全 文 :© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
园 艺 学 报 2009, 36 (6) : 799 - 806
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2008 - 10 - 06; 修回日期 : 2009 - 02 - 04
基金项目 : 教育部科学技术研究重点项目 (109084) ; 南京农业大学人才资金项目 (804066)3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: fanggg@ njau1edu1cn; Tel: 025284399069)
基于 EST库的枳 APETALA2基因 cDNA克隆及其
表达分析
宋长年 , 房经贵 3 , 王 晨 , 上官凌飞 , 章 镇
(南京农业大学园艺学院 , 南京 210095)
摘 要 : 根据物种间同源基因相对保守的特点 , 利用生物信息学方法以拟南芥 A PETALA2 cDNA序列作
为模板 , 对柑橘 EST数据库进行同源检索筛选 , 克隆了柑橘 A PETALA2基因的 cDNA序列 , 并以枳 [ Ponci2
rus trifolia ta (L. ) Raf. ] 花 cDNA为模板 , 根据以上 cDNA序列设计特异引物 , 利用 RACE技术分别获得该
基因的 5′和 3′末端 , 序列拼接后获得枳的 A PETALA2 cDNA全长。该 cDNA全长为 1 980 bp, 命名为 Pt2
A P2。P t2A P2核苷酸序列有一个 1 539 bp完整的开放读码框 (ORF) , 5′末端起始密码子 ATG其始于 290
bp, 3′末端非翻译区为 152 bp, 其中含有 27 bp的 Ploy+ (A)。该基因已在 GenBank基因数据库注册 , 注册
号为 EU883665。推导该 cDNA编码 512个氨基酸 , 与苹果、矮牵牛和拟南芥中相应序列同源性分别为
5911%、5917%和 6318%。序列分析表明 , Pt2A P2除了具备完全保守的核定位信号序列 ( KKSR) 外 , 还具
有两个高度保守的重复序列即 AP2结构域。分别采用半定量 RT2PCR和 SYBR Green I实时定量 RT2PCR方
法分析 Pt2A P2在枳叶、茎、根、花和果等不同器官中的表达水平 , 结果一致表明 Pt2A P2在各个器官中的
表达水平不同 , 花中的表达量最高 , 果实中的表达量最低。
关键词 : 柑橘 ; 枳 ; 花器官发育 ; 基因 ; 表达分析
中图分类号 : S 666; Q 78 文献标识码 : A 文章编号 : 05132353X (2009) 0620799208
C lon ing and Expression Ana lysis of A PETALA2 Gene from Poncirus trifolia ta
Ba sed on EST Da taba se
SONG Chang2nian, FANG J ing2gui3 , WANG Chen, SHANGGUAN L ing2fei, and ZHANG Zhen
(College of Horticu lture, N anjing A gricu ltura l U niversity, N an jing 210095, Ch ina)
Abstract: Based on the relative conservation of p lant homologous genes, a full2length citrus homologue
of A PETALA2 was bioinformatically cloned by search of citrus EST database via A rabidopsis tha liana
corresponding sequence. Accordingly, the 5′2 and 3′2end sequences were obtained from cDNA of opening
flower of Poncirus trifolia ta (L. ) Raf. by RACE with two gene2specific p rimers designed on the basis of the
citrus sequence. The 1 980 bp comp lete cDNA , designated as P t2A P2, contained an open reading frame
(ORF) of 1 539 nucleotides and 289 bp of 5′2untranslated region (UTR ) and a 152 bp 3′2UTR. The
sequence has been deposited in GenBank database with the accession number of EU883665. The deduced
am ino acid sequence of P t2A P2 (512 residues) showed 5911% , 5917% , 6318% identity with those ofM alus
dom estica, A rabidopsis tha liana, Petun ia hybrida, respectively. P t2A P2 am ino acid sequence contained a
putative nuclear localization signal sequence ( KKSR ) and two highly conserved AP2 domains. The sem i2
quantitative RT2PCR and SYBR Green IReal2time RT2PCR were emp loyed to analyze the exp ression of P t2A P2
in different organs, revealing sim ilar exp ression p rofiles in leaf, stem, root, flower, fruit, in which the flower
and fruit exhibited the highest and the lowest exp ression, respectively.
Key words: C itrus; Poncirus trifolia ta; flower; gene; exp ression
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园 艺 学 报 36卷
A PETALA2是拟南芥一系列调节花发育的重要基因之一。A P2编码一个转录因子 , 其最明显的功
能是参与花器官和种子发育调控 (Jofuku et al. , 1994; V ijayraghavan et al. , 2005)。A P2在拟南芥所
有营养器官及种子发育的各个阶段都有表达 ( Kunst et al. , 1989; Shannon & Meeks2W agner, 1993) ,
它不仅决定花器官的发育、花器官数量 (Chen, 2004) , 而且影响种子的产量 (Jofuku et al. , 2005;
Ohto et al. , 2005 )。目前已经从苹果 (周盛梅 等 , 2006 )、草莓 (宿红艳 等 , 2005 )、拟南芥
(Jofuku et al. , 1994)、玉米 (Chuck et al. , 1998; Lauter et al. , 2005)、矮牵牛 (Maes et al. , 2001)
等植物中克隆到了 A P2的同源基因。而有关枳 A PETALA2同源基因的克隆与研究尚未见报道。
枳 [ Poncirus trifolia ta (L. ) Raf. ] 是柑橘的重要砧木 , 也是柑橘学研究的重要材料。它是柑橘基
因组学研究 , 尤其是 EST测序以及柑橘分子生物学研究的重要对象 (Cristofani2Yaly et al. , 2007)。在
枳上开展 A P2基因功能的分析 , 对于利用该基因达到调控花器官发育、童期转变以及提高砧木育种
效率都有重要的理论价值。作者采用生物信息学的方法以拟南芥 A P2的基因序列为模板 , 对柑橘 EST
数据库 (HarvEST: Citrus, 包含了来源于柑橘属和枳属 89个文库的近 23万个 EST序列 ) 进行同源检
索筛选 , 并对候选的表达序列标签 ( exp ressed sequence tags, ESTs) 序列进行反复延伸 , 分别获得柑
橘 A PETALA2 cDNA的全长序列 , 并以枳花 cDNA为模板 , 经 RACE技术和 RT2PCR获得枳的 cDNA全
长 , 命名为 P t2A P2。采用半定量 RT2PCR和荧光定量 PCR方法分析 P t2A P2在不同器官中的表达情况 ,
结果一致显示 P t2A P2在枳叶、茎、根、花、果等各个器官中的表达水平不同 , 从而表明 P t2A P2在不
同的器官中的功能存在着很大的差异。
1 材料与方法
111 电子克隆
根据不同物种间同源基因的核酸序列相对保守的特点 , 在 GenBank的核酸 ( nr/nt) 数据库中检
索拟南芥的 A P2基因序列 (U12546) , 并以 U12546序列为探针对柑橘属和枳属 EST数据库进行
BLAST检索 , 获得与拟南芥 A P2基因同源的柑橘 EST片段 ; 从获得的柑橘 EST片段中选出同源性最
高的一条 CX667315, 再对柑橘 EST数据库进行 BLAST检索 , 得到多条与之高度同源的柑橘 EST序
列 ; 将获得的 EST序列用 DNAStar软件进行首尾拼接 , 获得新的 Contig; 以获得的 Contig反复对柑橘
EST公共数据库进行 BLAST检索、拼接 , 尽可能获得全长 cDNA (张波 等 , 2008)。
112 实验克隆
11211 材料 枳的叶、茎、根、花和果 (直径 0150 cm) 于 2008年 3月中旬到 5月初采自江苏省太
湖常绿果树技术推广中心 —苏州科学研究所。大肠杆菌 ( Escherich ia coli) 菌株 DH5 (由本实验室保
存。PowerScrip t ⅡTM反转录酶购自 Clontech公司 , DNase酶 Ⅰ、LA2Taq酶、 Ex2Taq酶、pMD218T载
体、dNTP、DNA Marker购自 TaKaRa公司 , Trizol Reagent购自 Invitrogen公司 , 荧光定量染料 SYBR
GreenⅠ购自东洋纺 (上海 ) 生物科技有限公司 , DNA回收试剂盒、DL 2000 Plus DNA Marker为北京
全式金生物技术有限公司生产。各种引物由上海英骏生物技术有限公司 ( Invitrogen) 合成 , 其编号
及序列见表 1。
11212 RNA的提取与纯化 花组织总 RNA的提取按照 Trizol Reagent说明书进行。mRNA的纯化采
用 Promega公司生产的 PloyA TtractÓ mRNA Isolation System Ⅳ试剂盒进行。
11213 cDNA 合成 以 mRNA为模板 , 引物 P01反转录合成 cDNA第 1条链 , 引物 P02延伸加帽子 ,
空气加热条件下 42 ℃保温 1 h, 75 ℃保温 10 m in, 冰上冷却 2 m in后 , - 70 ℃保存备用。
11214 基因 3′和 5′末端 PCR扩增 以 cDNA为模板用引物 P03 /P04进行 PCR扩增获得基因的 3′末
端。反应体系为 50μL: LA2Taq酶 0150μL, 10 ×PCR buffer (Mg2 + p lus) 5μL, dNTP M ixture 4μL,
cDNA 2μL, 引物各 1μL。反应参数为 94 ℃预变性 3 m in; 94 ℃ 30 s, 72 ℃ 3 m in, 5个循环 ; 94 ℃
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30 s, 70 ℃ 30 s, 72 ℃ 3 m in, 5个循环 ; 94 ℃ 30 s, 68 ℃ 30 s, 72 ℃ 3 m in, 25个循环 ; 72 ℃延
伸 10 m in。琼脂糖凝胶电泳检测后用 DNA回收试剂盒回收目标片段进行 T/A克隆。DNA测序由上海
博亚生物技术有限公司完成 (下同 )。用引物 P05 /P06进行 PCR扩增获得基因的 5′末端 , 反应参数和
反应体系同 3′末端扩增。
11215 基因 ORF的扩增 以 cDNA为模板用引物 P07 /P08进行 PCR扩增。反应体系为 50μL: cDNA
2μL, 引物各 2μL, Ex2Taq酶 0150μL, 10 ×PCR buffer (Mg2 + p lus) 5 μL, dNTP M ixture 4 μL,
cDNA 2μL, 引物各 1μL。反应参数同上。
11216 生物信息学分析 利用 DNAMAN5122软件对 ORF、3′末端和 5′末端等 3个序列进行拼接分
析 ; 核苷酸和氨基酸序列分别利用 NCB I的 BLASTn和 BLASTp ( http: / / blast1ncbi1nlm1nih1gov/
B last1cgi) 进行相似性分析。
表 1 引物序列及预期片段大小
Table 1 Sequence of pr im ers and pre2production length
编号
Code
序列
Sequence (5′- 3′)
预期片段大小 / bp
Predicted size ofamp lified p roduct
用途
U se
P01 GCAGGACTGCAGCTGACTGACTAC T30VN cDNA合成
P02 GACCAGTGGTATCAACGCAGAGTACGCGGG cDNA synthesization
P03 AACTGGAAGATGGGAATCTCATATATGGG 1 200 扩增 Pt2AP2基因 3′端
P04 GCAGGACTGCAGCTGACTGACTAC 3′2end amp lification
P05 GACCAGTGGTATCAACGCAGAGTAC 820 扩增 Pt2AP2基因 5′端
P06 GGTGGTAGGATCCGACCAGTGGTATCAACGCAG 5′2end amp lification
P07 GGATCCATGTGGGATCTGAATGACTCGC 1 539 P t2A P2基因 ORF扩增
P08 GAGCTCGGAGGGTCTAACAAGGGAGTGGAATC Comp lete ORF amp lification
P09 GCTGCCTTCCTTGGATGTGGT 150 扩增 18SrRNA
P10 TGCCCGTTGCTCTGATGATTC 18SrRNA amp lification
P11 ATCGTCTAATCTCTCATTTCCTTCAG 113 定量 RT2PCR
P12 TTTCGGTGTCTTTCCTCTCTGG Quantitative RT2PCR
注 : 方框和双下划线是相互匹配的引物与接头 ; 下划线为添加的酶切位点 , GAGCTC为 SacⅠ, GGATCC为 B am HⅠ。
Notes: Frame and double underline shading denotesmatching p rimers or adap tors; GAGCTC and GGATCC underlined in p rimers indicates re2
striction enzyme sites of SacⅠ and B am HⅠ.
113 枳 P t2A P2基因的表达分析
分别提取枳叶、茎、根、花和果 (直径 0150 cm) 等器官的总 RNA, 用 DNaseⅠ酶 (RNase free)
消化和氯仿抽提后分别取 2μg以 P01和 P09引物反转录合成的 cDNA 做模板 , 用 NCB I新增工具
Primer2BLAST ( http: / /www1ncbi1nlm1nih1gov/ tools/p rimer2blast) 设计引物 P11和 P12进行半定量
RT2PCR和实时定量 PCR研究 P t2A P2在不同器官中的表达特点。内标基因是利用枳 18S rRNA ( Gen2
Bank accession number AF206997) 的特异性引物 ( P09和 P10) PCR扩增获得的长度为 150 bp的基因
片段。利用 Rotor2Gene荧光定量 PCR仪进行实时定量 RCR的反应体系按 SYBR GreenⅠ ( TOYOBO )
说明书进行 , 其优化后的反应条件为 95 ℃预变性 60 s; 95 ℃ 20 s, 57 ℃ 20 s , 72 ℃ 20 s, 45个循
环。试验 3次重复 , 试验数据用 L inRegPCR (Ramakers et al. , 2003) 和 Excel软件分析。
2 结果与分析
211 柑橘 A PETALA2 cD NA全长的电子克隆
利用拟南芥 U12546为信息探针 , 对柑橘 EST数据库进行 BLAST检索 , 得到一个高相似的 EST
序列 CX667315, 然后以此序列作为种子序列 BLAST检索柑橘 EST数据库 , 将检出的与种子序列同源
性较高的或有部分重叠的 EST序列 (DY269701、 EY809026、 EY794932、CX293333、 EY744342、
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CK665679) 拼接组装为重叠群 ( Contig) , 再以此重叠群序列重复以上 BLAST检索过程 , 反复进行
EST重叠群序列的拼接和比对 , 最后获得柑橘 A PETALA2的 cDNA全长。
212 枳 P t2A P2 cD NA全长的获得
根据柑橘 A PETALA2的 cDNA全长设计特异引物 P03和 P05, 以枳花器官来源 cDNA为模板 , 分
别与引物 P04和 P06进行 3′RACE和 5′RACE扩增 , 经克隆测序分别得到该基因的 3′末端 (823 bp )
和 5′末端 (1 195 bp)。利用引物 P07和 P08, 以枳花器官来源 cDNA为模板获得长度为 1 539 bp的全
长 ORF。对 3′端、5′端以及 ORF全长拼接获得枳 A PETALA2 cDNA全长为 1 980 bp, 有一个 1 539 bp
完整的开放阅读框 (ORF) , 289 bp的 5′非翻译区 (5′UTR ) , 152 bp的 3′非翻译区 (3′UTR ) 以及
27 bp的 poly+ (A )。该 cDNA推导编码 512个氨基酸 (图 1)。
图 1 P t2A P2 cD NA全长与推导氨基酸序列
黑体 ATG为起始密码子 , 黑体 TAA为终止密码子。方框为两个保守的 AP2结构域即 AP22R1和 AP22R2,
下划线表示富含丝氨酸的转录激活区域。粗线表示 10个碱性氨基酸区域内含核定位信号 ( KKSR)。
F ig. 1 Nucleotide sequence of com plete P t2A P2 cD NA and its deduced am ino ac ids
ATG ( start codon) and TAA ( stop codon) are showed in bold. Two boxes delineate the AP2 domains (AP22R1 and AP22R2).
Underlined residues indicate am ino acids which are highly serine2rich region that serves as a transcrip tional activation domain.
Thick line highlights the putative nuclear localization signal sequence ( KKSR) with 102am ino acids.
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213 枳 A PETALA2氨基酸序列分析
序列分析表明 P t2A P2编码的氨基酸与其它植物的 AP2氨基酸有着高度保守的序列即 A P2结构
域 , 该结构域可以识别 DNA顺式作用元件 (Cis2acting Element) 并与之结合 ( Kim et al1, 2005)。在
其第 146~156氨基酸之间还含有 1个碱性区域 , 内含核定位信号 KKSR (Chelsky et al1, 1989)。在
其 N端第 13~54氨基酸之间有一富含丝氨酸的转录激活区域作为 3个经典的转录因子序列之一 (另
外两个是 A P1和 L FY) 具有促进该基因转录的作用 (M ichell & Tian, 1989)。以上这些结果表明 , 我
们已经从枳中分离出 A P2的同源基因。用 DNAMAN5122软件对枳与苹果 (周盛梅 等 , 2006)、拟南
芥 (Jofuku et al. , 1994)、矮牵牛 (Maes et al. , 2001) 等 A P2氨基酸序列比较 (图 2) , 结果表明 4
个蛋白有着完全相同的核定位信号序列 KKSR (Chelsky et al. , 1989) 以及它们的两个 A P2结构域均
图 2 P t2A P2推导序列与苹果、拟南芥和矮牵牛的 AP2氨基酸的同源性比较
相同氨基酸用蓝色域表示 ; 3氨基酸与 2氨基酸相似分别用红色或绿色域表示 ; 缺失用省略号表示。序列注册号为 :
Poncirus trifoliata ( EU883665) ; M alus ×dom estica (AF332215) ; A rabidopsis thaliana (U12546) ; Petunia ×hybrida (AF132001)。
F ig. 2 Com par ison of the am ino ac id sequence of P t2A P2 ( EU883665) w ith those of M a lus dom estica ( AF332215) ,
A rabidopsis tha liana ( U12546) and Petun ia ×hybrida ( AF132001)
B lue, red and green boxes highlighted the four identical am ino acids, three same am ino acids and
two same am ino acids, respectively. Gap s are shown as dots.
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具有高度的同源性 (分别为 9519%和 9613% )。枳 P t2A P2与苹果 M 2A P2 (AF332215)、拟南芥 A P2
(U12546)、矮牵牛 PhA P2A (AF132001) 的同源性 (5911%、5917%、6318% ) 又表明它们在功能
上可能存在着一定的不同。
214 P t2A P2在枳不同器官中的表达分析
采用半定量 RT2PCR法对 P t2A P2基因进行器官特异性表达分析 , 结果 (图 3) 表明 , 在叶、茎、
根、花、果等各器官均扩增出大小约为 120 bp的片段 , 经克隆测序大小为 113 bp, 且该片段均为 P t2
A P2的 3′UTR片段。P t2A P2在上述器官均有表达 , 但有一定差异 , 在花中的表达水平明显比其它器
官高 , 其次在根中 , 再次在叶和茎中 , 在果中的表达水平最低。
图 3 半定量 RT2PCR检测 P t2A P2基因在枳不同组织中的表达
1、2、3、4、5分别为叶、茎、根、花、果 (直径 0150 cm)。
F ig. 3 Expression of P t2A P2 gene in d ifferen t tissues of Poncirus trifo lia te by sem i2quan tita tive RT2PCR
1. Leaf; 2. Stem; 3. Root; 4. Flower; 5. Fruit ( diameter is 0150 cm).
进一步用荧光定量 PCR方法检测在各器官中的表达量 , 结果 (图 4) 表明 P t2A P2在花中的表达
量最高 , 其次为根 , 在果实中的表达量最少 , 叶和茎的表达量相当。P t2A P2在枳以上等各个器官均
能表达反映该基因编码的蛋白是一种普遍的转录因子 , 在枳的生长阶段的转变、花器官形成、种子发
育乃至果实发育等整个生长发育阶段可能都起着重要的作用。
图 4 荧光定量 PCR检测 P t2A P2基因在枳不同组织中的表达
对照为水。每个柱形图表示 P t2AP2在不同器官中的相对表达量。试验重复 3次 , 标准误差在图中标出。
F ig. 4 Expression of P t2A P2 gene in d ifferen t tissues from Poncirus trifolia ta by fluorescen t quan tita tive PCR
Control is water. Columnar diagram rep resents the relative exp ression levels of P t2A P2
in different organs. Each experiment was repeated three times
and standard error was pointed with bars in diagram.
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3 讨论
基于对 AP2突变体的分析 , 人们发现 A P2基因不仅在花瓣和萼片的形成过程中起重要作用 , 而
且与 A P1、L FY及 CAL 等花的分生组织决定基因相互作用 , 参与花的分生组织的早期建立 ( Kunst
et al. , 1989; Shannon & Meeks2W agner, 1993)。在玉米中的研究发现 , g lossy15在幼叶向成熟叶以及
营养生长向生殖生长的转型方面具有重要调控作用 (Lauter et al. , 2005) , 因此该基因在植物的整个
生长发育过程 , 尤其是发育阶段的转变与生殖器官的发育中发挥重要作用。本研究从枳花 cDNA中成
功分离出 A P2的同源基因 P t2A P2, 该基因编码的蛋白质具有 A P2家族典型的特征 , 即含有保守性很
高的两个识别并结合 DNA顺式作用元件的 A P2结构域 ( Kim et al. , 2005)、一个丝氨酸丰富的转录
激活结构域 (M ichell & Tian, 1989) 和一段核定位序列 KKSR (Chelsky et al. , 1989) , 这也说明 P t2
A P2的编码产物亦为转录因子。
氨基酸序列分析表明 , P t2A P2与拟南芥 A P2 ( Jofuku et al. , 1994)、矮牵牛 PhAP2A (Maes et
al. , 2001) 的氨基酸序列同源性分别为 5917% (U12546) 和 6318% (AF132001) , 说明在核定位信
号序列和 A P2结构域之外的序列存在一定差别 , 因此这些物种的 A P2同源基因的功能可能存在一定
的差异。
Jofuku等 (1994) 报道 , A P2不仅在拟南芥的花分生组织和四轮花器官中表达 , 在茎、叶等营养
器官中亦有表达。宿红艳等 (2005) 采用 RT2PCR方法分析 SA P2在草莓不同组织中的表达情况 , 结
果显示 SA P2在草莓营养组织、花芽以及不同花器官中均有表达。本试验通过半定量 RT2PCR和荧光
定量 PCR研究结果发现 P t2AP2在枳叶、茎、根、花、果等各个器官均有表达 , 但表达水平有着一定
的差异 , 其中在花和果实中的表达量最高与最低。基因表达的结果说明了 P t2A P2对于枳营养与生殖
器官的发育都具有一定作用 , 但作用的大小有着差异。本研究在进行表达分析时 , 为了保证半定量
RT2PCR和实时荧光定量 PCR引物的可靠性把其引物设计在该基因的 3′非翻译区 (3′UTR ) 而且对半
定量 PCR产物克隆测序 , 且后续的 southern杂交显示 (文中未列出 ) 表明 P t2A P2在枳的基因组中为
单一的拷贝存在 , 这与拟南芥的 A P2 (Jofuku et al. , 1994) 和矮牵牛的 PhA P2A (Maes et al. , 2001)
研究结果是一致的。
为了更好地认识 P t2A P2的功能 , 我们将利用已经构建的 P t2A P2正义和反义表达载体转化枳开展
进一步的研究。
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