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Identification and Characterization of a 1-Deoxy-D-xylulose 5-phosphate Synthase Gene From Pinus kesiya var. langbianensis

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



全 文 :林业科学研究 2015,28(6):833 838
ForestResearch
  文章编号:10011498(2015)06083306
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:20150119
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.Email: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:087165822842。
摘要:1脱氧D木酮糖5磷酸合酶(DXS)是甲基
!

!
赤藓醇
!

!
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 RTPCR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RTPCR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
IdentificationandCharacterizationofa1DeoxyDxylulose
5phosphateSynthaseGeneFromPinuskesiyavar.langbianensis
WANGYi1,2,ZHOUXu3,BIWei1,2,YANGYuming2,LIJiang2,WANGJuan2
(1.TheKeyLaboratoryofRareandEndangeredForestPlantsofStateForestryAdministration,YunnanAcademyofForestry,Kunming 650201,China;
2.TheKeyLaboratoryofForestyPlantCultivationandUtilization,YunnanAcademyofForestry,Kunming 650201,Yunnan,China;
3.SouthwestForestryUniversity,Kunming 650224,China)
Abstract:1deoxyDxylulose5phosphatesynthase(DXS)catalyzesthefirstandtheratelimitingstepoftheMEP
pathway.Inthisstudy,thespecialprimersweredesignedaccordingtothetranscriptomedataofPinuskesiyavar.
langbianensis(A.Chev.)Gaussen.ThefullengthgeneofPkDXS1wasclonedbyRTPCRandRACE,which
consistedof2223bpopenreadingframe(ORF)encoding740aminoacid,thededucedPkDXS1proteinshared
99% and97% identitieswithDXSofPinusdensifloraSiebold&ZuccandPiceaabies(L.)H.Karst.,respective
ly.AnalysisofthededucedaminoacidsequenceshowedthatPkDXS1cariedachloroplasttransitpeptied,athia
minediphosphatebindingsite,andatransketolasemotif,whicharetheimportantcharacteristicsofDXSenzymesin
higherplants.SemiquantityRTPCRdetectionshowedthatDXSgeneexpressionwasupregulatedbywounding
treatment.
Keywords:Pinuskesiyavar.langbianensis(A.Chev.)Gaussen;1deoxydxylulose5phosphatesynthasegene;
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
!

!
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 RTPCR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。pESYT3克隆试剂盒
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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
及感受态细胞均购自北京全式金公司;LATaq酶、
以及 ReverseTranscriptaseMMLV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-1TrisHCl(pH8.0)、2%
CTAB、30mmol·L-1EDTA、2mol·L-1NaCl和
005%(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 RTPCR检测
RDXSt GTGTTGTTCTGCTATTCCTA
Factin ATTGCTGACCGTATGAGCA RTPCR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 pEASYT3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(Neighborjoin
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RTPCR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
TranscriptaseMMLV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 RTPCR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
993%。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 RTPCR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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