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Cloning and Sequence Analysis of L-galactono-1,4-lactone Dehydrogenase Gene(GLDH)from Solanum tuberosum

马铃薯GLDH基因的克隆及序列分析



全 文 :园 艺 学 报 2011,38(6):1111–1120 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期:2011–01–28;修回日期:2011–04–25
基金项目:国家自然科学基金项目(30771473);农业部园艺作物遗传改良重点开放实验室项目
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:xcyu1962@163.com)
马铃薯 GLDH 基因的克隆及序列分析
董玉梅 1,3,密其鹏 1,焦自高 3,杨元军 3,于贤昌 2,*
(1 山东农业大学园艺科学与工程学院,作物生物学国家重点实验室,山东泰安 271018;2 中国农业科学院蔬菜花卉
研究所,北京 100081;3山东省农业科学院蔬菜研究所,济南 250100)
摘 要:以马铃薯品种‘Favorita’叶片中的 cDNA 为模板,采用 RT-PCR、巢式 PCR、3′RACE 和 5′RACE
技术,获得了 L–半乳糖酸–1,4–内酯脱氢酶(EC 1131213,GLDH)基因 cDNA 2 563 bp 的全长序列,
命名为 StGLDH(GenBank:FJ755844)。序列分析表明,该基因编码区长 1 773 bp,编码 590 个氨基酸,
与其他植物 GLDH 氨基酸序列具有很高的同源性,尤其与番茄、辣椒、烟草 GLDH 氨基酸序列具有 90.6% ~
95.9%的同源性。荧光定量分析表明,该基因在马铃薯不同器官中均有表达,在幼叶和功能叶中表达量最
高,在茎中表达量最低;除匍匐茎外,其它器官中抗坏血酸(ascorbic acid,AsA)含量与 StGLDH 的表
达高度一致。
关键词:马铃薯;L–抗坏血酸;L–半乳糖酸–1,4–内酯脱氢酶;克隆;基因表达
中图分类号:S 532 文献标识码:A 文章编号:0513-353X(2011)06-1111-10

Cloning and Sequence Analysis of L-galactono-1,4-lactone Dehydrogenase
Gene(GLDH)from Solanum tuberosum
DONG Yu-mei1,3,MI Qi-peng1,JIAO Zi-gao3,YANG Yuan-jun3,and YU Xian-chang2,*
(1State Key Laboratory of Crop Biology,College of Horticulture Science and Engineering,Shandong Agricultural
University,Tai’an,Shandong 271018,China;2 The Institute of Vegetables and Flowers,Chinese Academy of Agricultural
Sciences,Beijing 100081,China;3Vegetable Research Institute,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Ji’nan
250100,China)
Abstract:A full-length cDNA clone encoding L-galactono-1,4-lactone dehydrogenase(GLDH),
named as StGLDH(GenBank:FJ755844),was isolated from the leaf of potato(Solanum tuberosum L.)
cv. Favorita by RT-PCR,nested PCR and RACE. StGLDH transcript is 2 563 bp long with an open reading
frame of 1 773 bp and encodes a polypeptide of 590 amino acids. Sequence analysis showed that deduced
StGLDH protein was highly homologous to other GLDH proteins from different species,especially with
Solanum lycopersicum,Capsicum annuum,Nicotiana tabacum,about 90.6%–95.9% identity in amino
acid sequence.Real time PCR analysis indicated that StGLDH expressed in different organs. The
transcription level of StGLDH in mature leaves and young leaves were higher than that in old leaves,
stems,roots and tubers respectively. The ascorbic acid content was positively related to the StGLDH
transcription level in all organs except the ascorbic acid content in stolon.


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Key words:Solanum tuberosum L.;ascorbic acid;L-galactono-1,4-lactone dehydrogenase(GLDH);
cloning;gene expression

抗坏血酸(Ascorbic acid,AsA)是生物体内一种重要的抗氧化剂和酶的辅助因子(Davey et al.,
2000;Ishikawa et al.,2006)。在高等植物中,AsA 与生长发育和抗逆性密切相关(de Tullio et al.,
1999;Pavet et al.,2005;Tokunaga et al.,2005;Dowdle et al.,2007;马春花 等,2007;Ishikawa
& Shigeoka et al.,2008;Hemavathi et al.,2009),其氧化还原状态还是质外体响应环境改变引发
防卫反应的信号物质(Pignocchi et al.,2006)。同时,AsA 含量也是衡量农产品品质的重要指标
(Wheeler et al.,1998)。植物 AsA 生物合成主要是通过半乳糖途径(Wheeler et al.,1998;Lorence
et al.,2004),其中 L–半乳糖–1,4–内酯脱氢酶(GLDH)是催化 AsA 合成最后一步的关键酶,
将 L–半乳糖–1,4–内酯氧化为 AsA。GLDH 以单体形态存在,定位于线粒体内膜(Mutsuda et al.,
1995;Østergaard et al.,1997),对 L–半乳糖–1,4–内酯有很高的特异性(Ôba et al.,1995;Imai
et al.,1998)。
近年来,提高植物性食品中 AsA 含量的研究逐渐深入(Davey et al.,2000),已从烟草、番茄、
辣椒、拟南芥、白菜、甘蓝、甜瓜、刺梨、柑橘、苹果、西印度樱桃等中克隆到编码该酶的基因,
但在马铃薯中未见 GLDH 酶基因克隆及其功能研究的相关报道。
本研究旨在从马铃薯中克隆 GLDH 基因 cDNA,对其序列特征进行分析,并测定该基因在马铃
薯不同器官中的表达,为利用该基因培育富含 AsA 的马铃薯新品种奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
马铃薯(Solanum tuberosum L.)品种 Favorita 由山东省农业科学院蔬菜研究所提供。2008 年 3
月,选取出芽一致的种薯,种植于日光温室内直径 30 cm,高 15 cm 的盆内。
AMV 逆转录酶、Taq DNA 聚合酶、TdT 加尾酶、限制性核酸内切酶、凝胶回收试剂盒和 pMD-
18T 载体、DNA Marker DL2000、SYBR PrimeScriptTM RT-PCR Kit 等试剂购自宝生物(大连)公司;
DEPC、Trizol 等 RNA 提取试剂为生工生物工程(上海)有限公司产品。所用的大肠杆菌菌株为 E. coli
DH5α。
1.2 基因的克隆及序列分析
Trizol 法提取 RNA。参照已发表的番茄 GLDH 基因 cDNA(GenBank:AB080690.1)设计两条
引物,以反转录得到的 cDNA 为模板,以 GLDHⅠ和 GLDHⅡ为引物,PCR 扩增中间片段。
根据中间片段序列测序结果设计 5′RACE 下游两条嵌套引物 GSP2、GSP1 与通用引物 UAP1、
UAP2 巢式扩增 5′端序列。PCR 扩增条件为:94 ℃ 5 min;94 ℃ 50 s,55 ℃ 50 s,72 ℃ 90 s,30
个循环;72 ℃ 10 min。
根据中间片段与 5′端序列的测序结果,在编码区 5′端设计特异引物 GLDH Ⅲ与通用引物
M13Primer4 通过 touchdown PCR 扩增 GLDH 基因全长。反应条件为:94 ℃ 5 min,94 ℃ 1 min,
65 ℃/55 ℃(–0.5 ℃/循环)90 s,72 ℃ 3 min,10 个循环;94 ℃ 60 s,55 ℃ 90 s,72 ℃ 180 s,
30 个循环;72 ℃ 10 min。

6 期 董玉梅等:马铃薯 GLDH 基因的克隆及序列分析 1113

采用 DNAMan、Bioedit、MEGA4、Tmpred、Prosite、TMHMM、SPOMA 等分子生物学软件对
之前采用 RT-PCR 和 RACE 技术克隆的马铃薯 GLDH 全长基因序列(GeneBank: FJ755844)进行分
析。cDNA 合成和 PCR 反应所用引物见表 1,均由生工生物工程(上海)有限公司合成。

表 1 逆转录与 PCR 引物
Table 1 Primers used in the reverse transcription and PCR
引物 Primer 序列 Sequence
GLDHⅠ TCTCCACCACCATTACCG
GLDHⅡ TTACACAGCCTCAGAGGA
GLDH Ⅲ CACCTTGTTCAAATGCTCCGTTCCTTC
UAP1 GGCCACGCGTCGACTAGTACGGGGGGGGGGGGGGGG
UAP2 GGCCACGCGTCGACTAGTAC
GSP1 CGGCAGCAGAACCTAAGAGG
GSP2 CTCCACTGACTCGGGTTGCA
M13PRIMER4 GTTTTCCCAGTCACGAC
EF-R TCCTTACCTGAACGCCTGTCA
EF-F ATTGGAAACGGATATGCTCCA
GLDH-R TGCTTCCTCACATTCGCTTCT
GLDH-F GCTATTTCGGTATGCTCCGTTG

1.3 在不同器官中的表达
采用 Trizol 法分别提取 8 叶期的马铃薯幼叶、功能叶、老叶、茎、匍匐茎和块茎总 RNA,反转
录合成 cDNA,进行实时荧光定量 RT-PCR 扩增。内参基因参照 Nicot 等(2005)选择 elongation factor
1-α(ef1α)(GenBank:AB061263)。内参引物序列为 EF-R 和 EF-F;目的基因引物序列为 GLDH-F
和 GLDH-R(表 1)。
反应程序为 95 ℃ 3 min;95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 10 s,50 个循环;95 ℃ 1 min;55 ℃
1 min,55 ℃ 30 s,40 ℃ 30 s。按 Bubner 和 Baldwin(2004)的方法计算目的基因的相对表达量。
AsA 含量测定采用 2,6–二氯酚靛酚法(王宪泽,2002)。所有试验均设 3 次重复。
2 结果与分析
2.1 马铃薯 GLDH 的克隆
以叶片总 RNA 反转录的 cDNA 为模板,利用 GLDHⅠ和 GLDHⅡ扩增,得到约 1 700 bp 的条
带(图 1,A),与目的带大小相仿。经测序比对,该片段即为目的片段,全长 1 738 bp。
用引物 UAP1 与 GSP2 进行第 1 轮扩增,电泳检测无目的条带。以第 1 轮扩增产物为模板,
用 UAP2 与 GSP1 巢式扩增,电泳检测在约 750 bp 处获得特异条带(图 1,B)。测序结果显示,
该片段全长 716 bp,与已克隆到的中间片段有 120 bp 完全重叠,证明该片段为马铃薯 GLDH 基因
5′端。
用 GLDH Ⅲ与通用引物 M13PRIMER4,利用 touchdown PCR 技术扩增全长序列,于 1.0%琼脂
糖凝胶电泳检测,获得约 2.2 kb 特异条带(图 1,C)。经测序、酶切鉴定(图 1,D),确定该条带
即为目的基因。
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图 1 马铃薯 GLDH 的 PCR 扩增及检测结果
M:DL 2000 ladder;A:StGLDH 特异片段;B:5′RACE 巢式扩增产物;
C:3′RACE 扩增产物;D:3′RACE 扩增产物重组质粒酶切。
Fig. 1 The RT-PCR results of StGLDH gene and identifications
M:DL 2000 ladder;A:RT-PCR result of the conserved region of StGLDH;B:RT-PCR result of 5′RACE;C:RT-PCR result of
3′RACE;D:Recombinant plasmid of 3′RACE identified by restriction enzyme digestion.

2.2 马铃薯 GLDH 的序列分析
将上述结果拼接,获得全长 2 563 bp 的马铃薯 GLDH 序列,命名为 StGLDH(图 2)。将该 cDNA
序列提交 GenBank,登录号为 FJ755844。该 cDNA 包含一完整的开放阅读框(551 ~ 2 323),编码
590 个氨基酸,在 3′poly A 区之前无明显加尾信号(AATAAA 或 AATGAA)。
经 BLAST 分析,StGLDH cDNA 序列与番茄 GLDH 的同源性高达 96.5%,与烟草为 90.5%,与
辣椒为 90%,与甘薯为 78.5%,与花椰菜、百脉根、白菜、草莓、甜瓜、刺梨、拟南芥等同源性在
71% ~ 73%之间。
推导的氨基酸序列分子量为 67 119 Da,等电点为 8.5。分析发现在其 5端具有一段推定的线粒
体靶信号肽(putative mitochondrial),其氨基酸序列的 82 FR/YA 85 间存在该信号肽的分裂位点
(cleavage site)。由于此段信号肽序列并不编码成熟的蛋白质,去掉此段信号序列后 StGLDH 的实
际分子量要更小一些,约为 57 584 Da,等电点为 6.88。用 Signal IP 推导的 GLDH 线粒体靶缩氨酸
剪切位点位于 62 AA/TY 64。
用 Tmpred、SMART 等软件对其在线粒体上可能的跨膜拓扑学模型的分析预测表明,StGLDH
具有 3 个跨膜区(transmembrane region),分别位于 50 ~ 68(19)、247 ~ 269(23)以及 479 ~ 503
(25)个氨基酸之间。在 105 ~ 240 部位,StGLDH 含有一个典型的该基因在所有植物中都保守的黄
素腺嘌呤二核苷酸结合域(FAD-binding region)(图 2)。在 264 ~ 583 部位含有一个 ALO 结构域。
采用 SPOMA 进行二级结构预测,结果表明,StGLDH 蛋白二级结构主要由 α 螺旋(helix,
40.68%),少量的延伸链(extrend strand,14.75%),β–转角(β-turn,5.08%)和随机卷曲(random
coil,39.49%)组成。
Prosite 的分析结果表明,StGLDH 包含 1 个天门冬酰胺糖基化位点(96NWSG),6 个蛋白激酶
C 磷酸化位点(6TsK、7SkR、196SiR、226SmK、320SkR、440SmK),10 个酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点(43SdaE、
113SieD、196SirE、333TteE、361SpdE、371SctE、440SmkD、482SsvD、483SvdD、529SafE),1 个酪氨酸激
酶磷酸化位点(243Kdp.Elf.Y),5 个 N 端十四(烷)酰化位点(59GsaaAT、137GLspNG、142GiglTR、
144GltrAG、209GAhgTG),1 个依赖于 cAMP 和 cGMP 的蛋白激酶磷酸化位点(167KRvT)等翻译后
修饰位点。
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图 2 StGLDH 全长的核苷酸序列及其推导的氨基酸序列
起始密码子 atg 和终止密码子 taa 加方框,下划线部分为预测的跨膜区。推导的 StGLDH 线粒体靶缩氨酸剪切
位点用箭头表示;波浪线部分为 FAD 结合域。
Fig. 2 Nucleotide sequence and deduced amino acid sequence of the complete cDNA of StGLDH
Initiation codon atg and termination codon taa are in boxs;The predicted transmembrane domains are single-underlined;The arrow indicates the
putative cleavage site of the mitochondrial targeting peptide;Suggested FAD-binding domain is wave-underlined.
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图 3 不同植物 GLDH 氨基酸序列同源性比较
Ⅰ:马铃薯(FJ755844);Ⅱ:番茄(AB080690);Ⅲ:辣椒(AY547352);Ⅳ:烟草(AB048530);Ⅴ:甘薯(AB017357);Ⅵ:白菜(AY899298);
Ⅶ:花椰菜(Z97060);Ⅷ:草莓(AY102631);Ⅸ:刺梨(AY643403);Ⅹ:桃(AB457586);
Ⅺ:苹果(FJ752244);Ⅻ:拟南芥(AB042279)。
Fig. 3 Alignment of predicted amino acid sequences of GLDH from different plants
Ⅰ:Solanum tuberosum L.(FJ755844);Ⅱ:Solanum lycopersicum(AB080690);Ⅲ:Capsicum annuum(AY547352);Ⅳ:Nicotiana tabacum
(AB048530);Ⅴ:Ipomoea batatas(AB017357);Ⅵ:Brassica campestris ssp. chinensis(AY899298);Ⅶ:Brassica oleracea(Z97060);
Ⅷ:Fragaria × ananassa(AY102631);Ⅸ:Rosa roxburghii(AY643403);Ⅹ:Prunus persica(AB457586);
Ⅺ:Malus × domestica(FJ752244);Ⅻ:Arabidopsis thaliana(AB042279).
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2.3 StGLDH 的同源氨基酸序列比较和进化树分析
利用 DNAMan 将 StGLDH cDNA 序列推导的氨基酸序列与数据库中已登录的其它高等植物的
GLDH 氨基酸序列进行同源关系比较,结果显示,各种植物 GLDH 编码的氨基酸序列存在较高的同
源性(图 3)。StGLDH 编码的氨基酸序列与番茄、辣椒、烟草、甘薯、白菜、花椰菜、拟南芥、蓖
麻、柑橘、桃、苹果、刺梨和葡萄 GLDH 编码的氨基酸同源性分别为 95.9%、91%、90.6%、84.4%、
74.8%、74.7%、74.8%、79%、78.4%、78.4%、75.7%、77.2%和 77.3%。
利用 BioEdit 和 MEGA4 软件,将 StGLDH cDNA 序列推导的氨基酸序列与数据库中已登录的
18 种高等植物的 GLDH 氨基酸序列构建(bootstrap)neighbor joining(NJ)树。结果显示,马铃
薯与番茄最先归为一类,亲缘关系最近,其次是辣椒和烟草,而与葡萄、文心兰等亲缘关系较远
(图 4)。

图 4 不同植物 GLDH 氨基酸序列系统树分析
Fig. 4 Phylogenetic trees of the deduced amino acid sequences of plant GLDH by MEGA4

2.4 马铃薯不同器官中 StGLDH 的表达及 AsA 积累
用荧光定量方法对 StGLDH 表达进行了研究。结果表明 StGLDH 在马铃薯叶片、茎、匍匐茎、
根和块茎中都有表达,在幼叶和功能叶中表达量较高,茎中表达量最低,叶片中的表达量是块茎中
的2 ~ 3倍。除匍匐茎外,其它器官中StGLDH的表达和AsA含量高度一致(图5),而匍匐茎中StGLDH
表达量与块茎相当,仅次于幼叶和功能叶,但其抗坏血酸含量在所有器官中最低,为 0.03 mg · g-1FW,
仅占块茎中 AsA 含量的 12.34%。


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图 5 马铃薯不同器官 StGLDH 的表达和 AsA 含量
1. 幼叶;2. 功能叶;3. 老叶;4. 茎;5. 块茎;6. 匍匐茎;7. 根。
Fig. 5 Expression of StGLDH and AsA content in different organs of potato
1. Young leaves;2. Mature leaves;3. Old leaves;4. Stem;5. Tuber;6. Stolon;7. Root.
3 讨论
L–半乳糖–1,4–内酯脱氢酶基因(GLDH)被发现至今已有 50 余年(Mapson & Breslow,
1958),在已克隆出该基因的多种植物中均以单拷贝形式存在,编码 581 ~ 610 个氨基酸,蛋白质分
子量约为 56 kD,N 端存在一段推测的线粒体定位结构域序列,并存在有信号肽的切割位点 FR/YA。
马铃薯 StGLDH 具有以上特点,与已克隆的其他植物 GLDH 氨基酸序列同源性在 71% ~ 96.5%之间,
信号肽的特点是相对富含 Ala(6)、Leu(10)、Arg(9)和 Ser(12),而 Asp(2)、Glu(2)、Val
(1)和 Ile(2)含量较低,存在保守的 FAD 结合域“VGSGLSP”,表明黄素基团参与了 GLDH 的
酶反应过程(Pateraki et al.,2004)。与番茄、辣椒、烟草、甘薯、白菜一样,StGLDH 具有 3 个预
测的跨膜区,分别在 50 ~ 68、247 ~ 269 及 479 ~ 503 之间,氨基酸残基数均为 19、23、25。而花椰
菜、拟南芥、甜瓜、苹果、桃等植物 GLDH 只有靠近 N 端的两个跨膜区,位置及氨基酸残基数均相
似,可以推定具有相似的结构与功能。
GLDH 在植物各个器官中都存在,其转录水平和酶活性被认为与组织 AsA 含量有关,但植物不
同种类、不同发育时期、不同器官之间存在着差异。在甜瓜中,在抗坏血酸含量丰富的光合器官,
如叶片、茎中转录水平较高,而在抗坏血酸含量较低的部位如根、种子中转录水平较低;在甜瓜果
实发育过程中 AsA 含量与 GLDH 转录水平相关(Pateraki et al.,2004)。刺梨中各个器官的 GLDH
表达水平与 AsA 含量一致,果实 GLDH 表达水平和 AsA 含量均远远高于叶片(安华明 等,2005)。
拟南芥 GLDH 表达水平在抗坏血酸含量较低的根中高于抗坏血酸含量较高的叶片中,丛生幼叶中
GLDH 活性、转录水平高低与 AsA 含量昼夜变化趋势相同(Tamaoki et al.,2003)。
本研究显示,StGLDH 在马铃薯的各个器官中均有表达,在幼叶和功能叶中表达量较高,茎中
表达量最低,叶片中的表达量是块茎中的 2 ~ 3 倍。除匍匐茎外,其它器官中 AsA 含量与 StGLDH
表达水平一致,这说明 StGLDH 在马铃薯 AsA 原位合成与积累中具有重要作用。匍匐茎与块茎中
StGLDH 表达量相当,AsA 含量差异较大,前者仅为后者的 1/7,这与 Viola 等(1998)的检测结果
一致。原因可能是:(1)AsA 在植株体内存在长距离运输现象(Franceschi & Tarlyn,2002),马铃
薯块茎中的部分 AsA 是由叶片通过韧皮部运输而来;(2)光照会促进 AsA 的合成,未膨大匍匐茎
由于在地下,其原位合成基本不受光促影响(Tedone et al.,2004),使得 AsA 水平原本较低;(3)
块茎作为“库”,不断吸收其他“源”部位合成的 AsA,使距离其最近且原位合成较低的匍匐茎 AsA
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水平进一步降低,导致二者 AsA 浓度出现显著差异。但块茎不断吸收和积累 AsA 的原因尚不清楚。
另外,块茎中的 AsA 含量在不同发育时期也有所变化(赵韦 等,2007),而 AsA 代谢也会影响各
组织器官 AsA 含量,所以推测马铃薯 StGLDH 表达与块茎中 AsA 积累除了原位合成、长距离运输、
反馈调节之外,可能还存在着不同于其他植物的复杂机制,有待于进一步研究。目前,已经得到
StGLDH 的正、反义马铃薯转基因植株,对其功能的研究正在进行中。

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《中国蔬菜品种志》
本书由中国农业科学院蔬菜花卉研究所主编,已于 2002 年 9 月出版发行。全书分上、下卷,1 ~ 6 章为上卷,
包括根菜类、白菜类、芥菜类、甘蓝类、绿叶菜类及葱蒜类,计 2 263 个品种,1 347 页;7 ~ 12 章为下卷,包括瓜
类、茄果类、豆类、薯芋类、水生蔬菜类和多年生蔬菜类,计 2 550 个品种,1 177 页。入志的品种中,地方品种占
90%以上,少量在全国栽培时间较长、种植面积较大的一代杂种也选入其中。本书较全面系统而又有重点地反映了
中国丰富的蔬菜品种资源概貌、研究成果及育种水平,可供蔬菜科研、教学、生产及种子公司、农业行政单位的人
员参考。本书出版后受到读者普遍好评,现尚有少量存书,特以优惠价格 490 元(上、下卷)提供给读者(原价 980
元)。

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