全 文 :林业科学研究 2015,28(6):833 838
ForestResearch
文章编号:10011498(2015)06083306
思茅松1脱氧D木酮糖5磷酸合酶(DXS)基因的
克隆及功能分析
王 毅1,2,周 旭3,毕 玮1,2,杨宇明2,李 江2,王 娟2
(1.云南省林业科学院 国家林业局云南珍稀濒特森林植物繁育和保护重点实验室,云南 昆明 650201;
2.云南省林业科学院,云南省森林植物培育与开发利用重点实验室,云南 昆明 650201;
3.西南林业大学,云南 昆明 650224)
收稿日期:20150119
基金项目:林业公益性行业科研专项(201304105)资助;云南省应用基础研究重点项目(2013FA054);云南省中青年学术技术带头人后
备人才培养项目(2010CI016)资助
作者简介:王 毅(1981—),男,四川广安人.助理研究员,主要从事植物学和分子生物学研究.Email:22825818@qq.com.
通讯作者:植物学博士,教授,硕士生导师,从事生物多样性保护和竹类植物的微观研究.schima@163.com.电话:087165822842。
摘要:1脱氧D木酮糖5磷酸合酶(DXS)是甲基
!
D
!
赤藓醇
!
4
!
磷酸(MEP)途径中的第一个酶,也是限速酶。
本文根据思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis(A.Chev.)Gaussen)树皮转录组数据分析结果,获得思茅松 DXS
基因片段,然后根据获得的基因片段设计特异引物,运用 RTPCR和 RACE技术从思茅松树皮中克隆得到完整的
DXS基因(PkDXS1)。PkDXS1基因的cDNA全长序列2888bp,含有1个2223bp的开放阅读框(ORF),编码740
个氨基酸,该基因推断的蛋白与赤松(PinusdensifloraSiebold&Zucc)DXS蛋白的相似性为99%,与欧洲云杉(Picea
abies(L.)H.Karst.)DXS的相似性为97%;经氨基酸序列比对,推断思茅松DXS具有高等植物DXS酶特有的叶绿
体转运肽,二磷酸硫胺结合位点和转酮醇酶结构域。半定量RTPCR检测表明树皮的创伤促进DXS基因的表达。
关键词:思茅松;DXS;cDNA克隆;基因功能分析
中图分类号:S718.46 文献标识码:A
IdentificationandCharacterizationofa1DeoxyDxylulose
5phosphateSynthaseGeneFromPinuskesiyavar.langbianensis
WANGYi1,2,ZHOUXu3,BIWei1,2,YANGYuming2,LIJiang2,WANGJuan2
(1.TheKeyLaboratoryofRareandEndangeredForestPlantsofStateForestryAdministration,YunnanAcademyofForestry,Kunming 650201,China;
2.TheKeyLaboratoryofForestyPlantCultivationandUtilization,YunnanAcademyofForestry,Kunming 650201,Yunnan,China;
3.SouthwestForestryUniversity,Kunming 650224,China)
Abstract:1deoxyDxylulose5phosphatesynthase(DXS)catalyzesthefirstandtheratelimitingstepoftheMEP
pathway.Inthisstudy,thespecialprimersweredesignedaccordingtothetranscriptomedataofPinuskesiyavar.
langbianensis(A.Chev.)Gaussen.ThefullengthgeneofPkDXS1wasclonedbyRTPCRandRACE,which
consistedof2223bpopenreadingframe(ORF)encoding740aminoacid,thededucedPkDXS1proteinshared
99% and97% identitieswithDXSofPinusdensifloraSiebold&ZuccandPiceaabies(L.)H.Karst.,respective
ly.AnalysisofthededucedaminoacidsequenceshowedthatPkDXS1cariedachloroplasttransitpeptied,athia
minediphosphatebindingsite,andatransketolasemotif,whicharetheimportantcharacteristicsofDXSenzymesin
higherplants.SemiquantityRTPCRdetectionshowedthatDXSgeneexpressionwasupregulatedbywounding
treatment.
Keywords:Pinuskesiyavar.langbianensis(A.Chev.)Gaussen;1deoxydxylulose5phosphatesynthasegene;
cDNAclone;genefunctionanalysis
林 业 科 学 研 究 第28卷
思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis(A.
Chev.)Gaussen)是云南松脂主要资源树种之一,其
树干富含树脂,其松节油平均含量20%,最高可达
32%,松节油中 β蒎烯含量高,为全国之最[1]。据
调查,目前云南省思茅松的林地面积约 102.5万
hm2,松香年蓄积量为11.5万 t,其松香产量占云南
省产量的90%以上[2]。然而,在生产实践中发现思
茅松个体松脂产量差异显著,单株年产量一般3kg,
最高可达140kg[1],这意味着思茅松单位面积产脂
量有巨大的提升空间。思茅松产脂量高低属于数量
性状,但是传统的数量性状研究方法在解决生长周
期较长的物种的数量性状时却面临诸多困难。虽然
目前已经发展出利用第二代测序技术,获得 SSR或
SNP等分子标记,然后将分子标记关联到数量性状
上,有效地揭示了一些数量性状机理,也大大提高了
分子辅助育种的效率[3]。但是对于思茅松这样的树
种,除了生长周期长的特性之外,还有基因组特别庞
大的特点,这为筛选得到与数量性状关联的分子标
记带来巨大困难[4]。随着越来越多的数量性状机理
被揭示,研究者发现与数量性状相关的代谢途径基
因往往处于数量性状基因座内或者附近[5-6]。因
此,Mauricio于2001年就提出反向数量遗传学研究
策略[7],即从候选基因(通常是与数量性状相关的
代谢通路上的关键基因)出发,首先确定候选基因与
数量性状相关性,再对候选基因上下游序列进行研
究,获得数量性状基因座进而阐明数量性状基因调
控机理[8-9]。特别是近年测序技术的飞速发展,从
候选基因出发,通过比较基因组上的差异已经获得
大量数量性状基因座[10-11]。
松脂是由挥发性和非挥发性萜类组成的复杂混
合物,松脂中的挥发性单萜和倍半萜以及非挥发性
的二萜是重要的化工原料[12]。它们都是以异戊烯
基焦磷酸(IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)为
初始底物,在异戊二烯转移酶(FPP,GPP,GGPP)作
用下生成萜类化合物的各种前体,最后在萜烯合酶
作用下生成单萜、二萜、倍半萜等萜类化合物[13]。
研究人员发现 IPP和 DMAPP可以通过两个代谢途
径独立合成,即位于细胞质中的甲羟戊酸(meval
onatepathway,MVA)途径和位于质体中的甲基
!
D
!
赤藓醇4磷酸途径(MEP)。其中,MEP途径的最
终产物通常是单萜、二萜和四萜类化合物,而 MVA
途径的最终产物通常是倍半萜、三萜类化合物[14]。
前期研究人员对高产脂思茅松松脂化学组成特征研
究发现思茅松所产松脂中的主要成分为单萜和双萜
化合物,而倍半萜的含量不到 2%[15]。因此,MEP
途径在思茅松松脂合成代谢中起着重要作用。
1脱氧D木酮糖5磷酸合酶(DXS)是 MEP途
径中的第一个酶,也是第一个限速酶[16],DXS通过
控制质体中类异戊二烯前体的供应,从而调控植物
的初级代谢以及次级代谢[17]。许多实验已经证明
过量表达DXS基因将提高宿主植物中萜类化合物
的含量[18]。DXS存在于植物和细菌中,并且有非常
高的同源性,在植物和细菌中任何一对 DXS有拥有
高于45%的相同氨基酸。并且在植物中 DXS的保
守性高于细菌中的保守性。最近的研究表明:大多
数植物中都含有超过一个 DXS基因。DXS1(或简
单DXS)拥有与细菌DXS非常相似的功能;而DXS2
(和DXS3)在植物中具有不同组织或者不同器官的
表达差异性。比如研究人员发现松科植物中的DXS
基因会在其受伤组织中大量表达[17]。Kim等的研
究也发现赤松通过改变 DXS的转录水平来调控其
松脂代谢,在割脂(创伤)后,DXS基因表达量和松
脂产量成正相关[19]。在研究葡萄中单萜成分含量
数量性状基因座时,发现 DXS基因位于影响葡萄中
单萜含量的数量性状基因座上[20]。因此,我们推测
思茅松的松脂代谢也受到 DXS基因表达调控,其所
在基因座也影响着松脂产量。目前,虽然 DXS基因
很早就在模式植物拟南芥中发现,但由于 DXS的功
能越来越丰富,因此依然有许多来自于非模式植物,
特别是一些具有重要经济价值的植物中的 DXS被
克隆出来并鉴定其功能,如土沉香[21]、蜜柑[22]。然
而关于裸子植物的 DXS功能的报道却很少[17,23]。
目前尚未见与思茅松 DXS基因的相关报道,因此,
本文首先对思茅松转录组数据进行分析后获得思茅
松的 DXS基因部分序列,然后利用 RTPCR和
RACE方法获得全长的思茅松 DXS基因,并进行生
物信息学分析以及基因表达分析,以期为思茅松
DXS基因功能研究奠定基础,同时也为阐明思茅松
松脂生物合成机制和分子育种提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
思茅松树皮采集于2013年11月云南省普洱市
景谷县半坡乡,按照当地采松脂步骤,去除粗皮后,
将表皮以及形成层部分割下,迅速放入液氮中,并一
直用液氮保存直到提取RNA。pESYT3克隆试剂盒
438
第6期 王 毅,等:思茅松1脱氧D木酮糖5磷酸合酶(DXS)基因的克隆及功能分析
及感受态细胞均购自北京全式金公司;LATaq酶、
以及 ReverseTranscriptaseMMLV购自大连宝生物
公司。
1.2 总 RNA的抽提
思茅松的树皮、松针、幼枝的 RNA提取方法采
用CTAB提取,LiCl沉淀的方法[24-25]。RNA提取裂
解液配方为:100mmol·L-1TrisHCl(pH8.0)、2%
CTAB、30mmol·L-1EDTA、2mol·L-1NaCl和
005%(W/V)亚精胺,在提取时再加入2%(w/v)
PVPP、2%(v/v)β巯基乙醇、2mg·mL-1蛋白酶 K。
具体步骤如下:首先将样品尽量磨碎(通常加四次液
氮进行研磨),将样品粉末加入预热的裂解液中,
42℃水浴90min。然后用氯仿-异戊醇反复抽提两
次后,用最终浓度为2mol·L-1的 LiCl进行4℃过
夜沉淀后,15000r·min-14℃离心25min,弃上清,
加入 50μLDEPC水溶解。DNA消化:将溶解的
RNA用DEPC水补足200μL后,加入100μL的无
水乙醇。混匀后加入 RNASpinColumn(宝生物,
RNA提取试剂盒),按照试剂盒步骤进行 DNA消
化,最终用30μL洗脱液进行洗脱RNA。
1.3 思茅松DXS基因的3′RACE和5'RACE
由于转录组数据分析只得到思茅松 DXS的片
段,缺少5′和3′端的基因序列。因此,首先以思茅松
树皮的RNA为模板,按照SMARTRACEcDNAAm
plificationKit及3′FulRACECoreSetVer.2.0试剂
盒说明书合成5′端及3′端完整的思茅松cDNA第一
链。根据获得的 DXS基因片段序列设计 5′和 3′
RACE引物(表1),用5′FulRACEKitwithTAP试
剂盒和 3′FulRACECoreSetwithPrimeScript
RTase(TaKaRa)对思茅松 DXS基因片段的5′和3′
基因片段进行克隆。
表1 文中所用引物序列
名称 序列(5′3′) 用途
3RACDXSF1 ATTACATTGGACCTGTGGAT
3′RACE
3RACDXSF2 TGCTGATTCACTTGGTGACA
5RACDXSF1 CTCGTCAAACAAGGAGGAAC
5′RACE
5RACDXSF2 ACCTATCTGCTTCGTGAGAC
PkDXSF0 ATGGCAATTGCAAGCAGGGCA
全长cDNA开放
阅读框克隆
PkDXSR0 TTATCGGTGCTTCAGAAGA
FDXSt ACATAGTTCTACCAGTATCT RTPCR检测
RDXSt GTGTTGTTCTGCTATTCCTA
Factin ATTGCTGACCGTATGAGCA RTPCR内参
Ractin TGAATACTAGCTAGCCTCA
1.4 cDNA全长扩增
依据cDNA拼接序列,设计 DXS基因特异引物
PkDXS1F0和 PkDXS1R0(表 1),以思茅松树皮的
cDNA为模板,PkDXS1F0和 PkDXS1R0为引物,扩
增思茅松DXS基因cDNA开放阅读框全长序列。反
应条件为:94℃5min;94℃30s,58℃45s,72℃2.5
min,30个循环;72℃延伸15min。扩增的PCR产物
胶回收后连接到 pEASYT3载体中。并测序验证所
克隆得到的全长cDNA。
1.5 思茅松DXS基因cDNA序列及其编码蛋白氨
基酸的序列分析
采用 NCBI(htp://www.ncbi.nlm.nih.gov/)
Blast工具和DNAMAN软件将思茅松DXS与数据库
中其他植物 DXS基因进行核酸和氨基酸的同源序
列比对。多序列的比对由 ClusterW程序完成,并用
MEGA4.0.2软件的邻位相连算法(Neighborjoin
ing)1000次自检举(bootstraping)绘制出进化树图
像。为了将叶绿体转运肽也纳入进化树分析,本进
化树以低等植物衣藻的 DXS作为外类群[26]。Tar
getP(www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/)和 ChloroP
(htp://www.cbs.dtu.dk/services/ChloroP/)被用来
预测PkDXS蛋白的亚细胞定位以及叶绿体转运肽
的切割位点。
1.6 半定量RTPCR检测思茅松DXS基因表达分析
以获得的PkDXS1基因序列为模板设计特异引
物Fdxst和 Rdxst(表 1)。将样品液氮研磨后,用
CTAB法分别提取思茅松的树皮1(除去粗皮后立即
取样),树皮2(除去粗皮后12h取样,树皮3(除去
粗皮后24h取样),树皮4(除去粗皮后36h取样)。
并用琼脂糖凝胶电泳检测 RNA质量后,将 RNA保
存在-80℃超低温冰箱。cDNA合成参照 Reverse
TranscriptaseMMLV试剂盒(宝生物工程有限公司,
大连)的说明书操作,并将 cDNA保存在 -20℃冰
箱。以特异引物 Fdxst和 Rdxst检测 PkDXS基因的
表达情况。同时以actin为内参。
2 结果与分析
2.1 思茅松RNA提取
本文采用其他研究人员发展起来的 CTAB提取
结合LiCl沉淀法[14-15],提取思茅松树皮以及松针的
RNA。并采用膜上消化的方式除去样本中的 DNA,
获得完成且纯度高的RNA(图1)。
2.2 思茅松DXS全长cDNA的克隆与序列分析
首先从思茅松树皮转录组数据中获得1200bp
大小的DXS基因片段,然后,根据该片段设计特异
538
林 业 科 学 研 究 第28卷
M:1KDNAmarker(Takara);1:树皮RNA;2:3′RACE;3:5′RACE;
4:DXS全长ORF克隆 。
图1 RNA提取和DXS基因克隆
引物,应用RACE技术克隆获得思茅松 DXS的3′和
5′cDNA末端序列信息,其大小分别为1452bp和1
235bp(图1)。
将获得的DXS基因片段序列进行拼接后,得到
全长cDNA序列为 2888bp。利用在线软件(ht
tp://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)分析获
得cDNA开放阅读框,并根据该序列设计含有起始
密码子的特异引物 PkDXSF0和含终止密码子的特
异引物 PkDXSR0,并以思茅松树皮 cDNA为模板,
PCR扩增获得 2223bp的 cDNA完整的开放阅读
框,并命名为 PkDXS1。将此2223bp片段与 DXS
cDNA拼接序列进行比对分析,分析结果显示两序
列一致,这表明思茅松 DXS基因 cDNA拼接序列正
确。其5′含有308bp的非编码区,3′端含有360bp
的非编码区,这表明思茅松 DXS基因的 cDNA序列
完整(GenBankAccessionNo.KM382170)。
2.3 PkDXS氨基酸序列分析
根据思茅松 PkDXS1基因 cDNA全长序列推测
其编码740个氨基酸残基,该基因推断的蛋白与赤
松(PinusdensifloraSiebold&Zucc.)DXS蛋白的相
似性为 99%,与欧洲云杉(Piceaabies(L.)H.
Karst.)DXS的相似性为97%。以思茅松 DXS氨基
酸序列与来其他四种不同物种的1脱氧D木酮糖
5磷酸合酶氨基酸序列进行序列比对分析,推测出
PkDXS蛋白还包含二磷酸硫胺结合位点 GDG(X)
8E(X)4A(X)11NDN(虚线框标注)(图2)。同时,
PkDXS蛋 白 还 含 有 一 个 转 酮 醇 酶 结 构 域
DRAGX28PXD(实线框标注)(图 2)。利用亚细胞
定位软件以及叶绿体转运肽的切割位点分析软件显
示PkDXS1的合成位于叶绿体内,其含有一个由48
个氨基酸残基构成的叶绿体转运肽,切割位点已用
箭头标注(图2)。
2.4 PkDXS系统进化树分析
思茅松DXS与其他植物的 DXS氨基酸序列的
系统进化分析表明:思茅松DXS与松科的1脱氧D
PdDXS:赤松(ACC54554),PaDXS:欧洲云杉((ABS50519),Gb
DXS:银杏 (AAR95699),CrDXS:长春花(CAA09804)。所以保守
的氨基酸位点都用星号标注,箭头处为叶绿体转运肽的切割位点,
虚线框处为二磷酸硫胺结合位点,实线框处为转酮醇酶结构域。
图2 思茅松和其他物种DXS氨基酸序列比对分析
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第6期 王 毅,等:思茅松1脱氧D木酮糖5磷酸合酶(DXS)基因的克隆及功能分析
木酮糖5磷酸合酶聚为一类,从系统进化树可以看
出思茅松 PkDXS与赤松(PinusdensifloraSiebold&
Zucc)的DXS基因及欧洲云杉(Piceaabies(L.)H.
Karst.)的DXS的亲缘关系较近(图3)。
图3 PkDXS与其他不同物种间DXS系统进化树
2.5 PkDXS基因的转录模式分析
利用 PkDXS1基因的特异引物 Fdxst和 Rdxst,
通过 RTPCR检测 PkDXS1在模拟割脂过程中导致
思茅松树皮受伤后,随着时间变化 PkDXS1基因表
达情况。从图4中可以看出,PkDXS1基因在刚刚创
伤时(0h)的表达量明显少于创伤后(12h、24h、36
h)。这说明创伤会刺激PkDXS1基因表达。
图4 思茅松PkDXS1在树皮创伤后表达情况
3 讨论
思茅松是云南省主要的松脂资源树种,其种植
面积已经超过100万hm2。生产实践发现思茅松个
体松脂产量差异显著,单株年产量一般3kg,最高可
达140kg[1]。我国自20世纪80年代始开展思茅松
遗传改良研究,在种源试验、优良林分选择、优树收
集、无性系种子园建设、半同胞子代测定、早晚期性
状相关及遗传变异等方面开展了大量研究工作,并
取得了可喜的成绩[27]。然而,传统的选优育种方法
并没有有效地解决思茅松产脂高低这一数量性状的
难题。
由于思茅松从播种到产脂需要漫长的生长周
期,如果采用传统的数量性状研究方法研究高低产
脂机理,则需要几代人的努力。这很难满足目前对
高产脂思茅松的需要。大量的图位克隆结果表明数
量性状基因座在基因组上往往位于控制其性状的代
谢通路上的酶基因上或者附近。那么,以与数量性
状相关代谢途径为出发点,确定候选基因与数量性
状的相关性,再通过第二代测序技术获得候选基因
附近基因座的个体差异,从这些差异的基因座序列
中设计分子标记,将极大地提高分子标记与数量性
状的关联性。这样的研究方法将极大地缩短确定与
数量性状关联分子标记的时间,将有效地解决目前
思茅松高产脂分子育种的瓶颈问题。
本文以普洱市景谷县半坡乡的思茅松“产脂
王”(松脂年产量超过100kg)为研究对象,首次利
用转录组测序技术与RACE技术相结合的方法成功
克隆获得思茅松 DXS基因(PkDXS1)。系统进化分
析发现PkDXS和赤松DXS聚类在同一分支(图3)。
对克隆获得的思茅松 PkDXS1基因推导的蛋白序列
分析发现,PkDXS1与赤松的 DXS同源性高达
993%。只有五个氨基酸有差异(即:第33、34、36、
451、461位点)。由此可以推测高产脂思茅松产脂
量高的原因不是因为DXS蛋白序列差异导致,而很
可能是类似于赤松通过改变 DXS基因转录水平来
调控松脂合成(Kim2010)。通过 RTPCR检测思
茅松模拟割脂过程产生创伤后 DXS表达情况发现,
创伤能够有效地刺激DXS表达(图4)。这与生产实
践中割脂可以刺激松脂产生相吻合,从而再次证明
PkDXS参与控制思茅松的松脂代谢。
PkDXS1将是未来进行反向数量性状研究的靶
基因,通过genomewalking,构建BAC文库以及全基
因组测序等方法,获得PkDXS1基因前后序列(数量
性状基因座),通过比较高低产脂不同个体中 Pk
DXS1所在基因基因座的区别,最终揭示高低产脂数
量性状的控制机理。这些工作将极大促进高产脂思
茅松的分子育种。同时,PkDXS1在基因工程上也是
非常重要的基因材料,通过在思茅松或者其他植物
中超表达PkDXS1,从而推动植物代谢向 MEP途径
倾斜,从而获得高产萜类化合物的工程植株。这些
将极大推动高产脂思茅松工程植株的研发。
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