全 文 :林业科学研究!"#$%!"&"$#$$ "" 复合物亚基O\"95F:9;I:0<@-b>9:0W3 胞色素 @-b>复合物亚基O\"95F:9;I:0<@-b>9:0W3K6@672FO\#,核酮糖 $! %(二磷酸羧化酶b加氧酶小亚
!"#$%&$%$(#)*
!!文章编号!$##$($)*&""#$%##$(##$(#-
刚毛柽柳 8079#!基因的互作蛋白及其
表达模式分析
赵!震! 杨桂燕! 张凤娇! 高彩球!
"东北林业大学 林木遗传育种国家重点实验室!黑龙江 哈尔滨!$%##)##
收稿日期$ "#$)(#)($%
基金项目$ 新世纪优秀人才支持计划"编号$]P/J($,(##*#和东北林业大学青年拔尖人才支持计划" a`JJ($"$,(#*#
作者简介$ 赵!震"$**#(#!硕士研究生!主要研究方向$林木抗逆性育种) #)%$(&"$*$&"#!哈尔滨和兴路 "- 号!$%##)#
!
通讯作者$博士!副教授!主要研究方向$林木抗逆性育种) #)%$(&"$*$&"#!/(0123$ M1:912X2687<>6+
外界盐和干旱等非生物胁迫做出响应!且过表达K*$4!+,基因能提高酵母和烟草的抗旱耐盐能力) 为进一步研究
K*$4!+,基因的抗逆机制!本研究通过酵母双杂交对柽柳翻译起始因子"K*$4!+,#基因的互作蛋白进行了筛选!共
获得 % 个互作蛋白!分别为 N].聚合酶
#
O亚基 "N].W:350
亚基蛋白
".J` K57F;1K
K*$4!+,可能通过与这些蛋白相互作用来参与逆境胁迫应答) 为进一步研究K*$4!+,基因的抗逆机理奠定了基础!
有利于完善林木抗逆机制的研究!并为通过基因工程手段提高林木抗逆性提供了候选基因)
关键词!刚毛柽柳% 酵母双杂交% 互作蛋白% 翻译起始因子 $.% 植物抗逆性
中图分类号!D$&+)- 文献标识码!.
G*#1.&-*H I1)#-*()%8):)(+3 0+/.+,) !1.*(/.-)*G*--.-)*E.&)1
9+.*8!"#-1$J,1#((-)*I.#1*+*./7(-(
89,J8*$6! >,:;;?20^(6! 89,:;!$6A0a2("! ;,JD(20b2?
"DF1F
V672FWI:F<27! 95F:9;I:0<@-b>9:0W3
6#7 4)18($K(@(#2Y*2%G2F(%5<1KFFV:(;5@I2E%27F
件下蛋白质翻译的恢复程度对细胞的存亡具有非常
重要的作用*$+ ) 真核翻译起始因子"FI17K31F2:7 272F2(
1F2:7 >19F:IK!
的)
参与蛋白质合成过程起始的第 $ 步!即在 $4!+,等
的参与下!
的合成起始过程中起着重要作用!是蛋白合成重要
的调控因子之一)
A(#2%# $4!+,基因 "-_$4!+,#在酵母中过量表达可
显著提高酵母对 ]1h和 H2h的耐受性!而且过量表
达-_$4!+,的拟南芥同样明显提高了耐盐能力*&+ )
王留强等**+也证实柽柳K($4!O,基因能提高植物的
抗逆性!进一步利用酵母双杂交技术获得了K($4!O,
的互作蛋白J1
移酶发生互作!参与 BP^
$#
的功能调控*$#+ ) P`/L
协作蛋白 Z1K427 也能与 $4!UE瞬时互作转录激活
P`/包含型0N].K*$$+ )
本研究从刚毛柽柳中克隆获得了一个 $4!+,基
因"K*$4!+,#!研究发现K*$4!+,基因的表达与盐和
干旱等逆境胁迫相关!过量表达 K*$4!+,基因能明
显提高转基因酵母和转基因植物的抗逆能力*$"+ )
为了研究K*$4!+,基因的耐盐调控机制!我们利用
酵母双杂交系统!将 K*$4!+,基因筛选柽柳蛋白文
库!获得与 K*$4!+,互作的蛋白%并对这些蛋白及
K*$4!+,在盐胁迫下的表达模式进行分析!探讨这
些互作蛋白在K*$4!+,耐盐调控过程中的作用)
$!材料与方法
9+9:植物材料处理
刚毛柽柳生长在温室中!生长基质为 \"泥炭
土#g\"沙# c"g$ 的混合土壤!温室平均温度为 ")
f!相对湿度为 #d %d!光照时间为 $) ;bE)
长势一致的 , 月龄刚毛柽柳扦插苗用于实验研究)
分别进行 #+) 0:3bH]1P3和 #+) 0:3bH甘露醇浇灌
处理 - E,$" E以及处理 - E后进行浇水恢复 - E"记
为 - h- E#!每个处理重复 , 次!每个处理至少 - 个
单株) 同时以非胁迫处理"浇水#的柽柳为对照)
收集处理及对照柽柳的根,茎及叶片!液氮速冻后!
置于[# f保存用于N].的提取)
9>;:酵母双杂 K.-载体",3K6!AL!"#GE9+#的
构建
!! 根据 K*$4!+,基因序列!设计 L12F载体" WB(
LGJ#引物"表 $#) 以 WZ^ ($&(J(J;
端的同源互补序列) 胶回收纯化后用 -(@QO和
E)"NO进行双酶切! 与同样经过双酶切的 WBLGJ
质粒连接) 连接液转化 JY`$# 大肠杆菌!于含卡那
霉素"终浓度 %# 0M-H[$#的HL培养基上筛选阳性
克隆!经 P`N和测序检测!确定获得重组克隆"命名
为 WBLGJ(J;
引物名称 引物序列
WBLGJ(J;
B..P..BBBB..B(,.
WBLGJ(J;
P..J.JPPJPBJ(,.
9><:K.-蛋白的自激活及毒性检测
制备a
"
Q酵母感受态细胞!使用酵母细胞小量
转化法*$,+ !分别将 WBLGJ 和 WBLGJ(J;
"
Q酵母菌细胞中) 涂布在 D b^(JIW上筛
选!待生长出约直径为 " 00菌落!挑点摇菌后将其
分别点点于 D b^(JIW!D b^(JIWb_(
$
(B13!D b^(JIWb_(
$
(B13b.@.上进行检测)
9>=:候选I1#7质粒的获得及鉴定
将培养好的 a
"
Q " WBLGJ(J;
H<6b_(
$
(B13b.@.培养基上进行筛选培养!待生长
) E左右!挑取生长良好的单克隆转移到 D b^(JIW(
H<6(Q2K(.E
(B13b.@.固体培养基筛选 " 代!挑
取单克隆至 D b^(JIW(H<6(Q2K(.E
(B13b.@.液
体培养基上培养 " E!提取酵母质粒后使用文库载体
引物 Z^ ?"%.(PJ.JJPB.JB.JB..B.J.PPPP.P(
P...PPP(, .# 和 Z^ N " % .(BJB..PJJ(
BPBBBBJJJJJP.BJ.JPJ.PB.JJ(, .# 进 行 P`N
检测) 经检测后的候选 I`<5酵母质粒与 L12F共转
化a
"
Q在 D b^(JIW(H<6(Q2Kb_(
$
(B13b.@.固体培养
基上筛选确认) 经确认互作的候选 I`<5转化大肠
杆菌感受态后送华大测序)
将测序获得的 I`<5蛋白和 K*$4!+,进行互换!
分别构建到 WBLGJ 和 WB.^ J(I<9上!共同转化
a
"
Q酵母细胞!在 D b^(JIW(H<6(Q2Kb_(
$
(B13b.@.固
体培养基上筛选!以进一步确认二者之间的互作)
&$
第 $ 期 赵!震等$刚毛柽柳K*$4!,基因的互作蛋白及其表达模式分析
9>?:获得的互作蛋白与 8079#+!基因的表达模式
分析
!!PJ.L法提取各处理时期的 N].!分别取 $
!
M
经 ]^1K<消化的 N].!根据 J1G1N1公司反转录试
剂盒说明反转录成 9^].) 根据获得的互作蛋白基
因序列和 K*$4!+,基因序列设计实时定量 NJ(`PN
引物"表 "#!内参基因选用13W;1F6@327,.9F27和 @
BI<<7 N<13F20<` PNZ1KF
H反
应体系含 $#
!
H" qDaLNWI<02A/AJ1X 酶,上下游
引物""#
!
0:3-H
[$
#各 #+%
!
H,"
!
H稀释后的模板
9^]."相当于 #+#"
!
M总 N].#) XNJ(`PN反应程
序为$*) f预变性 ,# K% *) f变性 ,# K! -# f退火
,# K! " f延伸 ,# K!&$ f孵育 $ K!读版!)% 个循
环) 每个样品重复 , 次) 基因的相对定量分析用
"
[
""
P
J法*$)+ )
表 ;:实时定量M!LINM引物
互作蛋白名称 引物名称 引物序列
J;
#
O亚基 N].(? %.(.BJ.BBJ.JB.B.BB.JJ(,.
N].(N %.(PJ.PBJ.P..P..J.JBJ(,.
.J` 合成酶P?$
$
亚基蛋白 .J`(? %.(PBJ.BPP.P.B.J.PB.J(,.
.J`(N %.(BJBJBJPBJJP.PB.J.P(,.
细胞色素 @-b>复合物亚基O\ P5(? %.(PJ.BBJ.PJ.JJBP.JBJ(,.
P5(N %.(P.PJBJJ..J..JPPJBP(,.
核酮糖 $!%(二磷酸羧化酶b加氧酶小亚基蛋白 N2@(? %.(P..JBP.JBP.BBJ.JBB(,.
N2@(N %.(BJPP.BJ.BPBJPP.JPB(,.
组蛋白乙酰转移酶 Q2K(? %.(.JB.BB.BPJJB.JBPJB(,.
Q2K(I %.(P.J.JBPPJPJBP..PJB(,.
"!结果与分析
;>9:K.-载体的构建
以 WBLGJ(J;
所示!结果表明获得的目的片段长度与 K*$4!+,基
因长度一致!进一步测序确认!结果表明该片段序列
与K*$4!+,基因序列大小一致!表明 L12F载体"WB(
LGJ(K*$4!+,#构建成功)
$! H^"### Z1I4) -!WBLGJ(K*$4!+,的 , 个单克隆
图 $!转化 WBLGJ(K*$4!+,的大肠杆菌菌液 P`N电泳结果
;>;:!"#GE9+自激活活性及毒性的确定
挑取 D b^(JIW 固体筛选培养基上生长 , E 的
a
"
Q"WBLGJ#和a
"
Q"WBLGJ(J;
-##
c$+%
之后稀释至J.
-##
c#+&!分别点点于 D b^(JIW! D b^(
JIWb_(
$
(B13! D b^(JIWb_(
$
(B13b.@.上生长约 , E
后观察发现 a
"
Q " WBLGJ # 和 a
"
Q " WBLGJ(
J;
(B13均能正常生
长但不能变为蓝色!表明 B.H) 报告基因没有表达!
说明K*$4!+,不具有毒性"图 " .,L#而在 D b^(JIWb
_(
$
(B13b.@.均不生长"图 "P#!表明 K*$4!+,不具
有自激活活性) 因此可以利用酵母双杂交分析其互
作蛋白)
.$D b^(JIW%L$D b^(JIW b_(
$
(B13%P$D b^(JIWb_(
$
(B13b.@.
图 "!K*$4!+,自激活活性及毒性检测
;><:与!"#GE9+互作蛋白的筛选与鉴定
利用酵母双杂交技术筛选获得了 ") 个可能与
K*$4!+,互作的蛋白) 将这些可能的互作蛋白构建
到 I`<5载体上!和 L12F载体"WBLGJ(J;
$
(B13b.@.上进行互作验证!结
果表明有 % 个互作蛋白能正常生长!且变蓝!进一步
将L12F与 I`<5互换后进行互作验证!结果显示互换
后仍能正常生长且变蓝"图 ,#!表明这些蛋白能与
K*$4!+,发生互作!可能是K*$4!+,蛋白的互作蛋白)
*$
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
这 % 个互作蛋白分别是N].聚合酶
#
O亚基 "N].
W:350
亚基
蛋白 " .J` K57F;1K
基蛋白" I2@63:K<$!%(@2KW;:KW;1F<91I@:A531K
#
O亚基% L$.J` 合成酶P?$
$
亚基蛋白% P$细胞色素 @-b>复合物亚基O\% $^核酮糖 $!%(二磷酸
羧化酶b加氧酶小亚基蛋白% /$组蛋白乙酰转移酶+
图 ,!L12F"WBLGJ(K*$4!+,#互作的蛋白及其验证
;>=:? 个互作蛋白基因及 8079#+!基因表达模式
分析
!! 利用实时荧光定量 P`N对 K*$4!+,及 % 个互
作蛋白基因表达模式进行分析!以探讨这些互作蛋
白在抗逆功能上与K*$4!+,之间的相关性) 结果表
明$ ]1P3胁迫下!在根,茎,叶 , 个组织中!除蛋白乙
酰转移酶外!其他 ) 个蛋白的表达趋势均与K*$4!+,
一致) 即!胁迫 - E时上调表达!但随着胁迫时间的
延长!表达量逐渐降低! - h- E 时主要表现为下调
表达!$" E 时各个基因的表达都达到最低值) 而蛋
白乙酰转移酶基因在 - E 时表达量较低!- h- E 时
表达量达到最大!$" E 时表达量又降低"图 )#) 而
甘露醇胁迫下 % 个互作蛋白的表达趋势均和
K*$4!+,基因一致) 即在根,茎,叶中!这 - 个基因在
- h- E 胁迫条件下的表达均下调且达最低表达水
平!而胁迫 $" E 时!所有基因的表达都显示为上调
表达!且表达量达最大"图 %#)
,!讨论
$4!+,基因在人类和酵母中的研究较多!在植
物中的研究目前还处于起始阶段!仅有少数的报
道*$%!$-+ !$4!+,在细胞内的具体功能仍不清楚) 本
研究在克隆得到柽柳 K*$4!+,基因全长!证实其能
提高植物的抗逆能力的基础上!拟通过酵母双杂交
系统来研究与 K*$4!+,互作的蛋白!探讨 K*$4!+,
在植物细胞内是如何与其他蛋白相互作用来提高植
物的抗逆性的) 本研究获得了 % 种不同的互作蛋
白!其中N].聚合酶有催化转录的作用) 在真核生
物器官中翻译起始因子$4!+,参与蛋白质合成过程
起始的第 $ 步!即在 $4!+,等的参与下!
启动翻译*+ ) $4!+,在肽链的合成起始过程中起着
重要作用!是蛋白合成重要的调控因子之一) 因此
我们推测!N].聚合酶可能与 $4!+,相互作用来促
进前者的转录或者是后者的翻译!进而促进蛋白的
表达来参与各种生命活动) 此外!N].聚合酶可以
催化植物启动子的转录! K*$4!+,启动子是否在调
控K*$4!+,基因的表达的同时也会影响 N].聚合
酶还有待进一步的分析) XNJ(`PN结果表明!在盐
和干旱胁迫条件下!N].聚合酶
#
O亚基都表现了
与K*$4!+,相一致的表达模式!表明!在抗逆调控过
程中!二者可能是协调发挥作用来抵制外界的刺
激的)
.J` 合成酶广泛分布于线粒体内膜!叶绿体类
囊体!异养菌和光合菌的质膜上!参与氧化磷酸化和
光合磷酸化!在跨膜质子动力势的推动下合成.J`)
.J` 酶在植物抗逆中发挥作用!比如给植物增加过
量的外源.J` 合成酶会使植物的含水量减少!从而
影响植物的正常代谢!降低抗逆能力*$+ ) 在 ]1P3
胁迫下!.J` 酶会出现降解现象*$&+ !若某基因能在
盐胁迫下减少.J` 酶的降解!也能一定程度上起到
抗逆作用) 而植物响应于干旱,盐,极端温度时也都
涉及到.J` 酶的调控*$*+ ) 在本研究中!.J` 合成酶
P?$
$
亚基在 ]1P3和甘露醇胁迫下的表达模式与
#"
第 $ 期 赵!震等$刚毛柽柳K*$4!,基因的互作蛋白及其表达模式分析
图 )!]1P3胁迫下K*$4!+,及其互作蛋白基因的表达模式
图 %!甘露醇胁迫下K*$4!+,及其互作蛋白基因的表达模式
K*$4!+,一致! 表明二者在盐和干旱过程中的关系
是协同作用的)
细胞色素 @-b>复合物参与电子传递*"#+ ) 电子
传递发生在植物光合作用呼吸作用等重要代谢途
径!是植物正常生长发育不可缺少的过程*"$+ ) 在外
界非正常刺激下!植物的代谢也会受到影响!进而电
子传递过程会发生异常) 本研究中!K*$4!+,与细
胞色素 @-b>复合物亚基O\在干旱和盐胁迫下表现
出非常相似的表达模式!表明!在这些逆境下!
K*$4!+,有可能通过调节细胞色素 @-b>复合物亚基
O\以保持或者尽快恢复电子传递而实现抗逆)
核酮糖($!%(二磷酸羧化酶b加氧酶是植物光合
作用过程中固定PY
"
的关键酶!同时也参与植物的
光呼吸代谢途径!消耗植物光合作用合成的有机
物*""+ ) 该酶也与植物的过氧化氢含量的调节变化
有一定的关系*",+ !这给我们提供了一个研究抗逆基
$"
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
因在抗氧化系统中的调控功能的方向) 作为与
K*$4!+,基因在盐,旱条件下具有相一致的表达模
式的核酮糖 $!%(二磷酸羧化酶b加氧酶小亚基是否
在K*$4!+,抗逆过程中涉及到的活性氧积累和清除
中起到了调控作用!为我们的后续研究提供了理论
线索)
组蛋白乙酰转移酶主要是调节组蛋白和转录因
子的乙酰化水平!从而在控制细胞生命活动中发挥
着重要作用!可以通过研究组蛋白乙酰转移酶含量,
活性以及利用度等方面来研究其分子机理*")+ ) 但
该酶是否参与其他功能基因的调控过程有待进一步
的研究) 在本研究中!]1P3胁迫下其与 K*$4!+,的
表达模式不一致!但在甘露醇胁迫下却非常一致!表
明!在K*$4!+,抗旱调控中!组蛋白乙酰转移酶参与
其中!但在抗盐情况下!它与K*$4!+,的关系则不一
定是协同或者拮抗!而可能是通过其他调控方式发
挥作用的)
综上所述!酵母双杂交实验钓取的 % 个互作蛋
白大多与逆境胁迫相关!且在盐,旱胁迫下与
K*$4!+,表达模式基本一致!表明盐和干旱胁迫下!
K*$4!+,基因可能通过与这些基因的互作共同参与
抗逆过程!为我们进一步研究 K*$4!+,基因的抗逆
机制以及与其他抗逆基因的关系提供了有力的线索
和依据) 但这些基因在整个抗逆调控网络中的具体
功能!调控方式以及与 K*$4!+,基因的关系有待进
一步研究)
参考文献!
*$+ Q:3924 Z! ]+D:7<7@
*"+ Q:V1IF; P+Z:3<9631IN
[&)$+
*,+ :^7Mj! j;17Mk+O72F21F2:7 ?19F:I$4!M 17E N
JI17K31F2:7! P<3BI:VF;! 17E P1799:3:M5bQ<01F:3:M5+"##-! %* ",#$ $-* [$+
*)+ 5`I:77
*%+ G5IW2E
*-+ Z<914 .N! D;27 LD! <^T
*+ Y3K<7 ^D! D1T7
*&+ N16K<3.! G17;:7:6 N! a<76K; H! $&(1+J;
**+ 王留强! 柽柳真核起始因子 %."<3?D.# 基因的功能研究* +^+
东北林业大学硕士论文+"#$$+
*$#+ J153:I^ ]! P1Ik`+J;
*$"+ 于丽丽+柽柳K*.E-和 K*$4!O,基因抗逆功能研究* +^+东
北林业大学! "#$$+
*$,+ 管!蕊+利用酵母双杂交系统筛选与 LZ]` \`/,& 和 \O?($ 相
互作用的蛋白* +^+江苏科技大学! "#$"+
*$)+ H2T14 Gk! D9;02FM<7 J +^.7135K2K:>N<31F2T1^F1CK27MN<13(J20
%%
P
J
Z
*$%+ L1F2KF
727M?679F2:7*k++Z:3<9631IP<3+"###! % "$#$ $#* [$$*+
*$-+ P;16E;6I2k! D2G! Z12FI1C+?679F2:7 :>/641I5:F29JI17K31F2:7
O72F21F2:7 ?19F:I$."
$**! "" "$"#$ &&, [&*$+
*$+ J
*$&+ ]26 _! LI
*$*+ U17MU! \27:96IL! .3F017 .+` 317FN
KFI
控蓝细菌" I 6^$)*")^%&2%IG[H))VWSM# 的状态转换*k++.9F1
L2:W;5K291D27291+"##"! $& ",#+
*"$+ 施定基! 张!超! 李世明! 等+蓝藻与植物叶绿体光合系统基因
的生物信息学研究*k++遗传学报+"##)! ,$ "-#$ -" [-,,+
*""+ 梅!杨! 李海蓝! 谢!晋! 等+核酮糖($! %(二磷酸羧化酶b加氧
酶 "N6@2K9:#*k++植物生理学通讯+"##! ), ""#$ ,-, [,-&+
*",+ 刘拥海!彭新湘!李明启+水稻叶片中过氧化氢与核酮糖($! %(
二磷酸羧化酶b加氧酶降解的关系*k++植物生理学报+"###!
"- "-#$ )&$ [)&-+
*")+ 姜绮霞! 袁!洪+组蛋白乙酰转移酶及脱乙酰基酶的作用及调
节机制*k++生命的化学+"##! " ",#$ "$& [""#+
""