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Cloning and Expression of PeAFB Genes in Populus

杨树PeAFB基因克隆及表达模式初步分析


[目的] TIR1/AFB F-box作为生长素受体参与从生长素结合到Aux/IAA蛋白降解这一信号转导过程。通过克隆杨树AFB基因家族成员,并检测其在病原菌、激素和干旱胁迫下的表达模式,以期了解AFB基因在杨树生长发育及激素信号转导中的作用机制。[方法] 以美洲黑杨杂种NL-895杨为材料,通过PCR与RACE技术,克隆NL-895杨AFB基因家族成员全长cDNA,进而利用在线分析软件和数据库对各成员编码蛋白质的理化参数、保守结构域、蛋白质三级结构进行分析和预测; 根据氨基酸序列多重比对结果进行系统进化分析; 采用实时定量PCR技术研究4个NL-895杨AFB基因家族成员在病原菌、激素和干旱胁迫下的表达模式。[结果] 获得了4个NL-895杨AFB基因家族成员,分别命名为PeAFB2-1,PeAFB2-2,PeAFB3PeAFB5,其全长cDNA分别为2 461,3 115,2 441,2 818 bp,对应的ORF分别为1 546,1 716,1 716,1 914 bp。4个PeAFB蛋白亮氨酸含量均在10%以上,特别是PeAFB2-1,高达13.4%,符合AFB蛋白质富含亮氨酸特征。氨基酸序列分析结果表明,PeAFB家族成员均具有F-box蛋白特征,其N-端为典型的F-box结构域(IPR001810),还含有5个富含亮氨酸重复序列(LRR-rich repeat, IPR006553)。4个杨树AFB和其他模式植物TIR1/AFB F-box蛋白所构建系统发育树将47个AFB蛋白家族成员聚为4大类,4个杨树PeAFB蛋白属于第Ⅰ类,并且与拟南芥的AtAFB蛋白家族成员具有高度相似性。4个PeAFB基因在茉莉酸甲酯(500 μmol·L-1)、丁香假单胞菌DC3000和PEG(20%, m/V)等胁迫条件下,表达量均有不同程度的下调。[结论] 本研究克隆了4个杨树PeAFB家族成员,并揭示了其系统进化关系,基因表达分析表明4个PeAFB基因在生物和非生物胁迫条件下,其表达量均有不同程度的下调,表明其可能参与了杨树对胁迫应答的负调控。

[Objective] The TIR1/AFB F-box proteins are auxin receptors, which directly involve in auxin perception by degrading Aux/IAA proteins, thereby regulating biological processes of stress responses and development. In order to reveal the auxin signal transduction and regulation mechanisms of AFB genes in poplar, AFB gene family members of poplar were cloned and their expression patterns under non-host pathogen, plant hormone and drought treatment were analyzed.[Method] Using PCR and RACE methods, AFB gene family members were cloned from a poplar hybrid clone NL-895 (Populus deltoides ×P. euramericana cl. NL-895). Online softwares and databases were used for gene predictions, conserve domain prediction, tertiary structure prediction, multiple-sequence alignments, and phylogenetic analysis. Real-time RT-PCR was conducted for gene expression pattern analysis of poplar AFB genes.[Result] Four AFB gene family members in NL-895 were cloned and named PeAFB2-1,PeAFB2-2,PeAFB3 and PeAFB 5 respectively. The full-length cDNA sequences of the PeAFB genes were 2 461, 3 115, 2 441,and 2 818 bp and the corresponding lengths of ORF (open reading frames) were 1 546, 1 716, 1 716 and 1 914 bp. AFBs are usually leucine-rich proteins, and the 4 PeAFBs also show high leucine content (10%-13.4%). The analysis of deduced protein sequences showed that 4 PeAFBs all contained a typical conserved F-box domain (IPR001810) and five LRR-rich repeats (IPR006553). A phylogenetic analysis using the 47 AFB proteins from land plants revealed that all AFB proteins fell into four clades, and the 4 PeAFBs resided in the first clade. Furthermore, four PeAFB genes‘ expressions were down-regulated under Pseudomonas syringae DC3000, MeJA(500 μmol·L-1), and PEG(20%, m/V) treatment.[Conclusion] Four PeAFB gene family members in poplar NL-895 were cloned,and their phylogenetic relationships were revealed. Four PeAFB genes‘ expressions were down-regulated under biotic and abiotic stresses, which indicate the four genes may play a role in negative regulation of poplar abiotic/biotic stress responses.


全 文 :第 51 卷 第 8 期
2 0 1 5 年 8 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51,No. 8
Aug.,2 0 1 5
doi:10.11707 / j.1001-7488.20150804
收稿日期: 2014 - 10 - 09; 修回日期: 2015 - 01 - 13。
基金项目: 林业公益性行业科研专项 (201304111) ; 国家自然科学基金项目 (31200507) ; 江苏省基础研究计划(自然科学基金) - 面上
项目研究(BK2012817) ; 国家自然科学基金项目(31170620) ; 江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。
* 黄敏仁为通讯作者。
杨树 PeAFB基因克隆及表达模式初步分析*
陈 英 邵志龙 王浩然 朱燕宇 朱 嵊 黄敏仁
(南京林业大学南方现代林业协同创新中心 江苏省农业种质资源保护与利用平台杨树种质资源圃 南京 210037)
摘 要: 【目的】TIR1 /AFB F-box 作为生长素受体参与从生长素结合到 Aux / IAA 蛋白降解这一信号转导过程。
通过克隆杨树 AFB 基因家族成员,并检测其在病原菌、激素和干旱胁迫下的表达模式,以期了解 AFB 基因在杨
树生长发育及激素信号转导中的作用机制。【方法】以美洲黑杨杂种 NL-895 杨为材料,通过 PCR 与 RACE 技
术,克隆 NL-895 杨 AFB 基因家族成员全长 cDNA,进而利用在线分析软件和数据库对各成员编码蛋白质的理化
参数、保守结构域、蛋白质三级结构进行分析和预测; 根据氨基酸序列多重比对结果进行系统进化分析; 采用实
时定量 PCR 技术研究 4 个 NL-895 杨 AFB 基因家族成员在病原菌、激素和干旱胁迫下的表达模式。【结果】获得
了 4 个 NL-895 杨 AFB 基因家族成员,分别命名为 PeAFB2-1,PeAFB2-2,PeAFB3 和 PeAFB5,其全长 cDNA 分别为
2 461,3 115,2 441,2 818 bp,对应的 ORF 分别为1 546,1 716,1 716,1 914 bp。4 个 PeAFB 蛋白亮氨酸含量均在
10%以上,特别是 PeAFB2-1,高达 13. 4%,符合 AFB 蛋白质富含亮氨酸特征。氨基酸序列分析结果表明,PeAFB
家族成员均具有 F-box 蛋白特征,其 N -端为典型的 F-box 结构域 ( IPR001810),还含有 5 个富含亮氨酸重复序
列( LRR-rich repeat,IPR006553)。4 个杨树 AFB 和其他模式植物 TIR1 /AFB F-box 蛋白所构建系统发育树将 47
个 AFB 蛋白家族成员聚为 4 大类,4 个杨树 PeAFB 蛋白属于第Ⅰ类,并且与拟南芥的 AtAFB 蛋白家族成员具有
高度相似性。4 个 PeAFB 基因在茉莉酸甲酯 (500 μmol·L - 1 )、丁香假单胞菌 DC3000 和 PEG(20%,m /V)等胁
迫条件下,表达量均有不同程度的下调。【结论】本研究克隆了 4 个杨树 PeAFB 家族成员,并揭示了其系统进化
关系,基因表达分析表明 4 个 PeAFB 基因在生物和非生物胁迫条件下,其表达量均有不同程度的下调,表明其可
能参与了杨树对胁迫应答的负调控。
关键词: NL-895 杨; TIR1 /AFB F-box 蛋白; PeAFB; 胁迫应答
中图分类号: S718. 46 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 7488(2015)08 - 0026 - 07
Cloning and Expression of PeAFB Genes in Populus
Chen Ying Shao Zhilong Wang Haoran Zhu Yanyu Zhu Sheng Huang Minren
(Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China,Nanjing Forestry University Poplar Germplasm Nursery,
The Jiangsu Provincial Platform for Conservation and Utilizations for Agricultural Germplasm Nanjing 210037)
Abstract: 【Objective】The TIR1 /AFB F-box proteins are auxin receptors,which directly involve in auxin perception
by degrading Aux / IAA proteins,thereby regulating biological processes of stress responses and development. In order to
reveal the auxin signal transduction and regulation mechanisms of AFB genes in poplar,AFB gene family members of
poplar were cloned and their expression patterns under non-host pathogen,plant hormone and drought treatment were
analyzed.【Method】Using PCR and RACE methods,AFB gene family members were cloned from a poplar hybrid clone
NL-895 ( Populus deltoides × P. euramericana cl. NL-895 ) . Online softwares and databases were used for gene
predictions,conserve domain prediction,tertiary structure prediction,multiple-sequence alignments,and phylogenetic
analysis. Real-time RT-PCR was conducted for gene expression pattern analysis of poplar AFB genes.【Result】Four AFB
gene family members in NL-895 were cloned and named PeAFB2-1,PeAFB2-2,PeAFB3 and PeAFB5 respectively. The
full-length cDNA sequences of the PeAFB genes were 2 461,3 115,2 441,and 2 818 bp and the corresponding lengths of
ORF ( open reading frames) were 1 546,1 716,1 716 and 1 914 bp. AFBs are usually leucine-rich proteins,and the 4
PeAFBs also show high leucine content (10% - 13. 4% ) . The analysis of deduced protein sequences showed that 4
第 8 期 陈 英等: 杨树 PeAFB 基因克隆及表达模式初步分析
PeAFBs all contained a typical conserved F-box domain ( IPR001810 ) and five LRR-rich repeats ( IPR006553 ) . A
phylogenetic analysis using the 47 AFB proteins from land plants revealed that all AFB proteins fell into four clades,and
the 4 PeAFBs resided in the first clade. Furthermore, four PeAFB genes’ expressions were down-regulated under
Pseudomonas syringae DC3000,MeJA(500 μmol·L - 1 ),and PEG(20%,m /V) treatment.【Conclusion】Four PeAFB
gene family members in poplar NL-895 were cloned,and their phylogenetic relationships were revealed. Four PeAFB
genes’expressions were down-regulated under biotic and abiotic stresses,which indicate the four genes may play a role in
negative regulation of poplar abiotic / biotic stress responses.
Key words: poplar NL-895; TIR1 /AFB F-box protein; PeAFB; stress responses
生长素不仅调节植物自身生长与发育,而且在
植物应答生物与非生物胁迫过程中具有重要作用
(Woodward et al.,2005)。大量的遗传学和生物化
学研究表明,生长素信号转导是实现其生物学效应
的内在机制,例如,生长素通过与 TIR1 /AFB F-box
(Dharmasiri et al.,2005; Mockaitis et al.,2008)、生
长素 反 应 因 子 ( auxin response factors, ARFs )
(Guilfoyle et al.,2007; Okushima et al.,2005)和生
长素 反 应 阻 遏 子 /抑 制 子 ( Aux / IAA 阻 遏 子 )
(Overvoorde et al.,2005; Remington et al.,2005)这 3
个蛋白质家族的直接或间接相互作用,影响下游基
因的转录,从而影响或应对体内与体外的环境变化。
TIR1 /AFB F-box 作为生长素受体参与从生长
素结合到 Aux / IAA 蛋白降解这一信号转导过程,并
且 TIR1 /AFB F-box 家族各成员具有不同的生化特
性和生物学功能。拟南芥( Arabidopsis thaliana) 的
TIR1 /AFB F-box 基因家族具有 7 个成员,分别为
TIR1,AFB1,AFB2,AFB3,AFB4,AFB5 和 COI1。生
长素运输抑制剂响应蛋白 1(TIR1)是第 1 个确定的
生长素受体(Dharmasiri et al.,2005; Kepinski et al.,
2005),它是一个 F-box 蛋白,具有多个富亮氨酸重
复(LRR-rich repeats,LRRs)区域,参与泛素化蛋白
降 解 途 径 ( ubiquitination protein degradation
pathway)。除 TIR1 外,AFB1,AFB2 和 AFB3 同样也
具有受体的作用,与 TIR1 在功能上存在冗余
(Dharmasiri et al.,2005)。研究发现,TIR1 /AFB2 与
Aux / IAA 蛋白之间的相互作用强于 TIR1 /AFB1 和
TIR1 /AFB3( Parry et al.,2009),AFB3 在植物根部
氮素反应中起重要作用(Vidal et al.,2010)。而遗
传学试验结果则显示 AFB4 负调控植物生长素反应
(Greenham et al.,2011)。此外,COI1 是植物的茉莉
酸反应途径所必需的(Xu et al.,2002)。
目前 AFB 基因家族已经在拟南芥、水稻(Oryza
sativa)等模式植物中被广泛地研究,但是其在木本
植物中的研究却非常缺乏。杨树(Populus)是林木
分子生物学研究的模式物种,因而本研究以 NL-895
杨(P. deltoides × P. euramericana cl. NL-895)为材
料,克隆杨树 AFB 基因家族成员,并检测其在病原
菌、激素和干旱胁迫下的表达模式,以期更加深入地
了解杨树生长发育及激素信号转导过程,为杨树的
遗传改良选育工作打下坚实基础。
1 材料与方法
1. 1 植物材料
基因克隆和表达分析所用材料为 NL-895 杨无
菌苗,使用 MS0培养基(蔗糖 20 g·L
- 1,pH 5. 8)进行
继代培养,生长条件为 25 ℃,16 h /8 h (光照 /黑
暗)。
选取培养 4 周、苗高约 4 cm、生长状态较一致
的 NL-895 组培苗,将茉莉酸甲酯(MeJA,500 μmol·
L - 1)和去离子水(对照)分别均匀喷洒在杨树苗叶
片上,于 1,12,24 h 后 取 样。丁 香 假 单 胞 菌
(Pseudomonas syringae)菌株 DC3000 用无菌水重悬
至 106 个孢子·mL - 1,均匀喷洒在叶片上,去离子水
为对照,在处理后 0. 5,1,1. 5,2 h 取样。干旱胁迫
处理采用 20% (m /V) PEG-6000 培养杨树组培苗,
对照以无菌水培养,分 1,12 和 24 h 3 个时间点。各
样品取样后液氮速冻,- 70 ℃保存备用。
1. 2 菌株和载体
pMD19-T 购自大连宝生物工程公司( Takara),
大肠杆菌 ( Escheriachia coli) Top10 和 DC3000 保存
于本实验室。
1. 3 试验方法
1. 3. 1 杨树 PeAFB 基因克隆 采用 Trizol 法
( Invitrogens 公司)提取 NL-895 杨叶片总 RNA。引
物设计基于毛果杨(P. trichocarpa)基因组( http:∥
www. phytozome. net / search. php)预测 AFB 基因家族
的序列信息,通过 PCR 扩增基因片段,测序,进而设
计 RACE 引物,并选用大连宝生物公司生产的
3-Full RACE Core Set Ver. 2. 0 试剂盒和 5-Full
RACE 试剂盒克隆目的基因 3和 5片段。将所获得
的 3和 5片段进行比对与拼接,获得全长 cDNA。
72
林 业 科 学 51 卷
用 NCBI ORF Finder 程序查找序列的 ORF ( open
reading frame),并根据正确的 ORF 设计基因全长引
物(表 1),采用 TaKaRa LA Taq 高保真酶扩增目的
基因的 ORF。所有扩增产物均在 1% ~ 2% 的琼脂
糖凝胶上进行电泳分析,将分子质量正确的条带切
下,回收纯化 (天根公司 ),连接 pMD19-T vector
(TaKaRa 公司),转化大肠杆菌 Top10,最后将阳性
克隆委托测序公司 (上海英骏) 测序。
表 1 杨树 PeAFB 基因克隆引物
Tab. 1 Oligonucleotides primers used in PeAFB cloning
引物名称
Primer ID 正向引物
Forward primer 反向引物
Reverse primer
PeAFB2-1 ORF 5-ATGAATTATTTCCCTGATGAAGT-3 5-AAGGGTAACGTCGCCAGGATG-3
PeAFB2-2 ORF 5-ATGAATTATTTCCCAGATG-3 5-TAAAGTCCACACGAAC-3
PeAFB3 ORF 5-ATGAATTATTTCCCTGATGAAG-3 5-TAAAGTCCACACGAACTCTGGTG-3
PeAFB5 ORF 5-ATGGTCACCAACAAAAAGCCT -3 5-CAAGATGGAAACAAATCGTG -3
Eflα qRT-PCR 5-GGCAAGGAGAAGGTACACAT -3 5-CAATCACACGCTTGTCAATA -3
PeAFB2-2 qRT-PCR 5-CTTGGGTGTAGGGTCTTA -3 5-AGTCAAGTTCGGGCAAAT -3
PeAFB3 qRT-PCR 5-CTGCTCCTCAATGCCTAT -3 5-AGCCCACTTCAGTCACAGC -3
1. 3. 2 PeAFB基因结构与特性分析 利用 ProtParam
(http:∥expasy. org / tools / protparam. html)软件进行
蛋白质理化参数分析,计算蛋白质的分子质量以及
理论等电点 pI; 采用 Interproscan (http:∥www. ebi.
ac. uk / interpro / sequencesearch)进行保守结构域分
析; 利用 Swiss-Model ( http:∥ swissmodel. expasy.
org)软件进行 PeAFB 蛋白质三级结构的预测; 序列
多重比对使用 Clustal W 软件,序列的系统树采用
MEGA5. 1 软件中的邻接(neighbor joining,NJ) 算法
进行构建(Tamura et al.,2011)。
1. 3. 3 PeAFB 基因的表达模式分析 各样品总
RNA 提取参照 1. 3. 1,采用 SuperScriptTM III First-
Strand Synthesis System for RT-PCR 反转录试剂盒
( Invitrogen ) 合成 cDNA。使用 Oligo 6 软件设计
qRT-PCR 扩增引物(表 1),EF1α 基因作为内参基
因( Xu et al.,2011 )。 qRT-PCR 采用 SYBR Green
Realtime PCR Master Mix ( TOYOBO ) 在 ABI 7500
Real time PCR Systems(Applied Biosystems)上完成,
每个样品 3 次重复。
2 结果与分析
2. 1 杨树 PeAFB 基因克隆与序列分析
根据毛果杨全基因预测杨树 AFB 基因家族的
序列信息,通过 PCR 扩增获得 4 条来自 NL-895 杨
的 cDNA 片段,测序,进而设计 4 对 RACE 引物,选
用大连宝生物公司生产的 3RACE 试剂盒、5RACE
试剂盒分别克隆 PeAFB 基因的 3和 5端片段,试验
结果显示 5和 3RACE 均能扩增出特异性条带。将
特异性条带切胶回收纯化,克隆到 T 载体上,测序,
以及序列拼接。并通过序列比对,将其命名为
PeAFB2-1,PeAFB2-2,PeAFB3 和 PeAFB5。各基因
的 cDNA 全长、ORF 全长、编码氨基酸全长、分子质
量以及等电点如表 2 所示。
表 2 杨树 PeAFB 基因序列分析
Tab. 2 Sequence analysis of PeAFB
基因
Gene
cDNA /bp ORF /bp 氨基酸
(个)
Amino acid
亮氨酸含量
Leu content(% )
分子质量
Molecular mass
等电点 pI
Isoelectric point
PeAFB2-1 2 461 1 546 515 13. 4 57 984. 4 7. 78
PeAFB2-2 3 115 1 716 571 12. 6 64 013. 3 6. 88
PeAFB3 2 441 1 716 571 13. 0 64 179. 3 7. 16
PeAFB5 2 818 1 914 637 10. 5 71 094. 5 5. 42
从表 2 可以看出,4 个 PeAFB 蛋白亮氨酸含量
较高,均在 10%以上,特别是 PeAFB2-1,达 13. 4%,
符合 AFB 蛋白质富含亮氨酸特征。
2. 2 AFB 基因家族成员同源性分析和蛋白质三级
结构预测
对所获得的 4 个 PeAFB 基因家族成员的 ORF,
以及来自拟南芥的 AtAFB 基因家族成员进行同源
性分析(图 2)。结果显示,AFB 家族成员之间有着
较高的相似性。PeAFB 家族成员 N -端都具有典型
的 F-box 结构域( IPR001810),还有 5 个富含亮氨酸
重复序列(LRR-rich repeat,IPR006553)。
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第 8 期 陈 英等: 杨树 PeAFB 基因克隆及表达模式初步分析
图 1 杨树和拟南芥 AFB 蛋白的氨基酸序列比对
Fig. 1 Amino acid sequence multi-alignment of AFB proteins in Populus and Arabidopsis thaliana
图 2 杨树 PeAFB 蛋白三级结构预测
Fig. 2 Tertiary structure prediction of PeAFB in Populus
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林 业 科 学 51 卷
蛋白质以特定的适当空间构象存在时才具有生
物活性,因而三级结构与蛋白功能息息相关。蛋白
质结构可采用 X 晶体衍射及核磁共振等试验技术
加以验证,但费用成本过高。瑞士模型工作区
(Swiss-Model Workspace)是用于对蛋白质结构做同
源建模的网络综合服务器,可预测和模拟蛋白质三
级结构。4 个 PeAFB 蛋白均以编号为 3c6o. 1. B 的
模型 为 模 板,其 中 AFB2-1 与 其 相 似 度 达 到
63. 96%,AFB2-2 为 61. 84%,AFB3 为 62. 54%,
AFB5 与其相似度较低,为 52. 79%。从 PeAFB 蛋白
的三级结构模型可以看出,PeAFB2-1,PeAFB2-2,
PeAFB3 和 PeAFB5 的三维结构非常相似(图 2),在
N -端 3 个 α 螺旋之后,1 个 β 折叠后面会紧随 1 个
α 螺旋,这是明显的 LRRs 结构。
利用 NJ 算法将 PeAFB 基因的氨基酸序列与拟
南芥、水稻、玉米( Zea mays)等其他植物的 AFB 基
因进行系统进化树的构建。结果表明,4 个杨树
PeAFB 蛋白和来自其他植物的 47 个 AFB 蛋白家族
成员可以聚为 4 大类(图 3)。本研究所克隆的 4 个
杨树 PeAFB 蛋白属于第Ⅰ类,并且与拟南芥的
AtAFB 蛋白家族成员同源性非常高。AtAFB2 和
AtAFB3 聚合成一亚分支,而 PeAFB2-1,PeAFB2-2
和 PeAFB3 聚合为另一亚分支,它们同属 AFB2 分
支,亲 缘 关 系 非 常 近。 AtAFB5,PeAFB5 以 及
SlAFB5 也聚合在一起。由此推测,杨树的 4 个
PeAFB 成员在杨树中可能也发挥与 AtAFB 相似的
调控作用。
2. 3 杨树 PeAFB 基因表达分析
利用 q-RT PCR 分析了 NL-895 杨中 PeAFB2-1,
PeAFB2-2,PeAFB3 和 PeAFB5 基因在不同胁迫条件
下的表达模式。结果显示: 20% (m /V) PEG-6000
溶液处理 NL-895 杨,在 1 h 后 PeAFB2-2,PeAFB3 和
PeAFB5 基因的表达量略微下调,12 h后表达量降低
到原来的 40%,在 24 h 和 12 h 的表达量基本保持
一致。而 PeAFB2-1 基因的表达量在 1 h 后迅速下
调约 65%,在 12 h 和 24 h 表达量与其他 3 个 PeAFB
相似 (图 4A )。而 NL-895 杨叶片经 MeJA ( 500
μmol·L - 1)处理后 1 h,4 个基因的表达量即迅速下
调 70% ~ 80%,并且在 12 h 和 24 h 后表达量继续
保持较低的趋势 (图 4B )。在 DC3000 喷洒于
NL-895杨叶片 30 min 后,4 个基因表达量即表现出
强烈的下降趋势,然后在 1,1. 5,2 h的表达量逐渐
升高(图 4C)。
图 3 杨树和其他植物 AFB 蛋白家族系统进化树
Fig. 3 Phylogenetic tree of AFB family proteins in
Populus and other plants
Pe: 杨树 Populus; At: 拟南芥 Arabidopsis thaliana; Os: 水稻
Oryza sativa; Sl: 番茄 Solanum lycopersicum; Zm: 玉米 Zea mays.
03
第 8 期 陈 英等: 杨树 PeAFB 基因克隆及表达模式初步分析
3 讨论
TIR1 /AFB F-box 蛋白作为生长素受体,在生长
素信号转导过程中起着至关重要的作用。在所有的
陆生植物中,TIR1 /AFB F-box 蛋白家族序列高度保
守,并且家族成员极少发生扩增,表明该蛋白家族在
进化过程中未承受导致基因产生多样性的正向选择
压力(Parry et al.,2009)。在拟南芥中的研究发现,
Flg22 处理野生型幼苗 30 min 后,AtTIR1,AtAFB2
和 AtAFB3 表达量即减少了 2 ~ 3 倍;同时,由于 AFB
基因是 miRNA393 的靶基因,而过表达 miRNA393
的转基因拟南芥一定程度上可以抵抗 Pto DC3000
图 4 杨树 PeAFBs 基因在不同的胁迫条件下的表达模式
Fig. 4 Expression pattern of PeAFBs under different stresses
的感染,并抑制 Pto DC3000 的生长(Navarro et al.,
2006)。本文的研究结果与之一致: 当 DC3000 侵
染 NL-895 杨时,生长素信号转导受体 PeAFB2-2 和
PeAFB3 的基因表达量迅速降低 (30 min 内),然后
在 1,1. 5,2 h 的表达量逐渐升高。MeJA 与植物抵
抗真菌侵染有非常密切的关系,NL-895 杨叶片经
MeJA(500 μmol·L - 1 )处理后 1 h,4 个 PeAFB 基因
的表达量即迅速下调,与 DC3000 侵染结果一致。
因此推测 PeAFB 基因的功能可能与 AtAFB2 和
AtAFB3 类似,以负调控的方式参与了植物的抗病反
应,通过降低对生长素的敏感性促使植株在短时间
内迅速启动相关防御机制来抵抗微生物的侵染。此
外,TIR1 /AFB F-box 蛋白家族也参与了植物应对非
生物胁迫的应答过程,例如,水稻过表达 miR393,可
直接靶向 OsTIR1 和 OsAFB2,水稻抗盐和抗干旱能
力降低(Xia et al.,2012)。在本研究中,20% (m /
V)PEG-6000 溶液处理 NL-895 杨 12 ~ 24 h 后,表达
量降低到原来的 40% 左右,推测 TIR1 /AFB F-box
蛋白同样以负调控的方式参与了杨树的植物干旱
应答。
研究表明,F-box 蛋白与 SKP1 可通过 N 末端的
F-box 结构域互作,从而 SKP1 蛋白将 RBX1 / cullin
二聚体与 F-box 蛋白接合在一起,形成 SCF 复合体
( SCFs complexes,Skp1-cullin-F-box protein ligase )
(Bai et al.,1996)。由于 F-box 蛋白所含参与蛋白
互作的保守基序不同,赋予了 SCF 酶复合体底物特
13
林 业 科 学 51 卷
异性,如 LRRs、WD40 重复序列、ANK 重复序列
(Pichart,2001)。其中,LRRs 是一段 20 ~ 30 个氨
基酸的保守序列,可重复 2 ~ 45 次,其在真核生物中
广泛参与了蛋白互作。本研究所获得的 4 个 PeAFB
家族 成 员 N - 端 都 具 有 保 守 的 F-box 结 构 域
( IPR001810),还有 5 个富含亮氨酸重复序列 LRRs
(Leu-rich repeat,IPR006553),并形成典型的 LRRs
结构域(图 1、图 2),表明其在蛋白空间结构上具有
典型的 TIR1 /AFB F-box 蛋白特征,与已报道的拟南
芥同源蛋白类似。
系统发育研究结果表明,在被子植物和裸子植
物分化之前就已形成 TIR1 /AFB2,AFB4 和 AFB6 这
3 个独立分支; 随后,在单双子叶分化以前,TIR1 /
AFB2 又分化为 2 个独立分支,即 AFB1 和 AFB2;
最终形成 4 个分支并保存至今(Parry et al.,2009)。
本研究将所克隆的 4 个杨树 AFB 和其他模式植物
TIR1 /AFB F-box 蛋白构建了系统发育树,结果与之
相符。 PeAFB2-1,PeAFB2-2 和 PeAFB3 聚合在一
起,属于 AFB2 分支,并且与同属 AFB2 分支的拟南
芥 AtAFB2 和 AtAFB3 亲缘关系非常近,与单子叶植
物玉米和水稻的 AFB2 和 AFB3 亲缘关系较远。此
外,AtAFB5,PeAFB5 以及 SlAFB5 也聚合在 AFB5
这一支,与玉米和水稻的 AFB5 亲缘关系也较远。
系统进化分析结果支持杨树和拟南芥 TIR1 /AFB
F-box基因存在直系同源关系,推测它们可能在各种
生物学过程中具有相近的功能,这与本文基因表达
分析的研究结果相一致。
参 考 文 献
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(责任编辑 徐 红)
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