全 文 :书唐古特白刺蛋白激酶基因犖狋犆犐犘犓2超表达
载体构建及紫花苜蓿转化研究
郑琳琳1,王佳1,贺龙梅1,王学峰2,王迎春1
(1.内蒙古大学生命科学学院 内蒙古自治区牧草与特色作物生物技术重点实验室,内蒙古 呼和浩特010021;
2.内蒙古和信园蒙草抗旱绿化股份有限公司,内蒙古 呼和浩特010021)
摘要:环境因素如高盐、干旱或冷冻等严重制约着豆科重要牧草紫花苜蓿的生长发育和产量。根据已发表的盐生
植物唐古特白刺蛋白激酶基因犖狋犆犐犘犓2的序列信息(序列号KC823044),利用PCR方法扩增其编码区cDNA,连
接pMD19Tsimple载体并测序,测序结果表明所克隆的DNA片段长度为1362bp,与GenBank上公布的序列完
全一致。在此基础上构建植物超表达载体pPZP221NtCIPK2,采用 CaCl2 冻融法将该表达载体转入农杆菌
GV3101中,然后通过农杆菌介导的方法转化紫花苜蓿的下胚轴,形成愈伤组织后经庆大霉素筛选培养,最终获得
7株抗性幼苗。对抗性幼苗进行庆大霉素基因的PCR检测,结果表明,犖狋犆犐犘犓2基因成功整合到紫花苜蓿基因组
中,进一步对其进行外源基因的RT-PCR检测,发现只有3株幼苗中的外源基因实现了过量表达,这可能是由于
基因插入位点的差异引发的基因沉默所致。本研究的开展为进一步分析转化植株在各种逆境胁迫条件的表现及
其遗传稳定性,培育具有多重抗逆能力的苜蓿品种,促进苜蓿产业发展奠定基础。
关键词:紫花苜蓿;犖狋犆犐犘犓2基因;超表达载体;遗传转化
中图分类号:S816;Q943.2 文献标识码:A 文章编号:10045759(2013)06022307
犇犗犐:10.11686/cyxb20130628
“牧草之王”紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)是全世界栽培历史最悠久、种植面积最广、利用价值最高的一种豆
科多年生优质牧草,广泛种植于以畜牧业为支柱产业的中国西北地区[12]。然而这些地区多具有干旱、高盐、低温
等生境特点,严重制约着苜蓿生长发育和产量。因此,通过转基因手段培育具有多重抗逆能力的优良品种,对于
苜蓿产业的可持续发展具有举足轻重的作用。
在植物应对非生物胁迫的防御机制中,Ca2+作为第二信使发挥着重要的作用[3]。CIPK(CBLinteracting
proteinkinase)是近年来鉴定的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,可与上游植物特有的Ca2+传感器钙调磷酸酶B类
似蛋白(calcineurinBlikeproteins,CBLs)结合,识别并传递胞质钙信号,引发细胞内一系列应激反应[45]。通过
生物信息学分析,在模式植物拟南芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)和水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)基因组中分别发现26和30
个犆犐犘犓 基因[6],后在银杨(犘狅狆狌犾狌狊狋狉犻犮犺狅犮犪狉狆犪)[7]、葡萄(犞犻狋犻狊狏犻狀犻犳犲狉犪)[8]、高粱(犛狅狉犵犺狌犿犫犻狅犮狅犾狅狉)[9]和玉米
(犣犲犪犿犪狔狊)[1011]中相继获得多个CIPK家族成员。多项研究表明,CIPK广泛参与植物对高盐、低钾和干旱等外
界刺激的应答反应[1214],在拟南芥、水稻、烟草(犖犻犮狅狋犻犪狀犪狋犪犫犪犮狌犿)等植物中过量表达不同犆犐犘犓 基因均可提高
转基因植株的抗逆能力[1518]。
本实验以唐古特白刺(犖犻狋狉犪狉犻犪狋犪狀犵狌狋狅狉狌犿)cDNA为模板,利用PCR技术克隆获得犖狋犆犐犘犓2完整编码序
列(completecodingsequence,CDS),在此基础上构建含有该序列的植物表达载体pPZP221NtCIPK2,采用农杆
菌介导法对紫花苜蓿进行遗传转化,经PCR及RT-PCR验证,获得了超表达犖狋犆犐犘犓2基因的转化植株,为利
用转基因手段选育抗逆苜蓿新品种奠定基础。
第22卷 第6期
Vol.22,No.6
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
223-229
2013年12月
收稿日期:20130508;改回日期:20130603
基金项目:国家自然科学基金地区项目(31360063),内蒙古自然科学基金重大项目(2012ZD05)和内蒙古自治区教育厅项目(310015)资助。
作者简介:郑琳琳(1983),女,内蒙古呼伦贝尔人,讲师,在读博士。Email:13856265@qq.com
通讯作者。Email:ycwang@imu.edu.cn
1 材料与方法
1.1 材料
本实验于2012年9月开始进行。紫花苜蓿“中苜一号”种子由中国农业科学院草原研究所孙启忠研究员惠
赠。大肠杆菌DH5α、农杆菌GV3101、植物表达载体pPZP221由内蒙古大学牧草与特色作物生物技术省部共建
教育部重点实验室提供。
氨苄青霉素(ampicilin,Amp)、壮观霉素(spectinomycin,Spe)、庆大霉素(gentamycin,Gen)、头孢霉素
(cefotaxime,Cef)等抗生素购自Sigma公司;2,4二氯苯氧乙酸(2,4dichlorophenoxyaceticacid,2,4D)、激动
素(kinetin,KT)、6苄氨基腺嘌呤(6benzylaminopurine,6BA)、萘乙酸(1naphthylaceticacid,NAA)等植物激
素购自Sangon公司;DNA限制性内切酶、T4DNA连接酶购自Fermentas公司,Taq酶、Marker购自TransGen
公司;总RNA分离采用RNAiso试剂(Takara),cDNA合成采用 MMLVReverseTranscriptaseKits反转录试
剂盒(Promega),基因组DNA提取采用PlantGenomicDNAKit试剂盒(Tiangen);寡核苷酸引物合成和产物测
序由Invitrogen公司承担;其他化学试剂均为国产分析纯。
苜蓿遗传转化所需培养基如下:无菌苗生长,1/2MS(MurashigeandSkoog)培养基;预培养及共培养培养
基,MS+2mg/L2,4D+0.5mg/LKT;愈伤组织诱导培养基,MS+2mg/L2,4D+0.5mg/LKT+500mg/L
Cef;分化培养基,MS+0.5mg/L6BA+0.05mg/LNAA+200mg/LCef+30mg/LGen;生根培养基,1/2
MS+0.3%活性炭。
1.2 研究方法
1.2.1 犖狋犆犐犘犓2CDS的克隆 按照RNAiso总RNA抽提试剂盒的操作说明提取唐古特白刺叶片总RNA,用
1%的琼脂糖凝胶鉴定其质量和完整性;利用 MMLVReverseTranscriptaseKits反转录试剂盒将1μgRNA反
转录为cDNA,并最终将其稀释为20ng/μL。
根据本实验室提交的犖狋犆犐犘犓2序列(GenBank登录号KC823044),设计1对用于扩增其编码区cDNA的
引物[NCF:5′CGCGGATCCATGATGGAACACAA3′和NCR:5′CGGGGTACCCTAATGGTAATGCT3′]。
酶切位点用下划线表示,分别为犅犪犿犎Ⅰ和犓狆狀Ⅰ。以合成的cDNA作为模板,利用高保真酶扩增犖狋犆犐犘犓2
CDS。PCR反应体系为25μL,内含2mmol/LMg
2+、200μmol/LdNTPs、引物各1.0μmol/L,TaqDNA 聚合
酶1.0U,20ng模板。PCR扩增程序为94℃预变性5min;然后94℃变性30s,55℃退火30s,72℃延伸1
min,共35个循环,最后72℃延伸10min。将PCR产物插入pMD19Tsimple载体(Takara)中,命名为pMD
NtCIPK2,转化大肠杆菌DH5α,经菌体PCR检测的阳性克隆进行双向测序。
1.2.2 植物表达载体的构建 选取测序正确的阳性克隆提取质粒,利用限制性内切酶犅犪犿犎Ⅰ和犓狆狀Ⅰ双酶
切pMDNtCIPK2和pPZP221质粒,琼脂糖凝胶检测后回收目的片段,T4DNA连接酶连接过夜,转化大肠杆菌
DH5α,在含有Spe抗性的LB(LuriaBertani)平板中筛选阳性菌落,经PCR检测和双酶切鉴定,获得植物表达载
体pPZP221NtCIPK2。
1.2.3 农杆菌介导的紫花苜蓿遗传转化 采用CaCl2 冻融法将植物表达载体pPZP221NtCIPK2转入农杆菌
GV3101中,在筛选培养基(LB+50mg/LRif+100mg/LSpe+50mg/LGen)上获得转化菌落,经PCR鉴定后
保存备用。
选取颗粒饱满的苜蓿种子,利用75%的酒精和0.1%的HgCl2 溶液分别消毒1和10min,无菌水清洗3~5
次,用灭菌滤纸吸干种子上的多余水分,置于1/2MS培养基中萌发。切取7d龄无菌苗的下胚轴作为受体材料,
预培养3d后,将其浸泡于活化的农杆菌菌液中侵染15min,在共培养培养基中避光生长3~5d。形成愈伤组织
后,经分化筛选培养和生根培养得到紫花苜蓿抗性转化植株。待再生苜蓿根与地上部分均长至10cm左右时,移
入营养土中继续培养。
1.2.4 转化植株的检测 设计1对引物[aacC1F:5′GGATCGTCACCGTAATCTGCT3′和aacC1R:5′
GCTCCGTAGTAAGACATTCATCG3′],用于扩增载体中的庆大霉素抗性基因犪犪犮犆1,扩增长度为246bp。以
转基因抗性苜蓿的基因组DNA作为模板,质粒pPZP221和野生型紫花苜蓿基因组DNA为阳性和阴性对照,进
422 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.6
行PCR扩增和电泳分析。PCR反应体系为25μL,内含2mmol/L Mg
2+、200μmol/LdNTPs、引物各1.0
μmol/L,TaqDNA聚合酶1.0U,20ng模板。PCR反应程序为94℃预变性5min;然后94℃变性20s,55℃退
火20s,72°C延伸20s,共35个循环。
提取转化植株总RNA,反转录合成cDNA,利用NCF和NCR引物扩增目的基因。质粒pPZP221NtCIPK2
和野生型紫花苜蓿cDNA用作阳性对照和阴性对照。PCR体系和反应条件与犖狋犆犐犘犓2基因克隆相同,通过
1%琼脂糖凝胶电泳分析扩增产物。
检测实验重复3次,以确定犖狋犆犐犘犓2基因在苜蓿中的整合及表达。
2 结果与分析
2.1 犖狋犆犐犘犓2基因犆犇犛的获得
图1 犖狋犆犐犘犓2基因犆犇犛的犘犆犚扩增
犉犻犵.1 犘犆犚犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳犖狋犆犐犘犓2犆犇犛
L1:PCR扩增产物PCRproduct;M:DNA分子量DNAmarker.
图2 植物表达载体狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2质粒图谱
犉犻犵.2 犕犪狆狅犳狆犾犪狀狋狋狉犪狀狊犳狅狉犿犪狋犻狅狀狏犲犮狋狅狉狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2
LB:左边界Leftborder;P35S:35S启动子35Spromoter;aacC1:庆
大霉素氨基乙酰转移酶 Gentamycin3′Nacetyltransferase;TNOS:
NOS终止子NOSterminator;RB:右边界Rightborder.
以唐古特白刺cDNA作为模板进行PCR扩增,
获得1条1362bp的DNA片段,与预期结果相符(图
1)。将PCR 产物切胶回收,连接到载体pMD19T
上,转化大肠杆菌,阳性克隆进一步测序验证。测序结
果表明该片段与GenBank中公布的序列完全一致,成
功的克隆获得犖狋犆犐犘犓2的CDS。
2.2 植物表达载体pPZP221NtCIPK2的鉴定
以pPZP221为基本骨架,通过双酶切切出的末端
之间的连接将外源基因犖狋犆犐犘犓2插入其中,获得植
物表达载体pPZP221NtCIPK2(图2)。提取重组质
粒,应用NCF和NCR引物进行PCR扩增,结果显示
均扩增出1350bp左右的预期片段(图3);同时对重组
质粒进行双酶切鉴定,电泳分析表明重组质粒可以切
出两个片段,大片段为载体序列,约为9.8kb,小片段
为犖狋犆犐犘犓2基因,约为1.4kb(图4)。
2.3 农杆菌转化
随机挑取5个转化菌落进行PCR鉴定,均可扩增
出目的条带(图5),表明载体pPZP221NtCIPK2已成
功转入农杆菌,可用于后续苜蓿的转化。
2.4 紫花苜蓿抗性转化植株的获得
将预培养的紫花苜蓿下胚轴,加入活化的农杆菌
中侵染15min,共培养3d后,在愈伤组织诱导培养基
上生长15d左右,形成愈伤组织(图6A),将浅黄色的
愈伤组织分别接入分化培养基中继续培养,直至绿色
再生芽产生(图6B),最后切下再生芽转入生根培养基
中生成再生植株(图6C),经炼苗移栽至营养土中继续
培养(图6D)。
2.5 再生植株的检测
对获得的7株抗性幼苗进行庆大霉素抗性基因
犪犪犮犆1的鉴定,PCR产物电泳分析表明所有幼苗均克
隆得到长约250bp的条带,与预期结果相符(图7),证
明外源基因确已整合到紫花苜蓿基因组中。
522第22卷第6期 草业学报2013年
图3 狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2的犘犆犚鉴定
犉犻犵.3 犘犆犚犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2
L1~L3:PCR鉴定结果PCRproduct;M:DNA分子量DNAmarker.
图4 狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2的双酶切鉴定
犉犻犵.4 犇狅狌犫犾犲犱犻犵犲狊狋犻狅狀狅犳狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2
L1,L2:PCR鉴定结果PCRproduct;M:DNA分子量DNAmarker.
图5 狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2导入农杆菌的犘犆犚检测
犉犻犵.5 犘犆犚犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狆犘犣犘221犖狋犆犐犘犓2狋狉犪狀狊犳狅狉犿犲犱
犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿狋狌犿犲犳犪犮犻犲狀狊
L1~L5:重组农杆菌RecombinedAgrobacteriumtumefaciens;
M:DNA分子量DNAmarker.
同时对抗性苗进行犖狋犆犐犘犓2基因的RT-PCR
检测,结果显示其中的3株扩增获得大小一致的目的
条带,其他4株幼苗无扩增条带(图8),这可能是由于
基因插入位点的差异引发的基因沉默所致。结果说明
犖狋犆犐犘犓2基因在3株转基因幼苗中可以正常表达。
3 讨论
自1986年Deak等[19]首次报道利用转基因技术
获得抗逆苜蓿植株以来,利用基因工程手段提高苜蓿
抗逆性状已成为苜蓿育种的重要途径[2024]。将拟南芥
冷诱导转录因子犃狋犆犅犉1[25]和犃狋犆犅犉2[26]导入和田
苜蓿或“Hunterriver”苜蓿中,经PCR检测得到了阳
性转化植株,为紫花苜蓿抗寒新品种的选育奠定了基
础;燕丽萍等[2729]采用分子生物学检测手段和不同浓
度NaCl对转甜菜碱醛脱氢酶犅犃犇犎 基因苜蓿进行
研究,证实犅犃犇犎 基因可以稳定遗传,且转基因苜蓿
耐盐性明显高于对照,最终获得综合性状优良的耐盐
苜蓿新品种“山苜2号”;李燕等[30]构建了紫花苜蓿
犕狊犣犐犘基因超表达载体并对转基因苜蓿进行检测,结
果表明该基因的超表达可以提高苜蓿的耐盐性和耐旱性;Liu等[31]将角果碱蓬(犛狌犪犲犱犪犮狅狉狀犻犮狌犾犪狋犪)液泡膜
Na+/H+逆向转运蛋白犛犮犖犎犡1和液泡质子ATP酶犛犮犞犘基因共转化紫花苜蓿,发现转化植株在盐胁迫和盐
碱复合胁迫条件下存活,而野生植株则萎黄死亡;在紫花苜蓿过量表达苏打猪毛菜(犛犪犾狊狅犾犪狊狅犱犪)犛狊犖犎犡1基
因,成功获得迄今所有报道中耐盐能力最强的转化植株,可以在400mmol/LNaCl中正常生长超过50d[32]。
近期的研究证实犆犐犘犓2基因在植物传递钙信号,应答外界刺激的过程中发挥着重要的作用。Chen等[10]发
现玉米犣犿犆犐犘犓2受盐、干旱、低温和高温诱导上调表达,表达量在根和叶中存在差异;高盐、干旱和ABA处理
均可增加盐生植物短芒大麦草(犎狅狉犱犲狌犿犫狉犲狏犻狊狌犫狌犾犪狋狌犿)犎犫犆犐犘犓2的表达量,且超表达犎犫犆犐犘犓2的转基因
622 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.6
拟南芥抵抗盐和渗透胁迫的能力显著上升[33];本实验室从盐生植物唐古特白刺中克隆获得犖狋犆犐犘犓2基因,并
将其转入大肠杆菌,发现转化菌株对高盐、干旱、低温及高温的抗性明显提高(未发表数据)。上述研究表明
犆犐犘犓2的表达可能是植物具有多种抗性的基础,因此可以作为遗传转化的候选基因。
图6 转化再生植株
犉犻犵.6 犗犫狋犪犻狀犻狀犵狋犺犲狋狉犪狀狊犳狅狉犿犲犱狆犾犪狀狋狊
A:愈伤组织诱导Calusinduction;B:愈伤组织分化Calusdifferentiation;C:组培再生植株Regenerationplantletintissueculture;D:移栽抗性
苗Theseedlinginsoil.
图7 再生植株庆大霉素抗性基因检测
犉犻犵.7 犇犲狋犲犮狋犻狅狀狅犳犪犪犮犆1犵犲狀犲犻狀狉犲犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀狆犾犪狀狋狊
L1:阳性对照Positivecontrol;L2~L8:再生植株 Regeneration
plants;L9:阴性对照Negativecontrol;M:DNA分子量DNAmarker.
图8 再生植株目的基因检测
犉犻犵.8 犇犲狋犲犮狋犻狅狀狅犳犖狋犆犐犘犓2犵犲狀犲犻狀狉犲犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀狆犾犪狀狋狊
L1:阳性对照 Positivecontrol;L2~L8:再生植株 Regeneration
plants;L9:阴性对照Negativecontrol;M:DNA分子量DNAmarker.
本研究获得抗性紫花苜蓿转化植株,经PCR和RT-PCR检测发现外源基因已整合到苜蓿基因组中并过量
表达,为进一步研究转化植株在各种逆境胁迫条件的表现及其遗传稳定性,培育具有多重抗逆能力的苜蓿品种,
促进苜蓿产业发展提供参考。
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犗狏犲狉犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀狏犲犮狋狅狉犮狅狀狊狋狉狌犮狋犻狅狀犪狀犱犵犲狀犲狋犻犮狋狉犪狀狊犳狅狉犿犪狋犻狅狀狅犳
犪狆狉狅狋犲犻狀犽犻狀犪狊犲犖狋犆犐犘犓2犳狉狅犿犖犻狋狉犪狉犻犪狋犪狀犵狌狋狅狉狌犿
ZHENGLinlin1,WANGJia1,HELongmei1,WANGXuefeng2,WANGYingchun1
(1.InnerMongoliaUniversityColegeofLifeScience,KeyLaboratoryofHerbage&EndemicCrop
BiotechnologyinInnerMongolia,Hohhot010021,China;2.InnerMongoliaHotisionand
MonsodDroughtResistanceGreeningCorporationlimited,Hohhot010021,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Adverseenvironmentalfactorssuchassalinity,droughtandcoldlimitthegrowthandproductivityof
犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪,themosteconomicalyimportantforagelegumeworldwide.Inthisstudy,thecompletecod
ingsequenceof犖狋犆犐犘犓2wasclonedfromahalophyte犖犻狋狉犪狉犻犪狋犪狀犵狌狋狅狉狌犿,ligatedintoapMD19Tsimple
vectorandbidirectionalysequenced.TheCDSof犖狋犆犐犘犓2was1362bpandwasidenticalwitha犖狋犆犐犘犓2
geneinGenBank(accessionnumberKC823044).Thisfragmentwasinsertedintotheplanttransformationvec
torpPZP221underthecontrolofthecauliflowermosaicvirus(CaMV)35Spromoter,andthentherecombi
nantvectorpPZP221NtCIPK2wastransferredto犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿狋狌犿犲犳犪犮犻犲狀狊strainGV3101bytheCaCl2
freezethawmethod.Hypocotylsof犕.狊犪狋犻狏犪weretransformedwithGV3101celsharboringpPZP221Nt
CIPK2bycocultivation.Sevenseedlingswereobtainedaftercalusinductionandgentamycinselection.Then
theseedlingsweresampledtodetectthegentamycinresistantgene犪犪犮犆1byPCRandtargetgene犖狋犆犐犘犓2by
reversetranscriptionPCRanalysis.PCRdetectionindicatedthat犖狋犆犐犘犓2wasintegratedintothe犕犲犱犻犮犪犵狅
genomeinalseedlings.However,RT-PCRdetectionsuggestedthat犖狋犆犐犘犓2wasoverlyexpressedatthe
transcriptionallevelinthreeseedlings,andgenesilencingmightbeoccurringinsomeseedlingsduetothe
differenceininsertionsitesoftheexogenousgene.Asolidfoundationforfurtherstudyoftheperformanceand
geneticstabilityoftransformedplantsandadvancedbreedingof犕犲犱犻犮犪犵狅varietieswithstrongresistanceto
abioticstressesisoffered.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪;犖狋犆犐犘犓2;overexpressionvector;genetictransformation
922第22卷第6期 草业学报2013年