免费文献传递   相关文献

A maize abscisic acid insensitive 3 gene confers drought and salt stress tolerance in Arabidopsis

转玉米ZmABI3-L基因增加拟南芥的抗旱和耐盐性



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015330 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
袁进成,宋晋辉,马海莲,瓮巧云,王凌云,赵艳,刘颖慧.转玉米犣犿犃犅犐3犔 基因增加拟南芥的抗旱和耐盐性.草业学报,2016,25(2):124131.
YUANJinCheng,SONGJinHui,MAHaiLian,WENGQiaoYun,WANGLingYun,ZHAOYan,LIUYingHui.Amaizeabscisicacidinsensi
tive3geneconfersdroughtandsaltstresstolerancein犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊.ActaPrataculturaeSinica,2016,25(2):124131.
转玉米犣犿犃犅犐3犔基因增加拟南芥的抗旱和耐盐性
袁进成,宋晋辉,马海莲,瓮巧云,王凌云,赵艳,刘颖慧
(河北北方学院农林科技学院,河北 张家口075000)
摘要:ABI3(abscisicacidinsensitive3)是编码 ABA信号转导途径中的重要调控因子,广泛地存在于玉米、小麦、
水稻等谷类作物中。本研究从玉米中获得一个新的 ABI3like基因,命名为犣犿犃犅犐3犔,该基因全长1735bp,开放
阅读框1212bp,编码蛋白含404个氨基酸。同源比对表明ZmABI3L和谷子、高粱的同源蛋白相似性高,分别为
64%和58%。基因的表达分析表明该基因是组成型表达,在幼胚、穗子和花丝中表达量较高,同时基因的转录水平
可以为盐、ABA、干旱和冷所诱导。将犣犿犃犅犐3犔基因转化到拟南芥中,对T3 代转犣犿犃犅犐3犔 基因拟南芥进行
抗逆性分析,结果显示犣犿犃犅犐3犔基因可以增强拟南芥的耐盐和抗旱能力。在150mmol/L高盐培养基中转基因
拟南芥的根和茎长度分别为对照的8.6和1.4倍,在50mmol/L甘露醇的渗透培养基中转基因植株的发芽率是
74.5%,而对照仅为33.6%。研究表明犣犿犃犅犐3犔是一个对干旱和盐损伤均有响应而显著上调的基因,同时该基
因可以增加拟南芥的抗旱和耐盐性。
关键词:犣犿犃犅犐3犔基因;玉米;干旱胁迫;盐胁迫;转基因拟南芥  
犃犿犪犻狕犲犪犫狊犮犻狊犻犮犪犮犻犱犻狀狊犲狀狊犻狋犻狏犲3犵犲狀犲犮狅狀犳犲狉狊犱狉狅狌犵犺狋犪狀犱狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊狋狅犾犲狉犪狀犮犲犻狀
犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊
YUANJinCheng,SONGJinHui,MAHaiLian,WENGQiaoYun,WANGLingYun,ZHAOYan,
LIUYingHui
犆狅犾犾犲犵犲狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲犪狀犱犉狅狉犲狊狋狉狔,犎犲犫犲犻犖狅狉狋犺犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犣犺犪狀犵犼犻犪犽狅狌075000,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theabscisicacidinsensitive3gene(犃犅犐3)hasbeenwidelystudiedincerealssuchaswheat,maize
andricehowever,thefunctionsofABI3havenotbeenfulydescribed.Inthispaper,anovelmaize犃犅犐3like
genewasclonedandnamed犣犿犃犅犐3犔.Thisgenewaspredictedtoencodeatranscriptionfactorwithadis
tinctDNAbindingB3domain.Thefullengthofthegenewas1735bpandwithanopeningreadframeof1212
bpandencoded404aminoacids.AlignmentoftheZmABI3Lproteinswithotherplantsrevealedsimilarities
withABI3proteinfromotherspecies.RT-PCRanalysisshowed犣犿犃犅犐3犔wasupregulatedinmaizebyde
hydration,salt,coldandABAstress.Overexpressionof犣犿犃犅犐3犔in犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊plantscouldenhancesalt
anddroughtstresstolerancecomparedtothewildtype.Theresultssuggestthat犣犿犃犅犐3犔 maybeinvolved
insaltanddroughtresistancesignalingpathwaysinmaize.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犣犿犃犅犐3犔;maize;saltstress;droughtstress;transgenic犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊
124-131
2016年2月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第25卷 第2期
Vol.25,No.2
收稿日期:20150630;改回日期:20150930
基金项目:国家自然科学基金 (31101155),河北北方学院重大项目(ZD201305),河北省科技厅项目 (13226326)和河北省高等学科拔尖人才选
拔与培养计划(BR2234)资助。
作者简介:袁进成(1970),男,河北张家口人,副教授。Email:nkxyjc@163.com。宋晋辉(1978),女,河北安国人,硕士。Email:nkxsjh@
163.com。共同第一作者Theseauthorscontributedequalytothiswork.
通信作者Correspondingauthor.Email:leely519@126.com
Abscisicacidinsensitive3(ABI3)属于具有B3结构域(B3domaincontainingproteinfamily)基因家族的
亚家族,是参与ABA信号转导途径的重要信号因子[1]。ABI3家族基因最早在玉米中发现并命名为VP1,该基
因和拟南芥的ABI3基因为同源基因,参与种子萌发调控、植物的生长和发育以及植物应答逆境胁迫反应等多种
生命过程[23]。ABI3蛋白含有4个结构域,分别为A1、B1、B2和B3结构域,其中A1结构域在酸性的N基末端,
是一个富含酸性蛋白的转录激活结构域;B1结构域可以结合犃犅犐5、犫犣犐犘10、犫犣犐犘25和犜犚犃犅1等犫犣犐犘类转录
因子;B2结构域结合Gbox因子(CACGTG)或者ABA应答因子,在参与细胞核定位和转录激活中起重要的作
用;B3结构域在体外结合RY基序(CATGCA)[45]。在拟南芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)中获得许多犪犫犻3突变体,
其中犪犫犻35的表型明显,植株表现明显的持绿性。犪犫犻35种子对 ABA敏感,在种子萌发期表型显著,和玉米
(犣犲犪犿犪狔狊)的狏狆1突变体一样也表现了早熟的特性。在拟南芥中表达犃犅犐3增加了犃狋2犛3,犃狋犆犚犆,犃狋犈犕1,
犃狋犛犗犕 和犃狋犈犕6的表达量,35S:ABI3转基因种子对ABA更加敏感[6]。
ABI3广泛地存在于多种植物中,如玉米、拟南芥、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)、燕麦(犃狏犲狀犪狊犪狋犻狏犪)和水稻
(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)中均有发现,Wang等[7]通过生物信息学手段搜寻11个物种的B3家族基因,结果显示ABI3虽然
广泛存在,但是含量较B3家族其他基因要少得多:如拟南芥中B3家族基因95个,而ABI3家族仅具有3个,棉
花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿犺犻狉狊狌狋狌犿)B3家族基因130个,ABI3家族具有3个,高粱(犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉)B3家族基因80个,
ABI3家族具有4个,柑橘(犆犻狋狉狌狊狉犲狋犻犮狌犾犪狋犪)B3家族基因42个,ABI3家族具有5个。Wang等[7]在玉米基因组
中搜索到81个B3基因,其中ABI3基因仅有4个,Reidt等[8]仅在玉米中发现5个ABI3基因,由上可见玉米中
的ABI3基因不多,而且多数的基因功能还未知[78]。本课题获得玉米中一个新的犃犅犐3基因,并深入研究基因的
功能,可以为综合了解玉米犃犅犐3基因的功能提供一些参考信息。
1 材料与方法
1.1 植物材料
玉米自交系综31于2013年在河北北方学院农场种植,正常田间管理。收集不同时期的组织,液氮中迅速保
存供后续RNA和DNA的提取。提取RNA和DNA的材料包括出苗10d幼苗的根、茎、叶,以及授粉期的花丝、
穗子和授粉15d的幼胚。拟南芥(哥伦比亚品种)由本实验室保存,在光照培养箱中种植。
1.2 玉米幼苗的培养及胁迫处理
因为犣犿犃犅犐3犔 基因的一段EST序列是从玉米苗期干旱胁迫的cDNA文库获得,为研究该基因是否响应
逆境胁迫,做了如下胁迫处理。将适量的水和蛭石搅拌均匀后装入花盆,播种玉米,盖上保鲜膜,置温室培养。将
发育10d的幼苗转移到发芽盒中在水培条件下培养半天后,再分别移入相应溶液中进行胁迫处理,在不同时间
点取样,处理时间分别为0,0.5,1,3,6,12,18,24和48h,收集玉米幼苗液氮中速冻保存供提取RNA用。不同
胁迫处理液分别为(1)ABA(脱落酸)处理:加100μmol/LABA溶液;(2)盐处理:加入250mmol/LNaCl;(3)干
旱处理:加入20%PEG(聚乙二醇);(4)低温处理:将生长在盆中的幼苗直接放在4℃冰箱中培养,取材时间点同
上。
1.3 基因的扩增和RT-PCR
根据NCBI提供的信息(GenBank:XM_008665221.1),设计扩增犣犿犃犅犐3犔 基因的引物,正向引物:5′
CATCCAACAGGGACAGGCAG3′,反向引物:5′GGTAGCGACGGAAGGAAGAA3′。以玉米幼苗cDNA为
模板,利用pfuTaqmix(天根)进行PCR扩增,20μL反应体系中包括10μLpfuTaqmix,1μLcDNA,正向引
物和反向引物各1μL(10μmol/L),7μLddH2O。扩增条件为95℃变性3min,随后35个循环,循环条件为:
95℃ (30s),59℃ (30s),72℃ (1min),循环后72℃延伸5min,3次扩增结果进行测序。同时设计构建载体引
物引入相应酶切位点,正义:5′ATCCccatggGACAGGCAG3′(犖犮狅Ⅰ位点),反义:5′GGTggtgaccGAAG
GAAGAA3′(犅狊狋犈II位点),酶切PCR产物,同时用相应的酶酶切植物表达载体pCAMBIA1300,将基因连接到
植物表达载体上,在35S启动子驱动下表达。
利用RT-PCR分析基因在不同组织的表达量,设计基因的特异性引物,正义:5′CGGGTCAAATACAGT
521第25卷第2期 草业学报2016年
CACACA3′和反义:5′CTCCTGCTCTTCCTCCTCTTT3′,扩增出约380bp的基因特异性片段,同时扩增350
bp的玉米犪犮狋犻狀基因作为内参,引物为正义:5′CAGCAACTGGGATGATATGG3′,反义:5′ATTTCGCT
TTCAGCAGTGGT3′。利用pfuTaqmix(天根)进行PCR扩增,20μL反应体系中包括10μLpfuTaqmix,1
μLcDNA,正向引物和反向引物各0.5μL(10μmol/L),8μLddH2O。扩增条件为95℃变性3min,随后28个
循环,循环条件为:95℃(30s),57℃ (30s),72℃ (1min),循环后72℃延伸5min,在1%凝胶电泳检测基因的表
达情况。
利用realtimePCR研究基因的诱导表达特性,在荧光定量PCR仪上分析(PTC200),所用的引物为:正义:
5′CGGGTCAAATACAGTCACACA3′和反义:5′CTCCTGCTCTTCCTCCTCTTT3′,同时扩增350bp的玉
米犪犮狋犻狀基因作为内参(引物同上),利用 HighCapacitycDNAReverseTranscriptionKits及 PowerSYBR
GreenPCRMasterMix(ABI公司)试剂。20μL反应体系中包括10μLPowerSYBRGreenPCRMasterMix,1
μLcDNA(稀释后),正向引物和反向引物各0.5μL(10μmol/L),8μLddH2O。采用的RealtimePCR程序为
95℃30s预变性,40个扩增循环(95℃10s,59℃30s),从59℃加热到90℃的熔解过程,每个样品设3次重复。
1.4 拟南芥转基因及转基因植株抗旱性和耐盐性的测定
于2014年采用花序浸染法转犣犿犃犅犐3犔 基因到拟南芥中[9]。将T1 代种子表面消毒后均匀铺洒在含有25
mg/L潮霉素的 MS培养基上,置22℃光照(光周期为16h光照/8h黑暗)生物培养箱中培养。选取正常生长15
d的幼苗移栽到培养土中继续生长直到收获种子,结合PCR扩增验证,共筛选2代直到得到纯合的转基因株系。
RT-PCR对犣犿犃犅犐3犔 基因特异性引物进行扩增,同时犪犮狋犻狀基因做内参(方法和引物同1.3)。选取犣犿犃
犅犐3犔 基因表达量高的T3 代纯合转基因拟南芥种子和野生型拟南芥种子点播在含有不同浓度的NaCl(0,50,
100和150mmol/L)和甘露醇(50mmol/L)的 MS固体培养基上,以不含渗透剂的 MS培养基培养对应种子为
对照(CK),每培养皿培养约50粒种子,测定种子发芽率、幼根和幼茎的长度,重复3次。
1.5 生物信息学分析
基因生物信息学分析用NCBI数据库和玉米基因组数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/,ht
tp://www.maizesequence.org/index.html和http://maizegdb.org)。基因的进化树分析和同源性比对采用
DNAMAN软件,基因的保守位点和3维结构的构建利用swissmodle软件。
2 结果与分析
2.1 犣犿犃犅犐3犔 基因的克隆和特征
前期,通过构建玉米苗期干旱胁迫的cDNA文库,获得一段456bp的EST序列,用该序列在NCBI和玉米
基因组数据库中查询[10]。结果表明玉米B73一段cDNA(XM_008665221.1)和我们获得的EST有99%的相似
性,同源搜寻显示该序列为ABI3like基因,属于B3家族 ABI3亚家族,查询结果显示该基因为一个新的ABI3
基因,目前还没有研究报道,故设计引物,扩增基因的全长,并将该序列命名为犣犿犃犅犐3犔,进行深入研究。
犣犿犃犅犐3犔 基因全长1735bp,开放阅读框1212bp(图1A),编码蛋白质大小为404AA,蛋白质分子量43.35
kD。通过蛋白质数据库(swissmodle)对获得的ZmABI3L蛋白进行保守位点和蛋白质结构预测,蛋白的3维结
构显示ZmABI3L主要是螺旋-折叠-螺旋的结构(图1B)。同时,我们研究了基因的序列趋异性,与其他已知
的ABI3蛋白进行比较,从图中可见,该蛋白保守性较低,和其他的ABI3有很多的差异性残基,这也意味着不同
的ABI3基因具有不同的功能,其功能差异也很大(图1C)。
同源查询及聚类分析表明ZmABI3L蛋白与谷子及高粱的ABI3蛋白相似性高,聚在一起,与谷子的同源蛋
白(XM_004976535)相似性为64%,和高粱的同源蛋白(XM_002448339)相似性为58%,与大麦(犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾
犵犪狉犲)的同源蛋白(AK374546)相似性为52%,同时该蛋白和水稻的两个同源蛋白(XM_006647631和 NM_
001187130)、大麦(FP096459)、柏树(犛犲犾犪犵犻狀犲犾犾犪犿狅犲犾犾犲狀犱狅狉犳犳犻犻)(XM_002991492)的同源蛋白具有较高的相似
性(图2)。
621 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
图1 犣犿犃犅犐3犔的克隆和特征分析
犉犻犵.1 犆犾狅狀犲犪狀犱犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犣犿犃犅犐3犔
 A.PCR扩增得到1.6kb基因序列,分子量标准标注在左侧,中间泳道为犣犿犃犅犐3犔 基因,右面泳道为阴性对照。B.基因的3维结构图。C.
犣犿犃犅犐3犔 序列趋异性分析。蛋白的保守性和3维结构用Swiss软件分析。A.PCRamplified1.6kb犣犿犃犅犐3犔geneinlength.Intheleftwas
theDNAmarker,thefistlinewasthe犣犿犃犅犐3犔geneandthesecondlinewasnegativecontrol.B.Thethreedimensionalstructuresof犣犿犃犅犐3犔
werealignedwiththetemplatestructureofotherplantB3domainproteins.C.ThesequenceconservationplotforB3domains.TheSwissModel
programwasusedformolecularmodelingofthededucedaminoacidsequence.
图2 不同物种犃犅犐3蛋白的同源性比对和聚类分析
犉犻犵.2 犃犾犻犵狀犿犲狀狋犪狀犱狆犺狔犾狅犵犲狀犲狋犻犮犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狋犺犲犣犿犃犅犐3犔狆狉狅狋犲犻狀狊狑犻狋犺狅狋犺犲狉狆犾犪狀狋狊犺狅犿狅犾狅犵狆狉狅狋犲犻狀
721第25卷第2期 草业学报2016年
续图2 不同物种犃犅犐3蛋白的同源性比对和聚类分析
犆狅狀狋犻狀狌犲犱犉犻犵.2 犃犾犻犵狀犿犲狀狋犪狀犱狆犺狔犾狅犵犲狀犲狋犻犮犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狋犺犲
犣犿犃犅犐3犔狆狉狅狋犲犻狀狊狑犻狋犺狅狋犺犲狉狆犾犪狀狋狊犺狅犿狅犾狅犵狆狉狅狋犲犻狀
 A.不同物种ABI3蛋白的同源性比对,从图中可见蛋白的保守区域在靠近
中间的区域。B.不同物种ABI3蛋白的聚类分析。用于分析的蛋白来源于:
谷子的蛋白(XM_004976535)、高粱的蛋白(XM_002448339)、水稻的两个蛋
白(XM_006647631和NM_001187130)、柏树(XM_002991492)以及大麦的蛋
白(AK374546和FP096459)。A:HomologyalignmentofABI3proteinsin
differentplants.B:PhylogeneticanalysisofABI3proteinsindifferentplants.
Theproteinsusedinthesearchedwere:犛犲狋犪狉犻犪犻狋犪犾犻犮犪(XM_004976535),
犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉(XM _002448339),犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲 (AK374546and
FP096459),犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪(XM_006647631andNM_001187130)and犛犲犾犪犵犻
狀犲犾犾犪犿狅犲犾犾犲狀犱狅狉犳犳犻犻(XM_002991492).
图3 定量犘犆犚分析犣犿犃犅犐3犔基因的表达情况
犉犻犵.3 犈狓狆狉犲狊狊犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狋犺犲犣犿犃犅犐3犔犫狔犚犜-犘犆犚
 A:基因在不同组织中的差异表达,EA代表幼穗,SI代表花丝,EM 代表幼胚,R为根,ST为茎,L为叶片。B:平行扩增actin作为内参。A:Ex
pressionofZmABI3Lindifferenttissues.EA,SI,EM,R,STandLrepresentedthemRNAisolatedfromear,silk,embryo,root,stemandleaf
tissues,respectively.B:Actinwasamplifiedasaninternalcontrolusingitsspecialprimers.
图4 基因诱导表达情况
犉犻犵.4 犚犲犾犪狋犻狏犲犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀犾犲狏犲犾狅犳犣犿犃犅犐3犔狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犫犻狅狋犻犮狊狋狉犲狊狊
 非生物胁迫分别为250mmol/LNaCl盐处理(A),20%PEG模拟干旱处理(B),冷处理(C),100μmol/LABA处理(D)。玉米幼苗处理时间分别
为0,0.5,1,3,6,12,18,24和48h,扩增Actin基因为内参,数据统计为3次的重复。Abioticstressinclude250mmol/LNaCl(A),20%PEG(B),
cold(C),100μmol/LABA(D),althetreatmentanalyzedbyqRT-PCR.RNAwasisolatedafter0,0.5,1,3,6,12,18,24and48htreatment.
Datarepresentmeansofthreereplicates,valueswerethemean±SD.
821 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
2.2 犣犿犃犅犐3犔 基因的表达特性
图5 转犣犿犃犅犐3犔基因拟南芥耐盐性提高
犉犻犵.5 犈狀犺犪狀犮犲犱狊犪犾狋狋狅犾犲狉犪狀犮犲狅犳犣犿犃犅犐3犔狅狏犲狉
犲狓狆狉犲狊狊犻狀犵犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪
   A:RT-PCR分析犣犿犃犅犐3犔 基因在拟南芥中的表达情况,扩增质
粒做正对照,扩增野生型植株做负对照;B:在不同浓度的 NaCl培养基
中转基因植株的根茎损伤较野生型小。分别测量在0,50,100,150
mmol/LNaCl培养基中生长7d转基因植株和野生型植株的根、幼茎的
长度,每个处理大约 50 株,3 次重复。A:Detectionof犣犿犃犅犐3
犔transgenicbyRT-PCR,lines1to5werethePCRoftransgenic
lines,amplifiedplasmidDNAandWTaspositive(CK)andnegative
control,respective.B:Onthemediumcontainingdifferentsaltstress
indicatedthat犣犿犃犅犐3犔overexpressingseedsweremoretolerantthan
WT.Testwasperformedusingagerminationassayonmediumcontai
ning0,50,100and150mmol/LNaCl.Datarepresentedmeansof
threereplicates,about50plantswereanalyzedoneverexperiments,
valueswerethemean±SD.
图6 犣犿犃犅犐3犔基因提高拟南芥的抗旱性
犉犻犵.6 犌犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀犪狊狊犪狔狊狅犳犣犿犃犅犐3犔狅狏犲狉
犲狓狆狉犲狊狊犻狀犵狆犾犪狀狋狊狌狀犱犲狉犱狉狅狌犵犺狋狊狋狉犲狊狊
   转基因植株(A)和 WT(B)分别生长在50mmol/L甘露醇的培养基
中,转基因植株发芽率高,植株根和茎发育良好(C左侧10株),WT发
芽率低,植株根茎受损伤严重(C右侧10株),每个培养皿大约种50粒
种子,3次重复。犣犿犃犅犐3犔overexpressing犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊(A)andWT
(B)germinationon50mmol/Lmannitol,犣犿犃犅犐3犔overexpressing
犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊(Cleft)haslongerrootandshootthanWT(Cright).Al
theseedsincubationat23℃onMSmediumcontainingsameconcentra
tions.About50plantswereanalyzedontheexperiments.
RT-PCR研究基因在不同组织的表达情况,结
果表明基因是组成型表达的,在不同部位均检测到了
基因的表达。其中根、茎和叶的表达量较低,花丝、穗
子和幼胚的表达量较高,以幼胚的表达量最高(图3)。
犣犿犃犅犐3犔 在不同组织的差异表达或许和其功能相
关。提取不同胁迫处理玉米幼苗的 RNA 通过定量
PCR 分析 犣犿犃犅犐3犔 基因的表达量,结果表明
犣犿犃犅犐3犔 基因的表达受冷、干旱、ABA和盐胁迫诱
导上调表达(图4)。盐胁迫处理基因的表达量在处理
后12h表达量最高,为对照的3.36倍,随后表达量迅
速下降到对照相近水平(图4A)。干旱处理基因的表
达随着处理迅速提高,到处理3h时基因的表达量达
到最高,为对照的2.23倍,随后表达量逐渐降低,到
48h时表达量达到最低(图4B)。冷胁迫处理时,基因
在开始胁迫时表达量略有下降,当达到3h时表达量
为对照的1.54倍,随后开始下降(图4C)。ABA处理
时基因迅速应答,处理0.5h时表达量就为对照的近
1.85倍,处理3h时表达量达到最高,为对照的2.34
倍(图4D)。从基因的诱导表达特性可见犣犿犃犅犐3犔
基因是受多种非生物胁迫诱导表达的,意味着它在应
答胁迫反应中可能起重要作用。
2.3 犣犿犃犅犐3犔 基因增加拟南芥的抗旱与耐盐性
从犣犿犃犅犐3犔 基因的表达特性可见,该基因受
多种胁迫诱导表达,其可能在玉米抗逆境胁迫中起作
用,为深入研究其功能,将该基因转到拟南芥中,研究
基因的作用。本实验共获得7株转基因植株,经过2
代筛选培养后,得到5株T3 代转基因纯合植株,RT-
PCR检测基因表达量显示转基因株系的犣犿犃犅犐3犔
基因有较高的表达量(图5A),选取犣犿犃犅犐3犔 基因
表达最高的株系(line5)进行深入研究。首先耐盐实
验结果表明在不同盐浓度的培养基生长,转基因植株
和野生型植株的耐盐性不同。测量在不同浓度盐溶液
中培养7d植株的根和幼茎的长度(图5B),结果显示
在没有胁迫处理的培养基中(0mmol/L),转基因植株
和野生型植株的根和茎长度差别不大,而在不同浓度
的盐溶液下两种植株生长差异显著。在50mmol/L
的培养基对两种植株的幼茎影响不大,野生型为0.73
cm,而转基因植株为0.82cm,比野生型略长;在100
mmol/L盐培养基中野生型为0.227cm,而转基因为
0.313cm,150mmol/L盐培养基对转基因和野生型
都有较大的损害,野生型的损害更加明显,野生型为
921第25卷第2期 草业学报2016年
0.09cm,而转基因为0.127cm,为野生型的1.4倍。高盐对根的损伤也很明显,在50mmol/L盐培养基中野生
型的根长为3.71cm,而转基因植株根长略高,为4.02cm,100mmol/L盐培养基对拟南芥的根损伤非常明显,
野生为1.31cm,转基因植株为2.11cm,150mmol/L盐培养基野生型为0.23cm,而转基因植株为1.97cm,为
野生型的8.6倍。
将转基因和野生型植株分别种植在50mmol/L甘露醇的培养基上进行耐旱性鉴定,结果可见无论从长势还
是发芽率上转基因植株都要较野生型好,在甘露醇渗透培养基中培养7d,转基因植株的发芽率为(74.5±2)%
(图6A),而野生型为(33.6±3)%,大部分野生型种子没有萌发(图6B)。随机选取各种基因型10株植株进行测
量(图6C),结果显示转基因植株根的平均长度为(2.65±0.3)cm,茎的平均长度为(0.32±0.11)cm,而野生型
根的平均长度为(0.43±0.12)cm,茎的平均长度为(0.21±0.08)cm(表1)。转基因植株的幼苗健康、浓绿,而
野生型长势瘦弱、发黄。
表1 转犃犅犐3犔基因拟南芥在干旱胁迫下的发芽率和植株长度的变化
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀犪狀犱狆犾犪狀狋狊犾犲狀犵狋犺狑犪狊犮犺犪狀犵犲犱狌狀犱犲狉犱狉狅狌犵犺狋狊狋狉犲狊狊狅犳犣犿犃犅犐3犔狅狏犲狉犲狓狆狉犲狊狊犻狀犵犪狀犱犠犜狆犾犪狀狋狊
植株Plant
4d
发芽率
Germination
(%)
根(茎)的平均长度
Averagelengthofroot
(shoot)(cm)
6d
发芽率
Germination
(%)
根(茎)的平均长度
Averagelengthofroot
(shoot)(cm)
7d
发芽率
Germination
(%)
根(茎)的平均长度
Averagelengthofroot
(shoot)(cm)
转基因植株
Transgenicplants
53.6±0.8 1.68±0.20 — 2.37±0.50 74.5±2 2.65±0.30
0.18±0.13 0.22±0.11 0.32±0.11
野生型
Wildtype
17.8±0.5 0.29±0.07 — 0.36±0.11 33.6±3 0.43±0.12
— 0.19±0.06 0.21±0.08
3 讨论
ABA是植物重要的激素,在植物的生长发育、种子萌发、促进衰老等方面起重要作用,随着对其研究的深入
发现它在植物应答干旱、高盐、低温等逆境反应中也起重要的作用,是植物的重要抗逆境因子[11]。越来越多的研
究表明,ABA在生物体内最主要的功能是其作为胁迫激素参与了植物对外界胁迫条件的应答[1213]。
ABI3家族是 ABA信号途径中的重要信号因子,属于B3转录因子家族,在植物的生长发育中起重要的作
用,ABI3可以和多个转录因子结合如LEC1,LEC2和FUS3,这些因子同时也可以控制 ABI3在植物体内的表
达。研究表明ABI3的作用是多方面的,如玉米的犞犘1基因在种子成熟中起作用,狏狆1突变体表现种子早熟性。
拟南芥的ABI3在黑暗诱导植株顶芽的衰老中起重要的作用,通过转基因已经证明ABI3/VP1同源蛋白在种子
和胚的发育中起重要的作用;拟南芥的犔犈犆2基因和犉犝犛3是犃犅犐3最近的同源基因,它们也参与调控种子发育
过程和多种生命过程,在植物发育的早期阶段,犔犈犆2基因决定着胚柄细胞和子叶的发育,在植物发育的晚期阶
段,犔犈犆基因可以使种子抗干燥的能力大大增加[1415]。ABI3的作用并不仅仅局限于种子发育的调控中,Bro
card等[16]从拟南芥中分离鉴定出一种突变体,可以使植株对ABA敏感性降低,具有抑制细胞的伸长、阻止纤维
素的合成、影响维管的分化等功能,并且在气孔调节、胁迫应答基因表达调控方面出现障碍。花生(犃狉犪犮犺犻狊犺狔
狆狅犵犪犲犪)中发现的犃犅犐3/犖犘1基因可以调控胚对脱落酸的敏感性、调控胚中叶绿素的降解和花青素的合成、使种
子获得抗干燥能力和抑制不成熟种子的萌发等作用。水稻中克隆到犃犅犐8基因,是一个对干旱和盐害均有响应
而显著上调的基因可能参与ABA和乙烯信号互作调控拟南芥根的生长[1618]。
目前许多物种的ABI3基因还没有进行深入研究,尤其是它们在 ABA介导的信号通路中的作用还远远未
知。本文的初期研究表明犣犿犃犅犐3犔 基因可以应答多种逆境胁迫因子,同时转基因到拟南芥中可以增加拟南
芥的抗性,是一个潜在的胁迫耐受候选功能基因。ABA发挥特定生理功能的机制是非常复杂的,对胁迫信号如
何通过犣犿犃犅犐3犔 来精确应答,还需要继续深入研究。
031 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
[1] SwaminathanK,PetersonK,JackT.TheplantB3superfamily.TrendsPlantScience,2008,13(12):647655.
[2] HattoriT,TeradaT,SatoshiH.Sequenceandfunctionalanalysisofthericegenehomologoustothemaize犞犘1.PlantMo
lecularBiology,1994,24(5):805810.
[3] GiraudatJ,HaugeBM,ValonC,犲狋犪犾.Isolationofthe犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊ABI3genebypositionalcloning.PlantCel,1992,
4(10):12511261.
[4] FinkelsteinR,SomervileR.Threeclassesofabscisicacid(ABA)insensitivemutationsof犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊definegenesthatcon
troloverlappingsubsetsofABAresponses.PlantPhysiology,1990,94(6):11721179.
[5] SuzukiM,KaoCY,McCartyDR.TheconservedB3domainofVIVIPAROUS1hasacooperativeDNAbindingactivity.
PlantCel,1997,9(5):799807.
[6] SuzukiM,WuS,LiQ,犲狋犪犾,DistinctfunctionsofCOARandB3domainsofmaizeVP1ininductionofectopicgeneexpres
sionandplantdevelopmentalphenotypesin犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊.PlantMolecularBiology,2014,DOI:10.1007/s111030140177x.
[7] WangJ,DengX,ShiT,犲狋犪犾.Diversification,phylogenyandevolutionofauxinresponsefactor(ARF)family:insights
gainedfromanalyzingmaizeARFgenes.MolecularBiologyReports,2012,39(3):24012415.
[8] ReidtW,WohlfarthT,Elerstrom M,犲狋犪犾.Generegulationduringlateembryogenesis:theRYmotifofmaturationspecific
genepromotersisadirecttargetoftheFUS3geneproduct.PlantJournal,2000,21(5):401408.
[9] CloughSJ,BentAF.Floraldip:asimplifiedmethodfor犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿mediatedtransformationof犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪.
PlantJournal,1998,16(6):735743.
[10] LiuYH,WangXT,ShiYS,犲狋犪犾.Expressionandcharacterizationofaproteindisulfideisomerasesinmaize(犣犲犪犿犪狔狊
L.).ChineseJournalBiochemistryandMolecularBiology,2009,25(3):229234.
[11] LiuQ,ZhangSK,SunWB,犲狋犪犾.Nutritioneffectsongrowthandendogenoushormonedinkentuckybluegrass.ActaPrat
aculturaeSinica,2015,24(2):3140.
[12] ZhuJK.Saltanddroughtstresssignaltransductioninplants.AnnualReviewofPlantBiology,2002,53(2):247273.
[13] ChengW H,ChiangM H,HwangSG.Antagonismbetweenabscisicacidandethylenein犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊actsinparalelwith
thereciprocalregulationoftheirmetabolismandsignalingpathways.PlantMolecularBiology,2003,71(2):6180.
[14] UmezawaT,NakashimaK,MiyakawaT.MolecularbasisofthecoreregulatorynetworkinABAresponses:sensing,signa
lingandtransport.PlantCelPhysiology,2010,51(11):18211839.
[15] BiesEtheveN,SilvaConceicaoA,GiraudatJ,犲狋犪犾.ImportanceoftheB3domainofthe犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊ABI3proteinforEm
and2Salbumingeneregulation.PlantMolecularBiology,1999,40(6):10451054.
[16] BrocardGiffordI,LynchTJ,GarciaME.The犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪abscisicacidinsensitive8encodesanovelproteinmedi
atingabscisicacidandsugarresponsesessentialforgrowth.PlantCel,2004,16(2):406421.
[17] YangXG,FanNS,LiangW H.Molecularcloningandexpressionanalysisofabscisicacidinsensitive8likegenefromrice
(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪L.).JournalofHenanUniversity,2011,41(3):290294.
[18] DongHP,YuH,BaoZL,犲狋犪犾.TheABI2dependentabscisicacidsignalingcontrolsHrpNinduceddroughttolerancein
犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊.Planta,2005,221(7):313327.
参考文献:
[10] 刘颖慧,王秀堂,石云素,等.玉米蛋白质二硫键异构酶(PDI)基因的特征和表达.中国生物化学与分子生物学报,2009,
25(3):229234.
[11] 刘强,张锁科,孙万斌,等.不同营养调控对草地早熟禾生长和内源激素含量影响研究.草业学报,2015,24(2):3140.
[17] 杨献光,范念斯,梁卫红.水稻胁迫应答基因OsABI8的克隆与表达分析.河南大学学报,2011,41(3):290294.
131第25卷第2期 草业学报2016年