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Cloning and Sequence Analysis of cDNA Encoding for ACC Synthase fromHami Melon

哈密瓜ACC合成酶基因cDNA的克隆及全序列分析



全 文 :园  艺  学  报  2009, 36 (8) : 1177 - 1183
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2009 - 04 - 20; 修回日期 : 2009 - 06 - 23
基金项目 : 新疆维吾尔自治区自然科学基金项目 (200721106)3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: guoaiguang@yahoo1com1cn; lxf3838@1631com)
哈密瓜 ACC合成酶基因 cDNA的克隆及全序列分析
丁群英 1, 3 , 张 瑞 2 , 廖新福 23 , 郭蔼光 1, 33
(1 西北农林科技大学生命科学学院 , 陕西杨凌 712100; 2 新疆维吾尔自治区葡萄瓜果开发研究中心 , 新疆鄯善
838201; 3 西北农林科技大学陕西省农业分子生物学实验室 , 陕西杨凌 712100)
摘  要 : 以新疆哈密瓜 (Cucum is m elo L. ) 幼叶为材料 , 根据已报道的甜瓜 ACC合成酶 3 (12am inocy2
clop ropane212carboxylic acid synthase, ACS) 基因片段设计特异引物 , 采用 RT2PCR和 RACE (Rap id Amp lifi2
cation cDNA Ends, cDNA末端快速扩增 ) 等技术 , 克隆得到编码哈密瓜 CM e2ACS3基因的全长 cDNA 序列 ,
长 1 895 bp, 编码 482个氨基酸 , 分子量约为 54112 kD, 等电点 8145, GenBank登录号为 FJ383171。利用
软件 MEGA4构建进化树 , 发现哈密瓜 ACS3基因与黄瓜中的同类基因亲缘关系最近。哈密瓜 CM e2ACS3基
因的克隆及序列分析为认识此基因在甜瓜中的功能研究奠定基础。
关键词 : 哈密瓜 ; ACC合成酶 ; RACE; 序列分析
中图分类号 : S 65211; Q 781  文献标识码 : A  文章编号 : 05132353X (2009) 0821177207
C lon ing and Sequence Ana lysis of cD NA Encod ing for ACC Syn tha se from
Ham iM elon
D ING Qun2ying1, 3 , ZHANG Rui2 , L IAO Xin2fu23 , and GUO A i2guang1, 33
(1 College of L ife Science, N orthw est A & F U niversity, Yang ling, Shaanxi 712100, Ch ina; 2 X injiang D evelopm ent and Research
Center of Grapes and M elons, Shanshan, X injiang 838201, Ch ina; 3 Shaanxi Key L abora tory of M olecu larB iology forA griculture,
N orthw est A & F U niversity, Yang ling, Shaanxi 712100, China)
Abstract: Specific p rimers were designed based on the reported partial sequence of melon ( Cucum is
m elo L. ) ACS3 gene in the GenBank to clone the full2length cDNA of ACS3 gene in using RT2PCR and RACE
methods. Its GenBank Accession No. is FJ383171. The length of Ham i melon ACS gene cDNA is 1 895 bp,
this gene encodes 482 am ino acids, the putative molecular weight is 54112 kD and its p I is 8145. The phylo2
genetic trees constructed by software MEGA4 showed that ACS3 gene of ham i melon was closely related to that
of Cucum is sa tivus. The cloning of ACS3 gene full2length cDNA from the Ham i melon p rovides the basis for
understanding the role of ACS3 gene in melon.
Key words: Ham i melon; ACC synthase; RACE; sequence analysis
在高等植物中 , 乙烯的生物合成主要通过 ACC合成酶 (ACS) 基因和 ACC氧化酶 (ACO ) 基因
的表达 , 在转录水平上进行调节 ( Yang & Hoffman, 1984; Abeles et al. , 1992 )。Yang和 Hoffman
(1984) 的研究表明 , 在乙烯的生物合成途径中 , ACC (1 - 氨基环丙烷 - 羧酸 ) 是乙烯合成的前体 ,
ACC合成酶是催化 SAM ( S - 腺苷蛋氨酸 ) 向 ACC转化的酶 , 抑制 ACC合成酶就可以控制乙烯合
成。目前 , 已从番茄 (Vander et al. , 1990)、马铃薯 ( Schlagnhaufer et al. , 1995)、黄瓜 ( Shiom et
al. , 1998)、桃 (金勇丰和张耀洲 , 2000)、绿豆 ( Song et al. , 2003)、青花菜 ( Gonzalez & Botella,
2003) 和月季 (W ang et al. , 2004) 等多种植物中分离到 ACC合成酶基因的 cDNA序列。利用基因
园   艺   学   报 36卷
工程技术转化番茄 (Oeller et al. , 1991 )、香石竹 (Aanhane et al. , 1995 )、柑橘 (Wong et al. ,
2001)、薄皮甜瓜 (郭庆勋 等 , 2006) 等 , 均已获得转基因植株 , 且转基因植物体内乙烯的生物合成
受到不同程度的抑制 , 从而延缓了果实的成熟或延长了鲜切花的保鲜期。对于哈密瓜 ACC合成酶基
因表达及功能等方面的研究报道甚少。目前 , 已报道甜瓜 ACC合成酶多基因家族的成员有 4个 , 其
中甜瓜 ACC合成酶 3 (CM e2ACS3 ) 只有部分 cDNA序列。本试验中通过克隆哈密瓜 ACC合成酶基因
家族的一个成员 CM e2ACS3 , 并对其进行了生物信息学分析 , 为进一步利用基因工程手段研究其基因
功能奠定基础。
1 材料与方法
111 试材与试剂
以新疆哈密瓜主栽品种 ‘早皇后 ’ (Cucum is m elo L. ‘Zao Huanghou’) 为试材 , 植株长至两叶一
心时 , 取其心叶 , 用液氮速冻后于 - 70 ℃冰箱保存备用。供试材料于 2008年种植于西北农林科技大
学陕西省农业分子生物学实验室。大肠杆菌 ( Escherich ia coli) 菌株 DH5α感受态细胞采用 CaCl2法制
备。DNA回收纯化试剂盒、LA Taq酶、3′RACE、5′RACE试剂盒和 pMD218T载体为大连宝生物公司
( TaKaRa) 产品。RNA提取试剂盒购于杭州博日科技有限公司。主要试剂购于上海生工生物工程技
术服务有限公司。常规试剂均为国产分析纯。
112 引物设计及哈密瓜叶片总 RNA的提取
采用 Primer Prem ier 510软件 , 根据 GenBank中已发表 CM 2ACS3基因 (D86241) 序列设计特异引
物 , 通过扩增、克隆获得一段中间序列 , 按照 RACE试剂盒的要求 , 根据测定的序列设计 3′RACE和
5′RACE的特异引物 , 由上海生工生物工程技术服务有限公司合成 (表 1)。采用 B IOZOL提取试剂盒
提取叶片 RNA。
表 1 哈密瓜 CM e2ACS3引物序列
Table 1 Ham im elon CM e2ACS3 pr im er sequences
引物 Primer 引物序列 (5′→3′) Primer sequence (5′→3′)
中间序列引物 1 M iddle sequence p rimer 1 P1: GCCTTCTCTAATCCACTCACC
中间序列引物 2 M iddle sequence p rimer 2 P2: TTTCTCCTCCCAACTCCATAC
3′RACE内侧引物 3′the RACE inner p rimer P3 1: AGTCACCCAACCCGCTTTAGAAC
3′RACE外侧引物 3′the RACE outer p rimer P3 2: TGCCTTTCTCCTCCCAACTCCATA
3′RACE外侧引物 3′the RACE outer p rimer P3 3: TACCGTCGTTCCACTAGTGATTT
3′RACE内侧引物 3′the RACE inner p rimer P3 4: CGCGGATCCTCCACTAGTGATTTCACTATAGG
5′RACE内侧引物 5′the RACE inner p rimer P5 1: ACGAATCCTGGAGACCCAAAAACG
5′RACE外侧引物 5′the RACE outer p rimer P5 2: CTTCCTCCTCTTCGTTACTCCTCTCCTT
5′RACE外侧引物 5′the RACE outer p rimer P5 3: CATGGCTACATGCTGACAGCCTA
5′RACE内侧引物 5′the RACE inner p rimer P5 4: CGCGGATCCACAGCCTACTGATGATCAGTCGATG
113 3′RACE反转录及 CM 2ACS3基因中间序列的扩增
以 mRNA为模板 , 按照 3′RACE试剂盒反转录的基本操作流程 , 反转录反应体系如下 : 幼叶 Total
RNA (400 ng·μL - 1 ) 3μL; 3′RACE Adap tor (5μmol·L - 1 ) 1μL; 5 ×M 2MLV Buffer 2μL; dNTP
M ixture (10 mmol·L - 1 each) 1μL; RNase Inhibitor ( 40 U ·μL - 1 ) 0125μL; Reverse Transcrip tase
M 2MLV (RNase H - ) (200 U·μL - 1 ) 0125μL; RNase Free ddH2 O 215μL; 总体积 10μL。
反应条件为 42 ℃温浴 60 m in, 70 ℃灭活 15 m in后获得 RT产物 , - 20 ℃保存待用。
PCR反应体系 : 取 RT产物 2μL, 10 ×LA PCR BufferⅡ (Mg2 + Free) 215μL, dNTPs 015μL, P1
引物 1μL, P2引物 1μL, LA Taq 012μL, 补水至 20μL。反应条件 : 94 ℃预变性 3 m in, 94 ℃预变
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 8期 丁群英等 : 哈密瓜 ACC合成酶基因 cDNA的克隆及全序列分析  
性 30 s, 60 ℃退火 30 s, 72 ℃延伸 45 s, 30次循环 ; 最后 1个循环 72 ℃延伸 10 m in。
114 3′RACE扩增 CM 2ACS3基因的 3′端
参考 TaKaRa公司 3′RACE试剂盒操作流程。取 RT产物 2μL, 1 ×cDNA D ilution BufferⅡ8μL,
P3 2 (10μmol·L - 1 ) 2μL, P3 3 ( 10μmol·L - 1 ) 2μL, 10 ×LA PCR BufferⅡ (Mg2 + Free) 4μL,
MgCl2 (25 mmol·L - 1 ) 3μL, TaKaRa LA Taq (5 U·μL - 1 ) 013μL, ddH2 O 2817μL, 反应条件为
94 ℃ 3 m in, 94 ℃ 30 s, 55 ℃ 45 s, 72 ℃ 1 m in, 30个循环 ; 72 ℃延伸 10 m in。
取第 1次获得的 PCR产物 1μL进行巢式 PCR, dNTP M ixture (各 215 mmol·L - 1 ) 8μL, 10 ×LA
PCR BufferⅡ (Mg2 + Free) 5μL, MgCl2 (25 mmol·L - 1 ) 5μL, LA Taq ( 5 U·μL - 1 ) 015μL, P3 1
(10μmol·L - 1 ) 2μL, P3 4 (10μmol·L - 1 ) 2μL, ddH2 O 2615μL, 反应条件同前一步 PCR。
巢式 PCR扩增产物经回收、克隆、鉴定 , 每个阳性克隆挑选 3个平行菌进行测序。
115 5′RACE扩增 CM 2ACS3基因的 5′端
哈密瓜叶片总 RNA (2μL) 的去磷酸化、“去帽子 ”反应、5′RACE Adap tor连接均参考 TaKaRa
公司试剂盒操作流程进行 , 获得 L igated RNA。
反转录 : 取 L igated RNA 6μL, Random 9 mers (50μmol·L - 1 ) 015μL, 5 ×M 2MLV Buffer 2μL,
dNTPs (各 10 μmol·L - 1 ) 1 μL, RNase Inhibitor ( 40 U ·μL - 1 ) 0125 μL, Reverse Transcrip tase
M 2MLV (RNase H - ) (200 U·μL - 1 ) 0125μL, 30 ℃10 m in, 42 ℃ 60 m in, 70 ℃ 15 m in。
取 RT产物 3μL, 10 ×cDNA D ilution Buffer Ⅱ7μL, 10 ×LA PCR BufferⅡ (Mg2 + Free) 4μL,
MgCl2 (25 mmol·L - 1 ) 3μL, TaKaRa LA Taq (5 U·μL - 1 ) 0125μL, P5 2 (10μmol·L - 1 ) 2μL,
P5 3 (10μmol·L - 1 ) 2μL, ddH2 O 28175μL, 94 ℃ 3 m in, 94 ℃ 30 s, 55 ℃ 30 s, 72 ℃ 1 m in, 20
个循环 ; 72 ℃延伸 10 m in。
取第 1次 PCR反应液 1μL, 10 ×LA PCR BufferⅡ (Mg2 + Free) 5μL, MgCl2 (25 mmol·L - 1 ) 5
μL, dNTP M ixture (各 215 mmol·L - 1 ) 8μL, LA Taq (5 U·μL - 1 ) 015μL, P5 1 (10μmol·L - 1 ) 2
μL, P5 4 (10μmol·L - 1 ) 2μL, ddH2 O 2615μL, 反应条件同前一步 PCR。
5′RACE PCR产物经回收、克隆、鉴定 , 挑选阳性克隆测序。
116 序列拼接与分析
DNA序列测定委托完成 , 测序结果用 Contig Exp ress序列拼接软件进行全长序列拼接 , 序列分析
则采用 Vector NTI软件、ClustalX程序软件等进行。
2 结果与分析
211 CM e2ACS3基因中间序列的扩增
用特异引物 P1和 P2扩增出 CM e2ACS3中间
序列预期大小的特异片段 (图 1) , 将克隆测序结
果 (628 bp ) 用 Vector NTI软件分析 , 确认其为
CM e2ACS3基因的特异片段。
212  CM e2ACS3基因 3′端的扩增
根据 CM e2ACS3 基因中间序列和 TaKaRa 3′
RACE原理设计引物 , 以反转录的 cDNA 第一链
为模板 , 基因特异引物 P3 1, P3 2和给定下游引物
进行两次 PCR扩增所得产物 ,经 1 %琼脂糖电泳
图 1 ACS3基因中间序列 PCR扩增产物
F ig. 1 PCR am plif ica tion products of m iddle sequence
of ACS3 gene
检测可见约 1 200 bp条带 (图 2) , 克隆到 pMD218T载体后测序为 1 173 bp。
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213 CM e2ACS3基因 5′端的扩增
根据 CM e2ACS3基因中间序列 , 结合 TaKaRa 5′RACE原理设计特异引物 P5 1和 P5 2, 与哈密瓜总
RNA经去磷酸化、“去帽子 ”反应、5′RACE Adap tor连接后获得 L igated RNA及给定引物 P5 3、P5 4进
行反转录、套式 PCR反应 , 获得的 PCR产物在 1%琼脂糖凝胶上进行电泳 , 片段大小约 1 000 bp
(图 3) , 克隆到 pMD218T载体后测序为 971 bp。
图 2 3′RACE琼脂糖凝胶电泳图
F ig. 2 Agarose gel electrophoresis ana lysis
of 3′RACE PCR products
图 3 5′RACE琼脂糖凝胶电泳
F ig. 3 Agrose gel electrophoresis ana lysis of
5′RACE PCR products
214 全长序列的获得及分析
将测序所得 3条序列进行拼接 , 最终获得长度为 1 895 bp的哈密瓜 ACS3基因全长 cDNA序列
(图 4) , 命名为 CM e2ACS3 , GenBank登录号为 FJ383171。经 ORF (开放阅读框 ) 软件分析 , 确定
ORF长 1 446 bp, 编码 482个氨基酸 , 预测分子量约为 54112 kD , 其中编码酸性氨基酸 53个 , 碱性
氨基酸 57个 , 等电点为 8145。用 SignalP ( http: ∥www1cbs1dtu1dk / services/SignalP / ) 软件对该蛋
白的 N端进行分析 , 没有发现信号肽 , 该蛋白质为非分泌蛋白。
图 4 哈密瓜 ACC合成酶基因 CM e2ACS3的 cD NA序列和由此推导的氨基酸序列
F ig. 4 The nucleotide and deduced am ino ac id sequences of cD NA encod ing ACC syn tha se 3 in Ham im elon
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 8期 丁群英等 : 哈密瓜 ACC合成酶基因 cDNA的克隆及全序列分析  
215 哈密瓜与其他作物 ACS基因编码的氨基酸序列比较分析
应用 NCB I上的 B lastP软件进行序列相似性搜索 , 结果显示哈密瓜 ACS3基因与多种植物的氨基
酸序列具有较高的相似性 , 其中与黄瓜 Cucum is sa tivus ACS1G的相似性最高 ( 98% ) , 其次为笋瓜
Cucu rbita m ax im a ACS2, 绿豆 V igna rad ia ta ACS7 , 矮牵牛花 Petun ia hybrida ACS2 , 其相似性分别为
90% , 77%和 76% 。应用 ClustalX程序 , 将克隆所得的哈密瓜 ACS3基因 cDNA编码的氨基酸序列与
NCB I上已登录的其他作物的 ACS基因编码的氨基酸进行多序列对比。结果表明 : 哈密瓜 ACS3与其
它作物的 ACS基因有许多高度的保守区域 (图 5)。
图 5 哈密瓜 ACS3氨基酸序列与同源氨基酸序列的多序列对比
F ig. 5 The a lignm en t of am ino ac id sequences of Ham im elon and other 9 plan ts ACS3 gene
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216 基因进化树构建
采用 MEGA4软件 ( Kumar et al. , 2004) 的邻接法 (Neighbor2Joining, NJ ) , 构建哈密瓜与苹果
BAA35057等 16种植物的 ACS同源氨基酸序列的基因进化树。该进化树显示 , 哈密瓜 ACS3与黄瓜
Cucum is sa tivus ACS1G亲缘关系最近 , 与笋瓜 Cucurbita m axim a ACS2、白羽扇豆 L upinus a lbus ACS3等
较近 , 而与拟南芥、花椰菜、马铃薯等较远 (图 6)。
图 6 基于 NJ法的哈密瓜 ACS3基因进化树
●表示哈密瓜 ACS3基因。
F ig. 6 Neighbor2jo in ing phylogenetic tree ba sed on ACS3 sequences of Ham im elon and other 16 plan ts
●Ham i melon ACS3 gene.
3 讨论
获得基因全长序列是生物工程和分子生物学研究的重点之一。尽管已有多种获得基因全长序列的
方法 , 但是由于植物中 ACC合成酶含量很低 , RNA在提取中很容易发生降解 , 从而使得由低丰度
mRNA通过转录获得全长 cDNA变得很困难。近年来发展成熟的 cDNA末端快速扩增 (RACE) 技术 ,
为从低丰度转录本快速获得全长 cDNA提供了一个便捷的途径。
在高等植物体内 , 乙烯由 Met (蛋氨酸 ) →SAM (腺苷蛋氨酸 ) →ACC ( 1 - 氨基丙烷 - 1 - 羧
酸 ) →乙烯途径合成。在乙烯生物合成过程中 , 每一步反应都是在特定的酶催化下完成的。ACC合成
酶是乙烯合成的关键酶 , 它催化 SAM 生成 ACC ( Yang & Hoffman, 1984)。了解和研究这些酶 , 特别是
关键酶的基因及其表达的特异性 , 才能有效地调控乙烯的生物合成 , 乃至控制果实的后熟衰老进程。
NCB I公布的 ACC合成酶基因序列及物种 , 共有 39个科 , 70余种植物克隆到了 ACC合成酶基
因 , 涵盖双子叶、单子叶及裸子植物 , 克隆部位主要包括果实、种子、叶片、花瓣、根等部位 , 功能
主要是果实的发育和成熟相关 , 占全部序列的 45% , 有 27%的序列与激素或环境胁迫诱导有关 , 功
能特殊的 ACC合成酶例如棉花中发现 ACC合成酶与纤维伸长有关 (L i et al. , 2004) , 黄瓜中则克隆
了 2个雌性特异的 ACC合成酶序列 ( Kamachi et al. , 1997; Trebitsh et al. , 1997)。本研究采用 RT2
PCR和 RACE技术 , 首次在哈密瓜中获得了 CM e2ACS3基因的全长序列 , 对该序列分析发现 , 该基因
全长 1 895 bp, 开放阅读框为 1 446 bp, 编码 482个氨基酸 , 通过 B lastP、ClustalX软件进行同源性比
对分析 , CM e2ACS3与已报道的笋瓜 (Nakagawa et al. , 1991)、绿豆 ( Yi et al. , 1999)、矮牵牛花
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 8期 丁群英等 : 哈密瓜 ACC合成酶基因 cDNA的克隆及全序列分析  
(L indstrom et al. , 1999) 的相似性达到 70%以上 , 特别是与黄瓜雌性主控基因 CSACS1G相似性达到
了 98% ; 利用 MEGA4软件构建哈密瓜与苹果等 16种植物的 ACS同源氨基酸序列的基因进化树 , 该
进化树显示 , 哈密瓜 ACS3与黄瓜亲缘关系最近 ; 与李、白羽扇豆等较近 ; 而与拟南芥、花椰菜、马
铃薯等较远 , 这与物种起源进化的亲缘关系分类完全相一致。
目前 , 我们正在构建该基因的植物超表达载体和反义植物表达载体 , 以对其功能进行深入研究。
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