±207. 62 B 6 368. 70 ±1 373. 54 C 7 128. 56 ±212. 18 C 4 813. 68 ±249. 31 C
EP 1 250. 11 ±244. 90 C 5 320. 75 ±971. 33 C 8 556. 54 ±662. 72 C 4 273. 45 ±327. 44 C
The analysis of variance (ANOVA) was carried out based on the experimental data using DPS data processing system
(v7. 05) . The results are from a representative experiment among several repeatsꎬ which varied in absolute levels of GUS
activities but gave the same trends for promoter activation. HP: hsr203J gene promoter from tobaccoꎻ EP: EAS4 gene
promoter from tobaccoꎻ HP + EP and EP + HP mean two different tandem orders.
Fig. 1  Time course of GUS activity induced by parasiticein
Activity of the uidA reporter gene product (GUS) in protein extracts was measured at different time points after
induction of transgenic tobacco lines by parasiticein. The results are from a representative experiment among several
repeatsꎬ which varied in absolute levels of GUS activities but gave the same trends for promoter activation.
HP: hsr203J gene promoter from tobaccoꎻ EP: EAS4 gene promoter from tobaccoꎻ
HP + EP and EP + HP mean two different tandem orders.
    用 P. nicotianea 和 R. solanacearum 诱导后ꎬ
含不同启动子类型的 4 种转基因植株的 GUS诱导
活性变化的时间动态与 Parasiticein 的结果基本一
致(图 2ꎬ图 3)ꎮ 但是ꎬGUS 表达活性达到峰值的
时间有所不同:在含 HP + EP 的转基因植株中ꎬ2
种病原物诱导的 GUS表达活性的峰值出现在 6 hꎬ
而激发子诱导的 GUS峰值推迟了 2 小时ꎮ 这是否
暗示含双启动子的转基因植株对病菌的敏感程度
高于对激发子的敏感程度? 若果真如此ꎬ则将是一
种有趣的现象ꎮ
仔细分析还发现ꎬ在约 10 h 前ꎬ双启动子 HP
+ EP的诱导表达活性一直高于 EP + HP 的活性ꎻ
而在 10 h后ꎬ前者比后者活性下降更快ꎬ其活性一
直低于后者ꎮ 另外ꎬHP + EP 的诱导活性有一个明
显的峰值ꎬ而 EP + HP的诱导活性则有一个明显的
平台ꎬ这提示双启动子串联的顺序对其活性表现有
一定的影响ꎮ
973
 
植物病理学报 43 卷
Fig. 2  Time course of GUS activity induced by Phytophthora nicotianea
Activity of the uidA reporter gene product (GUS) in protein extracts was measured at different time points after inoculation
of transgenic tobacco lines with P. nicotianea [0] . The results are from a representative experiment among
several repeatsꎬ which varied in absolute levels of GUS activities but gave the same trends for promoter activation.
HP: hsr203J gene promoter from tobaccoꎻ EP: EAS4 gene promoter from tobaccoꎻ
HP + EP and EP + HP mean two different tandem orders.
Fig. 3  Time course of GUS activity induced by Ralstonia solanacearum
Activity of the uidA reporter gene product (GUS) in protein extracts was measured at different time points after inoculation
of transgenic tobacco lines with R. solanacearum. The results are from a representative experiment among several
repeatsꎬ which varied in absolute levels of GUS activities but gave the same trends for promoter activation.
HP: hsr203J gene promoter from tobaccoꎻ EP: EAS4 gene promoter from tobaccoꎻ
HP + EP and EP + HP mean two different tandem orders.
3  讨论
本研究定量分析了串联的两个病原物特异性
诱导启动子的诱导表达活性ꎬ发现不管是受激发子
诱导还是病原卵菌或细菌诱导ꎬ串联的双启动子均
能协同促进报告基因高水平表达ꎬ且与单一启动子
相比表达水平有显著的差异ꎻ研究结果还显示ꎬ两
个启动子的串联顺序对双启动子的活性强度和峰
值出现的时间有影响ꎮ 可见ꎬ双病原物诱导启动子
不仅有更广泛的诱导表达谱ꎬ而且诱导表达活性显
著高于单一病原物诱导启动子ꎮ
目前ꎬ已有一些关于人工启动子驱动基因高水
083
 
  4 期     孔维文ꎬ等:串联双病原物诱导启动子驱动基因表达的特性
平表达的报道ꎮ 这些人工启动子以一个微小的启
动子核心区如 CaMV 35S 核心序列提供 TATA 盒
和 CAAT 盒ꎬ然后在其上游添加多个顺式调控元
件ꎬ如来自病原物诱导启动子的 W 盒、S 盒、D 盒
和 Gst1 盒[3]ꎬ或来自植物中组成性高水平表达的
基因启动子区的 ACGT 盒、OCS 元件、GT1 元件、
和 GATA盒等[15ꎬ 16]ꎬ这类顺式调控元件都是以各
自的多拷贝形式置于人工启动子中ꎬ从而赋予启动
子驱动基因高水平表达的特性ꎮ 关于人工启动子
驱动基因高水平表达的分子机制的研究ꎬ目前可查
找到的文献很少ꎬ且相关研究不深入ꎮ 有研究指
出ꎬ不同顺式调控元件的组合ꎬ以协同或拮抗作用
调控着核心启动子区转录复合物的稳定性ꎬ从而影
响基因的表达水平[16]ꎮ 这样的结论是不全面的ꎬ
没有考虑到启动子核心区上游结合的转录因子对
基因表达调控的影响ꎮ
关于本研究使用的 EP 和 HP2 个病原物诱导
启动子协同促进其驱动的基因高水平表达的机制ꎬ
有待今后通过更多的实验阐明ꎮ 我们曾分析了 EP
和 HP 启动子序列ꎬ发现 EP 含 HD ̄Zip、MybI、
MYC和WRKY / TGA等一系列顺式调控元件及未
知保守序列ꎬ HP 含 G ̄box ̄like、 HSRE、 MybII、
MYB、TGA和 3 个WRKY顺式调控元件及未知保
守序列ꎮ 其中的 MYB、bZIP / TGA 和 WRKY 转录
因子结合位点序列ꎬ暗示 2 个启动子可能需要此 3
个转录因子参与其功能的激活ꎬ而这 3 个转录因子
是调节许多植物防卫反应基因表达所必需
的[17 ~ 19]ꎻ当病原物侵染转基因植株时ꎬ推测这 3 种
转录因子可能参与了对双启动子驱动功能目标基
因诱导表达的调控ꎮ
我们推测ꎬEP 和 HP2 个启动子的串联ꎬ构成
了一个新的功能强大的“融合启动子”ꎬ这个“融合
启动子”叠加获得了更多的顺式调控元件ꎬ从而使
其能被更多的转录因子识别和结合ꎮ 不同病原物
侵染或激发子诱导ꎬ分别激活不同或相同的抗病信
号途径ꎬ进而激活与之相对应的调控防卫反应基因
表达的转录因子ꎬ如 MYB、bZIP / TGA 和 WRKY
等ꎬ这些转录因子迅速结合到“融合启动子”上ꎬ其
结果就是强烈而协同促进其驱动的基因高水平表
达ꎮ
本研究结果可为开展植物广谱抗病基因工程
提供一条有效途径ꎬ也为在可控条件下实现外源基
因的高水平表达提供有价值的方法ꎬ因而在植物抗
病基因工程中具有广阔的应用前景ꎮ
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