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Cloning and analysis on tissue specific expression of a Actin gene fragment from Agropyron mongolicum

蒙古冰草肌动蛋白基因片段的克隆与组织表达分析



全 文 :书蒙古冰草肌动蛋白基因片段的克隆
与组织表达分析
云锦凤1,2,3,赵彦1,2,石凤敏1,王俊杰1,2
(1.内蒙古农业大学生态环境学院,内蒙古 呼和浩特010018;2.内蒙古自治区草品种育繁工程技术研究中心,内蒙古
呼和浩特010018;3.草地资源教育部重点实验室,内蒙古 呼和浩特010018)
摘要:本研究利用同源序列法分离蒙古冰草Actin基因同源片段,并分析蒙古冰草Actin基因在根、茎、叶中的表达
特征。根据禾本科植物小麦Actin基因的保守序列设计1对引物 A1,经RT-PCR扩增,从蒙古冰草cDNA中克
隆到1个长度为541bp的Actin基因片段,使用DNAman和DNAUSER等分子生物学软件进行序列分析,结果表
明,该序列编码179个氨基酸,并推测该片段具有Actin超基因家族的保守结构域,含有1个ATP结合位点,抑制
蛋白结合位点和胶溶蛋白结合位点;该基因片段的氨基酸序列与小麦 Actin基因的同源性为99%,与玉米同源性
为96%,与水稻同源性为93%。组织器官特异性表达分析结果表明,该基因在根、茎、叶中的表达量恒定。将该基
因片段命名为犕狑犃犆犜1,并在GengBank中登记注册,登录号为FJ490410。
关键词:蒙古冰草;Actin基因;克隆;表达分析
中图分类号:S543+.903;Q943.2  文献标识码:A  文章编号:10045759(2011)02017007
  肌动蛋白(actin)是真核生物中普遍存在的一种重要的蛋白质。1942年首先在肌肉组织中分离得到。随后
在真菌、藻类、高等植物都发现肌动蛋白的存在。1966年首次从粘菌细胞中分离纯化出肌动蛋白。它是构成细
胞骨架和肌肉肌小节的主要成分,执行着重要的生理功能[15],如细胞分裂、细胞运动、细胞形状变化、内吞作用、
胞吐作用以及多种细胞运动如顶端生长、细胞器运动、胞质环流、花粉管生长等。高等动植物中,肌动蛋白都是由
多基因编码。这些基因高度相似,通过多轮复制由一个基因祖先进化而来[6]。肌动蛋白是由375~377个氨基酸
残基所组成的单一多肽链的球状蛋白质,分子量为42kD[7]。生物体中包含7个肌动蛋白基因,编码不同的肌动
蛋白同工蛋白质[8]。肌动蛋白氨基酸在序列上和长度上具有高度的保守性和同源性,暗示了肌动蛋白在植物体
生命过程中的重要性[7]。随着分子生物学的发展,对肌动蛋白的研究逐渐深入到分子水平,克隆到一些肌动蛋白
基因,并对基因结构及表达调控进行了深入研究,尤其是植物花粉中肌动蛋白的研究在近年取得很大成就,使肌
动蛋白的理论研究与生产实践相结合,具有广阔的应用前景。迄今为止,已在许多高等植物中克隆到了Actin基
因[912]。然而,有关蒙古冰草Actin基因的研究还鲜有报道。
蒙古冰草(犃犵狉狅狆狔狉狅狀犿狅狀犵狅犾犻犮狌犿),又名沙芦草,禾本科冰草属,为多年生二倍体异花授粉草本植物,2n=
14,染色体组为PP[13]。原产于中国北部沙漠以南边缘地带,内蒙古、山西北部、陕西北部、甘肃、宁夏一带都有分
布,生境为沙地或沙质草原[14],是干旱草原和荒漠地带的重要牧草。该物种不仅具有极高的饲用价值,而且具有
多种可为作物改良的抗性基因,是国家二级珍稀濒危植物和急需保护的农作物野生近缘种[15]。另外,它具有抗
旱、耐风沙、耐瘠薄的特性,可用于防风固沙、保持水土[14]。有关蒙古冰草的抗逆性研究正相继开展,本研究以蒙
古冰草为材料,用RT-PCR方法克隆蒙古冰草Actin基因片段,进行了序列分析,与其他高等植物肌动蛋白基
因的相似性进行了比较,并分析内源Actin基因的组织表达特征。
1 材料与方法
1.1 材料
蒙古冰草由内蒙古农业大学牧草试验站提供种子,2008年3月在生态环境学院智能型温室播种,在苗期取
170-176
2011年4月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第20卷 第2期
Vol.20,No.2
 收稿日期:20091102;改回日期:20100722
基金项目:973项目子课题(2007CB1089011),国家自然科学基金资助项目(30760159)和内蒙古草业重大专项(20091401)资助。
作者简介:云锦凤(1941),女,内蒙古呼和浩特人,教授,博士生导师。Email:csgrass@vip.163.com
整株进行总RNA提取。
1.2 试验方法
1.2.1 引物的设计及合成 从GeneBank中查找禾本科小麦(AB181991)已知的Actin基因序列,运用DNA
man软件辅助分析设计1对特异引物A1,送至上海生工生物技术公司合成。
A1:上游引物5′TTCGTTTGGACCTTGCTGGC3′,下游引物5′GCACTTTCCAGCAGATGTGG3′。
1.2.2 蒙古冰草总RNA的提取 采用北京天为时代公司的总RNA提取试剂Trizol,具体操作步骤[16]如下:
1)称取蒙古冰草植株100mg,液氮研磨后盛放在预冷无酶(RnaseI)的1.5mL离心管中,加入1000μLTr
izolRNA提取试剂,混匀,放置5~10min;
2)4℃,12000r/min离心10min;
3)小心吸取上层水相转移至新离心管中,加入200μL氯仿,震荡混匀,静置3~5min;
4)4℃,12000r/min离心15min;
5)小心吸取上层水相转移至新离心管中,加入500μL异丙醇,混匀,静置5~10min;
6)4℃,12000r/min离心20min;
7)加75%乙醇(焦碳酸二乙酯,DEPC水配制),摇匀,4℃,12000r/min离心5min;
8)弃上清,室温晾干5~10min,加无Rnase水100μL溶解;
9)取5μLRNA加指示剂,电泳观察RNA质量,-70℃超低温冰箱保存备用。
1.2.3 RT-PCR扩增Actin基因片段 以蒙古冰草总RNA为模板,使用QuantReverseTranscriptase试剂盒
(购自北京天为时代公司)合成第一链cDNA。扩增 Actin基因片段所用的25μL反应体系包括:PremixTaq
12.5μL,cDNA模板1μL(约30ng),上、下游引物各2μL,灭菌超纯水补齐体积。反应程序为95℃预变性2
min;95℃变性30s,58℃退火1min,72℃延伸1min,30个循环,72℃10min;4℃保存。
1.2.4 RT-PCR产物的回收及克隆 PCR产物经1.5%的琼脂糖凝胶电泳分离,将目的DNA片段用天为时
代公司UNIQ10柱式琼脂糖凝胶回收试剂盒回收纯化,取5μL回收产物与pGMT载体16℃连接过夜,连接产
物转化大肠杆菌感受态细胞,溶菌肉汤(LuriaBertani,LB)培养基筛选,挑取白斑,提取质粒,聚合酶链式反应
(polymerasechainreaction,PCR)验证插入片段。
1.2.5 测序与序列比较 样品送至上海生工测序。同源性检索和序列分析采用 NCBI(www.ncbi.nlm.nih.
gov/BLAST)和DNAman等软件进行分析。
2 结果与分析
2.1 蒙古冰草肌动蛋白基因片段的克隆
以蒙古冰草cDNA为模板,A1引物对经PCR扩增出1条约500bp的片段(图1)。经连接、转化、检测,将鉴
定为阳性的单克隆(图2),送至上海生工进行测序。
图1 犃1引物的犘犆犚扩增结果
犉犻犵.1 犘犆犚犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳犃1狆狉犻犿犲狉
2.2 目的基因的序列分析
测序结果表明,扩增获得的片段长度为541bp,
利用 NCBI(www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST)和
DNAman等软件进行分析,推测该基因片段编码179
个氨基酸(图3),暂定名为犕狑犃犆犜1。将其登录Gen
Bank,登录号为FJ490410。
2.3 犕狑犃犆犜1氨基酸序列的同源性分析
将蒙古冰草犕狑犃犆犜1的氨基酸序列与GenBank
中其他植物的肌动蛋白基因(Actin)氨基酸序列进行
同源性比较(图4),结果显示,在禾本科内,犕狑犃犆犜1
与小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)的氨基酸序列同源性为
99%,与玉米(犣犲犪犿犪狔狊)的同源性为96%,与水稻
171第20卷第2期 草业学报2011年
图2 阳性克隆的犘犆犚检测结果
犉犻犵.2 犘犆犚犻犱犲狀狋犻犳狔犻狀犵狅犳狆狅狊犻狋犻狏犲犮犾狅狀犲
图3 犕狑犃犆犜1的核苷酸序列以及推导的氨基酸序列
犉犻犵.3 犖狌犮犾犲狅狋犻犱犲犪狀犱犱犲犱狌犮犲犱犪犿犻狀狅犪犮犻犱狊犲狇狌犲狀犮犲狅犳犕狑犃犆犜1狀狌犮犾犲狅狋犻犱犲狊犲狇狌犲狀犮犲狊
下划线为引物序列A1upstreamprimeranddownstreamprimerforRT-PCRareunderlinedisshaded
(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)的同源性为93%,与毒麦(犔狅犾犻狌犿狋犲犿狌犾犲狀狋狌犿)的同源性为92%,与大麦(犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲)的
同源性为91%;与豆科灌木柠条(犆犪狉犪犵犪狀犪犽狅狉狊犺犻狀狊犽犻犻)的同源性为90%。分析结果表明,蒙古冰草犕狑犃犆犜1
与其他植物Actin基因的氨基酸序列的同源性均在90%以上。
犕狑犃犆犜1基因氨基酸序列在GenBank中进行Blastp分析发现该基因具有Actin超基因家族的保守结构域
(图5),犕狑犃犆犜1基因序列中含有一个ATP结合位点(ATPbindingsite),抑制蛋白结合位点(profilinbinding
site)和胶溶蛋白结合位点(gelsolinbindingsite),说明犕狑犃犆犜1是Actin超基因家族的成员。
2.4 犕狑犃犆犜1与其他植物Actin基因的聚类分析
利用NCBI中的BLAST软件和DNAman软件,对犕狑犃犆犜1与已知的14个植物Actin基因在氨基酸水平
上进行聚类分析(图6)。结果显示,这15种植物Actin基因可划分为5个类群,其中犕狑犃犆犜1与禾本科植物小
麦和玉米的Actin基因聚为一类;拟南芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)、油菜(犅狉犪狊狊犻犮犪狀犪狆狌狊)、大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)、棉
花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿犺犻狉狊狌狋狌犿)、荷花(犖犲犾狌犿犫狅狀狌犮犻犳犲狉犪)和毒麦的Actin基因聚为一类;烟草(犖犻犮狅狋犻犪狀犪狋犪犫犪犮狌犿)和
大麦的Actin基因聚为一类;番茄(犔狔犮狅狆犲狉狊犻犮狅狀犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿)与柠条和紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)的 Actin基
因聚为一类;水稻单独为一类。
聚类结果显示,不同科属植物的肌动蛋白(如拟南芥、荷花、油菜、大豆、棉花和毒麦等的肌动蛋白)聚为一类,
这说明单子叶植物与双子叶植物的肌动蛋白在进化过程中相互交叉,由此推测高等植物肌动蛋白基因家族起源
于一个早于单、双子叶植物分化前的共同祖先,这与李园莉等[9]、阎隆飞[17]的研究结果一致。
271 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.2
2.5 犕狑犃犆犜1的组织器官特异性表达分析
采用RT-PCR技术对蒙古冰草犕狑犃犆犜1基因进行组织器官特异性表达分析,分别提取蒙古冰草根、茎、
叶的总RNA,分别取5μL用于紫外分光光度计测RNAOD值,5μL用于1%琼脂糖电泳检测RNA质量和浓度
(图7)。取浓度相同的总RNA反转录成cDNA,以此为模板,利用引物A1进行扩增,分别取10μL电泳。重复
图4 犕狑犃犆犜1基因氨基酸序列同源性比较
犉犻犵.4 犕狑犃犆犜1犵犲狀犲狊犪犿犻狀狅犪犮犻犱狊犲狇狌犲狀犮犲犅犔犃犛犜
图5 犕狑犃犆犜1基因保守结构域分析结果
犉犻犵.5 犘狌狋犪狋犻狏犲犮狅狀狊犲狉狏犲犱犱狅犿犪犻狀狊狅犳犕狑犃犆犜1
371第20卷第2期 草业学报2011年
图6 犃犮狋犻狀基因的聚类分析图
犉犻犵.6 犆犾狌狊狋犲狉犻狀犵犮犺犪狉狋狅犳犃犮狋犻狀犵犲狀犲狊犫犪狊犲犱狅狀犪犾犻犵狀犿犲狀狋
狅犳狋犺犲犱犲犱狌犮犲犱犪犿犻狀狅犪犮犻犱狊犲狇狌犲狀犮犲狊
图7 蒙古冰草根、茎、叶总犚犖犃质量检测
犉犻犵.7 犜狅狋犪犾犚犖犃狅犳狉狅狅狋,狊狋犲犿,犾犲犪犳
犻狀犕狅狀犵狅犾犻犪狀狑犺犲犪狋犵狉犪狊狊
图8 犕狑犃犆犜1基因组织特异性表达结果
犉犻犵.8 犜犻狊狊狌犲狊狆犲犮犻犳犻犮犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀
狅犳犕狑犃犆犜1犵犲狀犲
3次PCR扩增,电泳,结果显示(图8),内源犕狑犃犆犜1基因在蒙古冰草根、茎、叶中的表达量基本一致,没有明显
差别。
3 讨论
随着高等植物肌动蛋白及其基因的深入研究和资料积累,有利于了解植物肌动蛋白的保守性和变异性与生
命起源和进化的关系,尤其是组织和器官特异性表达研究对植物的改良,特别是重要经济作物的改良具有重要的
价值和广泛的应用前景[17]。植物细胞骨架的基础科学研究对植物育种具有十分重要的意义。我国草种质资源
丰富,目前,如何保护和有效利用这些资源至关重要[18]。蒙古冰草是禾本科冰草属中珍贵的二倍体物种,因此它
在进化中的位置是很重要的。赵彦[19]通过对蒙古冰草的抗逆性基因同源性研究认为蒙古冰草基因与农作物小
麦同类基因高度同源,从遗传进化方面阐明了蒙古冰草与小麦亲缘关系最近。从理论上支持了蒙古冰草是小麦
野生近缘种这一观点,确定了蒙古冰草是小麦抗性改良基因资源的理想物种。Actin基因广泛参与真核细胞的
生理过程,其重要性不言而喻,随着越来越多的肌动蛋白基因(Actin)的克隆和序列测定,对基因本身结构、功能
和表达的分析越来越精确,有利于促进肌动蛋白基因在作物改良上的应用研究。因而克隆蒙古冰草的肌动蛋白
基因具有更为重要的意义和实用价值。
大多数研究资料认为,植物肌动蛋白起源于一个共同的祖先,通过复制和变异而被保留下来。很多保守的基
因在进化过程中都积累能够造成氨基酸改变的核苷酸,其变异的程度与演化的时间呈正相关[20]。植物肌动蛋白
的核苷酸替换率约为每亿年1%。这种高度的保守性暗示着肌动蛋白基因在生物进化过程中承受较大的选择压
力[2,4]。分子进化研究通常都是利用这些具有保守性且进化速率恒定的蛋白质或其DNA序列,这就需要大量的
分子资料和信息。肌动蛋白及其基因研究的深入和资料的积累会有利于了解肌动蛋白的保守性和变异性与生命
起源和进化的关系。同时对肌动蛋白基因表达的研究也具有重要的生物学意义。但是,由于植物材料的特殊性
471 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.2
和对植物肌动蛋白的研究起步较晚,造成植物肌动蛋白研究的滞后。对植物肌动蛋白基因序列所知还很有限,尤
其缺少在生物进化中具有重要地位的植物肌动蛋白基因序列。目前,基于植物肌动蛋白基因的分子树已经有人
绘制,但这个分子树上的成员还很少。同时,肌动蛋白基因是一个多基因家族,一般具有多个拷贝,种内与种间的
基因变异范围几乎一致,这使得情况变得复杂。已经绘制的分子树,只是一个基因树,离绘制物种树和系统发育
树还有很大的差距。目前迫切的工作是要尽可能多的克隆具有代表性的植物肌动蛋白基因。本研究所克隆的蒙
古冰草肌动蛋白基因就是一个有代表性的植物肌动蛋白基因,大大丰富了肌动蛋白研究的资料库。
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571第20卷第2期 草业学报2011年
犆犾狅狀犻狀犵犪狀犱犪狀犪犾狔狊犻狊狅狀狋犻狊狊狌犲狊狆犲犮犻犳犻犮犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀狅犳犪犃犮狋犻狀犵犲狀犲
犳狉犪犵犿犲狀狋犳狉狅犿犃犵狉狅狆狔狉狅狀犿狅狀犵狅犾犻犮狌犿
YUNJinfeng1,2,3,ZHAOYan1,2,SHIFengmin1,WANGJunjie1,2
(1.ColegeofEntironment,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China;2.Engineering
CenterofTechnicalResearchonCultivationandPropagationofGrassVarieties,Huhhot
010018,China;3.KeyLaboratoryofGrasslandResources(InnerMongolia
AgriculturalUniversity),MinistryofEducation,Huhhot010018,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Inthisstudy,actingenehomologyfragmentfrom Mongo1ianwheatgrass(犃犵狉狅狆狔狉狅狀犿狅狀犵狅犾犻犮狌犿)
wasisolatedusinghomologybasedmethod,andanalyzedontissuespecificexpressionofendogenousactin
gene.TheprimersA1wasdesignedaccordingtotheaminoacidconservedregionsoftheclonedactingeneof
Gramineaeplantwheat,onepartialsgenesequenceshavebeenobtainedbyreversetranscriptionpolymerase
chainreaction(RT-PCR).SequenceanalysisusingSoftwareofDNAmanandDNAuseretc,andshowedthat
thecDNAsequenceswas541bp,encoding179aminoacids.Andputativeconserveddomainshavebeendetec
ted,includingACTINsuperfamilydomainsofATPbindingsite,profilinbindingsiteandgelsolinbindingsite.
HomologycomparisonwithActingeneaminoacidsequencesinotherplantsshowedthatitwas99%identicalto
wheat,96%tomaizeand93%torice.Theresultsofanalysisontissuespecificexpressionshowedthattheen
dogenousactingeneexpressionlevelintheroot,stemandleafofMongo1ianwheatgrasswasidentical.Itwas
namedas犕狑犃犆犜1,GenBankaccessionnumber:FJ490410.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犃犵狉狅狆狔狉狅狀犿狅狀犵狅犾犻犮狌犿;Actingene;clone;expressionanalysis
671 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.2