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Molecular Characteristics and Primary Functional Analysis of DlKNOX1 Gene from Dendrocalamus latiflorus

麻竹同源异型盒基因DlKNOX1的克隆及功能初步分析


同源异型盒基因在决定植物的形态建成中发挥着重要作用。采用RT-PCR和RACE技术,从麻竹中分离到1个同源异型盒基因,其cDNA全长1 452 bp,编码1个330个氨基酸的蛋白,包含1个KNOX1区、1个KNOX2区、1个ELK区和1个Homeobox区,属于KNOX蛋白,该基因命名为DlKNOX1 (GenBank No. KF709955)。组织表达特异性分析表明,DlKNOX1 在节中的表达量最高,茎和鞘中次之,而在叶片中最低。将DlKNOX1 置于35S启动子控制下,构建到载体pPZP的多克隆位点并转化拟南芥。RT-PCR分析表明,DlKNOX1 已在转基因植株中表达。转基因植株表型变化明显,花期比野生型延迟,果荚着生部位明显发生变化,这意味着DlKNOX1 基因可能参与麻竹形态建成的调控。

Homeobox genes play important roles in determining plant morphogenesis. A homeobox gene was isolated from Dendrocalamus latiflorus with RT-PCR and RACE methods. The full length of the cDNA was 1 452 bp which would encode a 330-aa protein containing one KNOX1 domain, one KNOX2 domain, one ELK domain and one Homeobox domain, indicating that it belongs to KNOX protein, and the gene was designed as DlKNOX1 . Tissue specific expression showed that DlKNOX1 expressed in knob with the highest level, followed by in stem and sheath, and the lowest in leaf. DlKNOX1 gene was constructed into the multiple cloning sites of pPZP vector driven by a 35S promoter, and transferred into Arabidopsis thaliana. RT-PCR analysis showed that DlKNOX1 was expressed in the transgenic plants. The phenotype of transgenics showed that flowering time was later than that of wild type, and the pods position changed obviously, which suggested that DlKNOX1 might participate in the regulation of D. latiflorus morphogenesis.


全 文 :第 50 卷 第 2 期
2 0 1 4 年 2 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50,No. 2
Feb.,2 0 1 4
doi: 10.11707 / j.1001-7488.20140209
收稿日期: 2013 - 07 - 29; 修回日期: 2013 - 10 - 26。
基金项目: “十二五”国家科技支撑计划项目“竹子优良种质选育技术研究与示范”专题“分子辅助育种技术集成与示范”
(2012BAD23B0504)。
* 高志民为通讯作者。
麻竹同源异型盒基因 DlKNOX1 的
克隆及功能初步分析*
刘 青1 汪玉凤2 赵韩生1 陈 颖1 高志民1
(1. 国际竹藤中心 国家林业局竹藤科学与技术重点开放实验室 北京 100102; 2. 南京林业大学竹类研究所 南京 210037)
摘 要: 同源异型盒基因在决定植物的形态建成中发挥着重要作用。采用 RT-PCR 和 RACE 技术,从麻竹中分
离到 1 个同源异型盒基因,其 cDNA 全长 1 452 bp,编码 1 个 330 个氨基酸的蛋白,包含 1 个 KNOX1 区、1 个 KNOX2
区、1 个 ELK 区和 1 个 Homeobox 区,属于 KNOX 蛋白,该基因命名为 DlKNOX1(GenBank No. KF709955)。组织表
达特异性分析表明,DlKNOX1 在节中的表达量最高,茎和鞘中次之,而在叶片中最低。将 DlKNOX1 置于 35S 启动
子控制下,构建到载体 pPZP 的多克隆位点并转化拟南芥。RT-PCR 分析表明,DlKNOX1 已在转基因植株中表达。
转基因植株表型变化明显,花期比野生型延迟,果荚着生部位明显发生变化,这意味着 DlKNOX1 基因可能参与麻
竹形态建成的调控。
关键词: 麻竹; 同源异型盒基因; 组织特异性表达; 异位表达; 形态建成
中图分类号: S718. 46 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 7488(2014)02 - 0056 - 07
Molecular Characteristics and Primary Functional Analysis
of DlKNOX1 Gene from Dendrocalamus latiflorus
Liu Qing1 Wang Yufeng2 Zhao Hansheng1 Chen Ying1 Gao Zhimin1
(1. International Center for Bamboo and Rattan Key Laboratory of Bamboo and Rattan Science and Technology of
State Forestry Administration Beijing 100102; 2. Bamboo Research Institute,Nanjing Forestry University Nanjing 210037)
Abstract: Homeobox genes play important roles in determining plant morphogenesis. A homeobox gene was isolated
from Dendrocalamus latiflorus with RT-PCR and RACE methods. The full length of the cDNA was 1 452 bp which would
encode a 330-aa protein containing one KNOX1 domain,one KNOX2 domain,one ELK domain and one Homeobox
domain,indicating that it belongs to KNOX protein,and the gene was designed as DlKNOX1 . Tissue specific expression
showed that DlKNOX1 expressed in knob with the highest level,followed by in stem and sheath,and the lowest in leaf.
DlKNOX1 gene was constructed into the multiple cloning sites of pPZP vector driven by a 35S promoter,and transferred
into Arabidopsis thaliana. RT-PCR analysis showed that DlKNOX1 was expressed in the transgenic plants. The phenotype
of transgenics showed that flowering time was later than that of wild type,and the pods position changed obviously,which
suggested that DlKNOX1 might participate in the regulation of D. latiflorus morphogenesis.
Key words: Dendrocalamus latiflorus; homeobox gene; tissue specific expression; ectopic expression; morphogenesis
由同源异型盒基因家族(homeobox gene family)
编码的蛋白作为转录因子,在生物体形态建成和细
胞命运的决定中起着重要作用 ( Gehring et al.,
1994; Williams,1998; Mukherjee et al.,2009; Mallo
et al.,2010)。植物中发现的第 1 个同源异型盒基
因是玉米(Zea mays)的 Knotted-1 (Vollbrecht et al.,
1991),随后相继从水稻(Oryza sativa) (Matsuoka et
al.,1993)、拟南芥( Arabidopsis thaliana) ( Lincoln et
al.,1994)、大豆(Glycine max) (Ma et al.,1994)、大
麦( Hordeum vulgare ) ( Müller et al.,1995 )、番茄
第 2 期 刘 青等: 麻竹同源异型盒基因 DlKNOX1 的克隆及功能初步分析
(Solanum lycopersicum) (Hareven et al.,1996)和烟
草(Nicotiana tabacum)(Tamaoki et al.,1997)等植物
中获 得,这 些 基 因 形 成 一 个 家 族,即 KNOX
(knotted1-like homeobox)基因家族。根据基因的序
列特征和表达模式,植物中的 KNOX 被划分为 2 类
亚家族: KNOX Ⅰ和 KNOX Ⅱ,其中 KNOXⅠ在分生
组织中高效表达,特别是茎顶端分生组织; KNOXⅡ
在大部分组织中都表达 ( Kerstetter et al.,1994;
Sentoku et al.,1999)。KNOX 基因参与植物的生长
发育和器官分化过程的多个方面,是分生组织发生
与维持所必需的关键基因,调控与器官发生相关的
细胞分化,最终影响侧生器官的形态建成,参与植物
激素的调节等(李春苑等,2009; Hay et al.,2010)。
竹子是重要的速生植物资源,已有研究表明其
顶端分生组织( shoot apical meristem,SAM)、居间分
生组织具有旺盛的细胞分裂与分化能力,其速生与
节间的快速伸长密切相关(熊文愈等,1980)。多数
竹类植物长期处于营养生长,可在 1 个生长季内完
成高生长和粗生长,节部形成的侧枝数量及其形态
已成为竹类植物分类的重要参考依据。侧生器官形
成于 SAM 的侧翼边缘(周围区),而位于 SAM 中央
区下部的干细胞构成肋区,促成茎的伸长。在周围
区和肋区的结构动态变化中,生长与发育的协同需
要广泛的短距离和长距离细胞间的信号转导,这些
信号通路涉及激素、转录因子和染色质修饰等
(Castellano et al.,2005),其中 KNOX Ⅰ对分生组织
的形成和功能的维持至关重要。本研究以优良的速
生笋 材 两 用 丛 生 竹 种———麻 竹 ( Dendrocalamus
latiflorus)为材料,采用 RT-PCR 和 RACE 技术,从中
克隆得到 1 个 KNOX Ⅰ的同源基因,利用实时定量
PCR 技术对该基因的表达情况进行分析,同时通过
构建植物过量表达载体,转化模式植物拟南芥对其
功能进行初步分析,以期为从分子水平上揭示同源
异型盒基因在竹子节部形态建成中的作用奠定
基础。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
麻竹 2 年生扦插苗盆栽于本实验室的培养室
内,培养温度为 25 ℃,光照 200 μmol·m - 2 s - 1,光周
期为光 /暗 = 16 h /8 h。
1. 2 总 RNA 分离与 cDNA 合成
采用 Trizol 法(Gao et al.,2006)分别提取麻竹
新根、新生枝条的幼茎和节、新生枝条顶部第 3 片叶
的叶片和叶鞘的 RNA,按照反转录试剂盒说明
(Promega 公司)合成 cDNA,同时用 SMARTTM RACE
试剂盒(Clontech 公司)分离 5cDNA 和 3cDNA。
1. 3 基因分离、测序与分析
根据 水 稻 OSH1 基 因 ( AC145380 ) 和 玉 米
KNOTTED1 基因(AY260164)DNA 序列设计兼并引
物,由北京六合华大基因科技股份有限公司合成。
F: 5-ATGGAGGAGATCHCCCAACACTTN-3; R: 5-
CTAGCCGAGCCDGTACAGCC-3。 PCR 反 应 体 系
(20 μL): 10 × Buffer 2 μL,dNTP(dATP,dTTP,dCTP
和 dGTP 各 2. 5 mmol·L - 1)1. 6 μL,cDNA(0. 04 μg·
L - 1)1 μL,正向引物(10 μmol·L - 1 )1 μL,反向引物
(10 μmol·L - 1 ) 1 μL,Pyrobest 酶 ( 5 U·μL - 1 ) 0. 1
μL,超纯水 13. 3 μL。PCR 产物用 Biomiga 公司试
剂盒回收,加 A 后连接到 Promega 的 pGEM-T easy
载体上,转化大肠杆菌(Escherichia coli) Trans5α 感
受态细胞,筛选阳性克隆,由北京六合华大基因科技
股份有限公司测序。
在对获得序列分析的基础上,分别设计 RACE
引物。5-RACE 引物 5-1: 5-AGGAGAGCCGAGT
ACTGGGGGTGCGAC-3; 5-2: 5-TGCAACGCGAGC
GGCGAGCTGTGGTG-3。 3-RACE 引 物 3-1: 5-
TCAAGCACCAGCTCCTGAGGAAGTACGG-3; 3-2:
5-AGGCGGCTTCCACGTCCCGGCGCTGTAC-3。 分
别以 5cDNA 和 3cDNA 为模板,用引物 5-1、3-1 分
别与通用引物(UPM)配对进行第 1 轮 PCR 反应,对
PCR 产物电泳分析后,分别以第 1 轮产物为模板,用
引物 5-2、3-2 分别与巢式引物(NUP)配对进行 PCR
反应(程序参照 SMARTTM RACE 试剂盒说明进行)。
回收 PCR 产物中目的条带、连接到 pGEM-T easy 载
体后送公司测序。
应用 DNASTAR5. 01、SMART ( http: ∥ smart.
embl-heidelberg. de /)等生物软件对测序获得 cDNA
序列及其编码蛋白质的结构特点进行分析,利用
NCBI 在线数据库比较分析目的基因序列与其他物
种的一致性。
1. 4 基因在麻竹不同组织中的表达检测
根据已知目的基因序列设计实时荧光定量
PCR 的 引 物,RT-F: 5-TTCTCAAGTCTCAACTCT
CAATAC-3; RT-R: 5-TGGACGGTGTCAGCATCAG
CC-3。分别以麻竹根、茎、节、叶片和叶鞘的 cDNA
为模板,用 SYBR Premix Ex TaqTM ( TaKaRa)实时
荧光定量 PCR 试剂盒进行试验。采用麻竹 Actin
(KC512910 ) 作 为 内 参,反 应 体 系 ( 20 μL ):
Maxima SYBR Green Mix (2 × ) 10 μL,Rox DyeⅡ
( 50 × ) 0. 4 μL,Forward /Reverse primer ( 10
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林 业 科 学 50 卷
μmol·L - 1 ) 0. 4 μL,cDNA 2 μL,超纯水 6. 8 μL。
PCR 反应在 ABI PRISM 7500 Real-time PCR 仪上
进行,反应程式: 95 ℃ 预变性 2 min; 95 ℃ 变性
30 s,61 ℃退火延伸 60 s,45 个循环; 60 ℃ 收集荧
光。每个反应重复 3 次,反应结束后,分析荧光值变
化曲线和溶解曲线,并应用 2 - ΔΔCt算法分析 PCR 结
果(Livak et al.,2001)。
1. 5 基因植物表达载体构建
根据植物表达载体 pPZP 的多克隆位点以及目
的基因序列的酶切位点特征设计特异引物,上游引
物 5 端添 加 Xba Ⅰ 酶切位点,F-1: 5-AAtctaga
ATGGAGAGCTTCGCAAATCTTG-3; 下游引物 5端
添加 BamHⅠ酶切位点,R-1: 5-ggatccCGACCCCAG
CCGGTACATGC-3。采用高保真酶进行 PCR 扩增,
回收的扩增产物加 A 后与 pGEM-T easy 连接,转化
感受态细胞,选取阳性克隆测序。采用双酶切(Xba
Ⅰ /BamHⅠ)将测序正确的克隆直接连入 pPZP 的
多克隆位点,并对植物表达载体质粒进行酶切验证。
1. 6 拟南芥转化、转基因植株检测与表型观察
采用电击法将含有目的基因的植物表达载体质
粒转 入 农 杆 菌 ( Agrobacterium tumefaciens ) 菌 株
GV1301 感受态细胞,并转化拟南芥 (徐芳等,
2005)。筛选(卡那霉素 50 mg·L - 1)抗性植株,选择
T3 代没有抗性分离的株系提取 RNA 并反转录成
cDNA,采用半定量 RT-PCR 方法对目的基因的表达
进行检测,同时以质粒 DNA 和野生型拟南芥的
cDNA 作为对照。观察转基因植株的表型并拍照。
2 结果与分析
2. 1 基因分离与序列分析
用引物 F 和 R 进行扩增反应,PCR 产物电泳检
测显示在 1 kb 左右有 1 条特异亮带,与预测目的片
段相符。经测序证实,插入片段为 990 bp,初步分析
为 KNOX 同源序列。通过第 1 轮 PCR 和第 2 轮巢
式 PCR,获得目的片段测序结果显示,5 RACE 和
3 RACE获得的末端序列分别为 251 bp 和 429 bp,
经过序列拼接,去掉重叠序列,得到 1 个 1 452 bp 的
全长 cDNA 序列。该序列包含 5非翻译区 106 bp、
3非翻译区 353 bp、读码框 993 bp,编码 330 个氨基
酸,其预测蛋白的等电点和分子质量分别为 6. 384
和 36. 910 74 kDa。蛋白结构分析表明,所编码蛋白
包含 1 个 KNOX1 区 ( 80—124 )、1 个 KNOX2 区
(132— 183 )、1 个 ELK 区 ( 212—232 ) 和 1 个
Homeobox 区(235—294),这与 KNOXⅠ类蛋白结构
(Kerstetter et al.,1994; Finn et al.,2010)相符。因
此,将该基因 ( GenBank No. KF709955 ) 命名为
DlKNOX1(图 1)。
利用 NCBI 在线软件 blastx( http:∥blast. ncbi.
nlm. nih. gov /Blastx ) 进 行 分 析 比 较,结 果 显 示
DlKNOX1 编码的蛋白与其他植物的 KNOXⅠ类蛋白
有较高的一致性,如与毛竹(Phyllostachys edulis)、谷
子(Setaria italica)、玉米、小麦 ( Triticum aestivum)、
大麦、水稻、拟南芥等植物 KNOX 蛋白的一致性都
在 60%以上,其中与毛竹的最高,达到 89. 9%。应
用 MEGA4 软件的系统进化树分析表明,DlKNOX1
与毛竹、谷子、玉米、二穗短柄草 ( Brachypodium
distachyon)、节节麦(Aegilops tauschii)、小麦、乌拉尔
图小麦 ( Triticum urartu )、水稻等单子叶植物的
KNOX 聚类到同一个分支,而双子叶植物卵叶天门
冬 ( Asparagus asparagoides )、龙 舌 兰 ( Agave
tequilana )、甘 薯 ( Ipomoea batatas )、葡 萄 ( Vitis
vinifera)、毛白杨(Populus tomentosa)、拟南芥、大豆、
鹰嘴 豆 ( Cicer arietinum )、蒺 藜 苜 蓿 ( Medicago
truncatula)等的 KNOX 则聚类在另一个分支上 (图
2),这与形态学分类相吻合。
2. 2 基因在麻竹中的组织特异性表达分析
利用实时荧光定量 PCR 技术对 DlKNOX1 基因
在麻竹不同组织中的表达模式进行分析,结果表明:
该基因为组成型表达,在麻竹的新根、幼茎、叶片、叶
鞘、节中均检测到表达,但表达丰度存在着明显的差
异,其中在节中的相对表达丰度最高,茎和叶鞘中次
之,根中的表达丰度比较低,而叶片中最低(图 3)。
2. 3 基因在拟南芥中的过量表达
为了进一步验证 DlKNOX1 基因的功能,构建了
植物过量表达载体。转化拟南芥,对 T0 代进行卡那
霉素抗性筛选,共获得抗性植株 5 个单株,对 T1 代
单株收种并继续筛选,获得了不发生分离的 T3 代 4
个株系。RT-PCR 检测结果表明,转基因植株中均
含有与阳性对照一致的目的片段,而对照野生型拟
南芥中没有检测到(图 4),表明 DlKNOX1 在转基因
植株中得到了表达。
与野生型拟南芥相比(图 5A),转基因植株营
养生长期明显延长,开花时间延迟,叶片出现缺刻、
扭曲等; 有的 1 个节长 2 个果荚(图 5B),有的果荚
只生长在一侧 (图 5C),有的果荚对称生长 (图
5D); 有的花冠呈不规则形状(图 5E); 有的植株失
去顶端优势,分枝数增多,无主枝和侧枝之分,发育
后期生成多二级侧分(图 5F,G)。
3 讨论
KNOX 基因家族几乎存在于所有的植物中
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第 2 期 刘 青等: 麻竹同源异型盒基因 DlKNOX1 的克隆及功能初步分析
图 1 DlKNOX1 核酸序列及编码的氨基酸序列
Fig. 1 Nucleotide sequence and deduced amino acid sequence of DlKNOX1
单下划线: KNOX1 区; 双下划线: KNOX2 区; 方框: ELK 区; 虚下划线: Homeobox 区。
Single underline: KNOX1 domain; Double underline: KNOX2 domain; Box: ELK domain; Dashed underline: Homeobox domain.
(Mukherjee et al.,2009),是分生组织发生与维持所
必需的关键基因。麻竹的节部和节间的细胞几乎都
能分裂,尤其是节部的居间分生组织是促进竹子快
速生长的重要动力 (熊文愈等,1980)。本研究对
DlKNOX1 表达模式的分析表明,该基因为组成型表
达,但在不同部位的表达差异明显,其中在麻竹节部
的表达丰度最高,是根中表达量的 36. 6 倍,这与第
1 类 KNOX 基 因 主 要 是 在 分 生 组 织 中 表 达
(Kerstetter et al.,1994)相符合。
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林 业 科 学 50 卷
图 2 基于 KNOX 蛋白序列构建的系统进化树
Fig. 2 Phylogenetic tree analysis of proteins encoded by KNOX genes
每个分支上的数字表示 1 000 次重复搜索的靴带值。
Numbers on major branches indicate bootstrap estimates for 1 000 replicate analyses.
图 3 DlKNOX1 在麻竹不同组织中表达
Fig. 3 Expression of DlKNOX1 in different tissues of D. latiflorus
1:根;2:叶鞘;3:幼茎;4:节;5:叶。
1: Root; 2: Sheath; 3: Young stem; 4: Knob; 5: Leaf.
同源异型盒基因编码蛋白的典型特征是 C -端
具有 1 个与特异 DNA 序列结合的高度保守结构域
(Homeobox 区 ),识别目的基因的 启 动 子 序 列
(Scofield et al.,2006),该蛋白作为转录因子对植物
的形态建成起着重要的作用。另外,ELK 区具有核
定位信号功能(Meisel et al.,1996),推测能形成一
种新型的两亲性螺旋,充当蛋白互作功能区域
(Vollbrecht et al.,1991); 但对水稻 OSH15 的研究
表明,ELK 区对核定位、蛋白互作、DNA 结合并非是
必要的,可能对其靶基因具有功能抑制的作用
图 4 转 DlKNOX1 拟南芥植株 RT-PCR 检测
Fig. 4 Transgenic A. thaliana plants of DlKNOX1 checked by RT-PCR
1: 质粒对照;2 - 5: 转基因植株;6: 野生型对照。
1: Control of plasmid; 2 - 5: Transgenics; 6: Control of wild type.
(Nagasaki et al.,2001)。DlKNOX1 基因编码的蛋白
与水稻、玉米等单子叶植物具有较高的一致性,充分
显示了该基因家族在进化上的保守性,且意味着它
们拥有相似的功能。玉米的 KNOTTED-1 基因在烟
草中过量表达时,产生未展开的有缺刻的花冠
(Sinha et al.,1993)。DlKNOX1 基因在拟南芥中过
量表达时,转基因植株有的出现不规则花冠,还出现
叶片缺刻、扭曲,果荚对生、双生、同侧着生,侧枝与
主枝黏连,植株矮小、丛枝等现象,其中多分枝与转
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第 2 期 刘 青等: 麻竹同源异型盒基因 DlKNOX1 的克隆及功能初步分析
图 5 转基因拟南芥植株表型
Fig. 5 Phenotype of transgenic A. thaliana plants
A:野生型;B:双果荚;C:果荚单侧着生;D:果荚对称着生;E:不规则花冠;F,G:多分枝。
A: Wild type; B: Dual pods; C: Unilateral pods; D: Symmetrical pods; E: Irregular corolla;F,G: Multi-shoot.
OSH1 基因的拟南芥(Matsuoka et al.,1993)、转 LeT6
的番茄( Janssen et al.,1998)的表型相似,叶片缺刻
与转 PttKN1 的矮牵牛(Petunia hybrida) (Hu et al.,
2005)的表型相似,表明 DlKNOX1 参与了转基因拟
南芥的形态建成,调控与器官发生相关的细胞分化,
但其在麻竹中的功能需要进一步验证。
研究表明,KNOX 基因可以调节植物中激素的
表达,如 KNOX 基因能促进细胞分裂素合成(Ori et
al.,1999; Hewelt et al.,2000; Frugis et al.,2001);
细胞分裂素有助于细胞的分裂,促进植株的横向生
长,这可能是导致麻竹枝条产生指状节部的原因。
另外,KNOX 基因和植物激素共同参与植物叶形态
的调控,如生长素对 KNOX 基因的表达有抑制作用,
反过来,KNOX 基因的异位表达可干扰所处位点的
生长素浓度梯度(Hay et al.,2006)。KNAT1 基因在
拟南芥中过量表达时,导致植株产生了具有异源分
生组织的缺刻叶(Lincoln et al.,1994),这种表型在
转 IPT 基因的烟草中也有发现 ( Hewelt et al.,
2000)。麻竹 DlKNOX1 与激素间的相互调节机制尚
未得到证实,尤其是其在麻竹发育过程中是如何影
响激素变化的,有待于进一步深入研究。
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(责任编辑 徐 红)
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