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Cloning and Expression Analyses of NAC Transcription Factor Gene in Bothriochloa ischaemum

白羊草NAC转录因子基因的克隆及表达分析



全 文 :第21卷 第3期
 Vol.21  No.3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
      2013年 5月
  May 2013
doi:10.11733/j.issn.1007G0435.2013.03.027
白羊草NAC转录因子基因的克隆及表达分析
方志红1,王学敏2,李 俊2,董 洁2,高洪文2,董宽虎1∗
(1.山西农业大学动物科技学院,山西 太谷 030801;2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,北京 100193)
摘要:NAC转录因子是植物特有的转录因子并在植物的生长发育过程中发挥重要的作用,根据其他植物 NAC转
录因子基因的氨基酸保守序列设计简并引物,通过RTGPCR和RACE技术从白羊草(Bothriochloaischaemum)中
获得了全长cDNA,命名为BiNAC.序列分析表明,该cDNA片段全长为1549bp,开放阅读框1125bp,编码374
个氨基酸,具有典型的NAC类蛋白的结构特征.进化树分析表明,该蛋白属于 ATAF亚族,与高粱(SorghumbiG
color)亲缘关系最近,同源性达到94%.RealGtimePCR检测结果表明,BiNAC基因在茎中的表达量最高,根中表
达量最少,并且受NaCl胁迫表达上调.同时成功构建了植物表达载体pBI121GBiNACGGUS,为进一步开展 NAC
基因的功能研究创造了条件.
关键词:白羊草;NAC转录因子;表达分析;基因序列
中图分类号:Q943.2    文献标识码:A     文章编号:1007G0435(2013)03G0590G08
CloningandExpressionAnalysesofNACTranscription
FactorGeneinBothriochloaischaemum
FANGZhiGhong1,WANGXueGmin2,LIGJun2,DONGJie2,GAOHongGwen2,DONGKuanGhu1∗
(1.ColegeofAnimalScienceandTechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu,ShanxiProvince030801,China;
2.InstituteofAnimalScience,ChineseAcademyofAgricultureSciences,Beijing100193,China)
Abstract:NACtranscriptionfactorsarespecifictoplantsandplayanimportantroleinadiversesetofdeG
velopmentalprocesses.UsingRTGPCRandRACEtechnologywithapairofdegenerateprimerdesigned
baseonthesequenceofthehomologousgenefromotherplants,acDNAofNACgenewasclonedfrom
Bothriochloaischaemum,namedBiNAC.SequenceanalysisshowedthatthefulGlengthofcDNAsequence
was1549bpincludingan1125bpopenreadingframewhichencodeda374GaminoGacidpolypeptideandhad
thetypicalcharacteristicsofNACfamily.PhylogenetictreeanalysisindicatedthatNACgenebelongedto
theATAFsubfamily,andtheBiNACgeneofB.ischaemumwascloselyrelatedtothatofSorghumbicolG
orwith94%homology.RealGtimePCRresultsrevealedthattheexpressionofBiNACwasthemostabunG
dantinstemandtheleastinroot.TheexpressionlevelofBiNACgenewasincreasedinleaveswithNaCl
stress.Meanwhile,theplantexpressionplasmidpBI121GBiNACGGUSwasconstructedsuccessfuly,which
willayafoundationforthefunctionalanalysisofBiNACgeneinthefuture.
Keywords:Bothriochloaischaemum;NACtranscriptionfactor;Expressionanalysis;Genesequence
  转录因子(transcriptionfactor)是一类调节基
因表达水平上的重要调控基因,已经在非生物胁迫
方面发挥了重要作用[1G3].迄今为止,已经发现了一
系列 来 自 不 同 家 族 的 转 录 因 子,如 bZIP[4],
MYB[5G6],AP2/ERF 和 WRKY[7G8]等转录因子.
NAC(NAM,ATAF1/2,CUC2)转录因子是植物
特有的一类转录因子,广泛存在于植物中[9G11].它
最早是由Souer等[12]在矮牵牛(Petuniahybrida)
中发现的,随后 Aida等[13]在拟南芥(Arabidopsis
thaliana)中发现了具有类似功能的ATAF1/2和
CUC2基因,它们编码蛋白的N端都有一段保守的
氨基酸序列,命名为NAC.有研究表明,NAC转录
收稿日期:2013G03G19;修回日期:2013G04G21
基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20101403110002);山西省科技公关项目(20120311011G1);山西省科技基础条
件平台建设项目(2012091004G0101)资助
作者简介:方志红(1983G),女,内蒙古赤峰人,博士G硕士研究生,研究方向为饲料作物生产与利用,EGmail:fangzhihong2007@126.com;
∗通信作者Authorforcorrespondence,EGmail:dongkuanhu@126.com
第3期 方志红等:白羊草NAC转录因子基因的克隆及表达分析
因子参与植物对非生物胁迫信号的应答过程,且其
超量表达能够影响植物的耐逆性.拟南芥NAC转
录因子ATAF1基因的表达受干旱和ABA处理诱
导,通过负调控渗透胁迫反应基因的表达在抗旱反
应中起作用[14];水稻(Oryzasativa)NAC转录因子
基因SNAC1主要在气孔保卫细胞中被诱导表达,
植物经受干旱胁迫时,该基因通过促进气孔关闭,减
少水分流失,来提高植物的抗旱能力[15];拟南芥
ANAC072基因的表达受干旱、高盐和 ABA 的诱
导,且过表达植株对 ABA极度敏感,使 ABA和逆
境响应基因表达上调[16G18].
白羊草(Bothriochloaischaemum),禾本科孔颖
草属多年生草本植物,具有固土保水、生活力强,高
产耐牧、耐践踏、适口性好等优点,广泛分布于我国
暖温带落叶阔叶林地带,是控制水土流失和提供家
畜饲草的重要禾本科牧草[19].近几年来,已经在很
多植物中发现了NAC基因,尤其是在模式植物拟
南芥和水稻中研究的比较多,但是目前尚未发现有
关白羊草NAC转录因子基因的相关报道.本试验
首次从白羊草中克隆到一个 NAC转录因子基因
BiNAC,利用RACE技术获得全长cDNA,进一步
分析了BiNAC基因的核苷酸序列和编码的蛋白序
列,进行了基因表达特性分析,并构建了植物表达载
体,为进一步研究该基因的功能奠定了基础.
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 植物材料 白羊草种子采自山西省平定县,
地理位置为E113°40′35.3″,N37°43′07.3″,海拔
863m,由山西农业大学草业科学实验室保存.
1.1.2 菌株、试剂和质粒 感受态大肠杆菌菌株
E.coliDH5α由北京天根生化科技有限公司提供;
DNAMaker、pMD􀆾18GTvector、限制性内切酶Xba
Ⅰ和BamHⅠ及T4连接酶购自Takara公司;凝胶
DNA 回 收 试 剂 盒 购 自 Axygen 公 司;农 杆 菌
GV3101和转化载体pBI121为本实验室保存;其他
常用试剂采用进口分装或国产分析纯.
1.2 试验方法
1.2.1 材料的处理及总RNA的提取 将白羊草种
子播种于装有灭菌土的花盆(蛭石∶珍珠岩=3∶1)
中,出苗后培养45d,采集植株,Trizol法提取总
RNA后用于克隆BiNAC基因的全长cDNA序列;
用15%的PEG溶液和200mM 的NaCl溶液分别
处理幼苗0,2,4,8,12和24h,分别提取总RNA,用
于RealGtimePCR分析.
1.2.2 白羊草BiNAC 基因的克隆 根据 GenG
Bank上已经登录的近缘植物的 NAC转录因子基
因,将它们的核苷酸序列进行比对,用Primer5.0
软件设计一对简并引物P1 和P2(表1),以白羊草植
株的cDNA为模版,进行PCR扩增,PCR扩增程序
如下:94℃预变性5min,94℃变性30s,56℃复性
30s,72℃延伸1min,共30个循环,最后72℃下延
伸10min,目的条带经切胶回收纯化后,连接到
pMD􀆾18GT载体上,转化E.coliDH5α,送InvitroG
gen公司进行测序,获得BiNAC基因的中间序列;
再根据获得的中间序列设计3′GRACE引物P3 和
5′GRACE引物P4 扩增目的基因的3′端序列和5′端
序列,根据预测得到的开放阅读框设计特异性引物
P5 和P6(表1),以cDNA为模版扩增开放阅读框,
构建重组质粒 BiNACGpMD􀆾 18GT,转化 E.coli
DH5α感受态细胞,进行PCR检测,阳性克隆送InG
vitrogen公司进行测序验证.
表1 试验中的引物序列
Table1 Sequenceofprimerusedintheexperiment
引物名称
Nameof
primer
引物序列
Sequence
ofprimer
P1 CSGTSCCSATCATCRCCGAG
P2 CTTGTTGTASAKSCGRCASAGSACCC
P3 ACGAGCTGGTGGAGCACTACCTGTG
P4 CCCTGGGCGTGAAGAAGTACCACTC
P5 AAGCAACCAGCCAGACCA
P6 AATGAGCCGTGCCAACA
P7 TGGATGACTGGGTGCTGTG
P8 CGCCTCCTCTTTGGTTGTG
P9 ATTCCTAGTAAGCGCGAGTCATCAG
P10 CAATGATCCTTCCGCAGGTTCAC
P11 GCTCTAGAATGGGAGTGCCGGTGGTGAGGAGG
P12 CGGGATCCGAAGGGTCCCAACCCG
1.2.3 BiNAC基因的生物信息学分析 核苷酸及
氨基酸序列分析、开放阅读框 ORF的查找和翻译
使用DNAStar软件进行分析;利用NCBI数据库中
的 ORFfinder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
gorf.html)分析 BiNAC 基因的 ORF;利用 ExG
PASy在线工具对BiNAC蛋白序列进行理化性质、
高级结构及其生物学功能的预测分析;采用 TMG
HMM (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMG
HMM/)对BiNAC蛋白的跨膜结构域进行分析;
195
草 地 学 报 第21卷
Blastx搜索其他物种的相似蛋白,用 DNAMAN
6.0软件进行氨基酸序列多重序列比对,并通过
MEGA5.0软件进行系统发育树的构建.
1.2.4 RealGtimePCR检测BiNAC基因的组织表
达特异性 分别提取白羊草的根、茎、叶总RNA,反
转录为cDNA.根据白羊草BiNAC 基因的全长
cDNA 序 列 设 计 特 异 性 引 物 P7 和 P8.以
18SrRNA 基因做内参,设计特异性引物P9 和P10.
参考TaKaRa公司的SYBRPremixExTaqTM 试
剂盒说明书,使用ABIPRISM7500RealGtimePCR
System(ABI,USA)进行 RealGtimePCR扩增,扩
增程序为:95℃30s;95℃5s;60℃ 34s,40个循
环,每个样品3次重复.
利用2-△△Ct方法[20],公式为△△Ct=(CtTarget-
CtActin)处理-(CtTarget-CtActin)对照,分别计算BiNAC
基因在根、茎、叶中的表达量,利用Excel2007进行
数据处理并绘出柱形图.
1.2.5 RealGtimePCR检测BiNAC基因在不同逆
境胁迫下的表达量 将经过PEG和 NaCl胁迫处
理的白羊草幼苗,提取叶片总 RNA,反转录后用
1􀆰2.4的方法,对不同逆境胁迫下的表达量进行分
析,分别计算BiNAC基因在PEG和 NaCl处理下
不同时间段的表达量,每个样品3次重复.
1.2.6 植物表达载体pBI121GBiNACGGUS的构建
 利用引物P11和P12扩增BiNAC基因的全长cDG
NA,1%琼脂糖凝胶电泳分析后切胶回收,回收产
物与质粒pBI121分别进行XbaⅠ和BamH Ⅰ双酶
切后回收.将回收的目的片段插入线性化的
pBI121载体,构成重组质粒pBI121GBiNACGGUS,
之后进行大肠杆菌的转化,涂布于含有卡那霉素抗
性的LB固体培养基上,37℃培养12~16h后,挑取
单克隆菌落摇菌后进行菌液PCR检测,将含有目的
基因条带的阳性克隆送去Invitrogen公司测序
(图1).
图1 植物表达载体pBI121GBiNACGGUS的构建
Fig.1 ConstructionofplantexpressionvectorpBI121GBiNACGGUS
2 结果与分析
2.1 总RNA的提取
总RNA的质量是关系反转录cDNA完整性的
重要因素.提取的白羊草总RNA,用1.0%的琼脂
糖凝胶电泳鉴定,结果如图2所示,28SRNA 和
18SRNA条带清晰,表明提取的 RNA 完整性较
好.RNA的OD260/OD280都介于1.8~2.0之间,说
明RNA的纯度比较高,可以用于后续的试验.
2.2 BiNAC基因全长cDNA的克隆及鉴定
根据同源克隆的原理,利用RTGPCR技术从白羊
295
第3期 方志红等:白羊草NAC转录因子基因的克隆及表达分析
草中克隆得到了479bp的目的基因中间片段(图4),
片段大小与预期相符,测序后经NCBI上Blastx分析
后发现与已知NAC转录因子基因(如玉米SNAC1、
水稻NAC1、高粱NAC1、大麦NAC、短柄草NAC以
及小麦NAC1)都具有较高的同源性,推测该中间片
段为白羊草的NAC转录因子基因片段.
图2 白羊草总RNA检测结果
Fig.2 TotalRNAfromB.ischaemumtestes
  根据3′GRACE引物和5′GRACE引物,进行3′
端和5′端片段的扩增,分别扩增出1127bp的3′末
端片段和457bp的5′末端片段(图 4).利用
DNAStar软件拼接获得全长cDNA,长度为1549
bp.利用NCBI及SMART服务器对所编码的蛋
白质进行结构域搜索,发现该序列的N端含有一个
126个(74~200)氨基酸的NAC结构域(图3).
  进一步进行同源性比较发现,该序列与已经克
隆的其他植物的NAC转录因子基因核苷酸序列有
较高的相似性,其中与高粱(Sorghumbicolor)的相
似性最高.这表明克隆得到的序列是白羊草 NAC
转录因子基因的全长cDNA序列,命名为BiNAC.
2.3 白羊草BiNAC蛋白的生物信息学分析
利用ExPASy在线工具ProtParam软件对BiNAC
蛋白序列进行预测分析,结果表明,该基因序列编码
374个氨基酸,分子式为C1831H2816N522O544S13,相对分
子量为41.26kDa,理论等电点为6􀆰85,含有碱性氨
基酸(K,R)47个;酸性氨基酸(D,E)48个;疏水氨基
酸(A,I,L,F,W,V)117个;极性氨基酸(N,C,Q,S,
T,Y)75个.该蛋白中相对含量比较多的氨基酸是
Ala(41个,11%),Pro(34个,9.1%)和 Gly(31个,
8􀆰3%),含量比较少的氨基酸是Pyl(0个,0%),Sec(0
个,0%),Cys(2个,0􀆰5%);总的带负电荷的残基
(Asp+Glu)为48;总的带正电荷的残基(Arg+Lys)
为47;亲水性平均数为-0.618,脂肪指数为61.42.
图3 BiNAC蛋白的功能结构域
Fig.3 TheconserveddomainsoftheBiNACprotein
图4 BiNAC基因的RTGPCR结果、3′末端片段、5′末端片段和全长ORF
Fig.4 RTGPCRproducts,3′RACE,5′RACEresultsandfulGlengthORFofBiNACgene
注:1:RTGPCR结果;2:3′末端片段;3:5′末端片段;4:全长ORF
Note:M:DNADL2000Marker;1:RTGPCRproducts;2:3′RACEresultofBiNACgene;
3:5′RACEresultofBiNACgene;4:ThefulGlengthORFofBiNACgene
395
草 地 学 报 第21卷
  采用TMHMM(http://www.cbs.dtu.dk/servG
ices/TMHMM/)分析表明,该蛋白不含跨膜结构域.
利用NCBI、Uniprot及DNAMAN分析表明,白羊草
BiNAC与其他植物的 NACs具有很高的序列相似
性.其中,BiNAC与高粱、玉米(Zeamays)、水稻、小
麦(Triticumaestivum)和大麦(Hordeumvulgare)的
NAC氨基酸序列高度同源,同源性分别为94%,
90%,84%,74%和73%(图5).
图5 BiNAC蛋白的氨基酸序列与其他植物NAC蛋白氨基酸序列的多重比对
Fig.5 SequencemultiplealignmentoftheBiNACproteinwithhomologyfromotherplants
注(Note):玉米(Zeamays,NAC1,B5A4B4);大麦(Hordeumvulgare,SNAC1,F6MEL2);小麦(Triticumaestivum,
NAC2B,F8QMB6);高粱(Sorghumbicolor,NAC1,J7FIP2);水稻(Oryzasativa,SNAC1,Q27JE5)
  运用ExAPSy软件中的SOPMA对BiNAC的
二级结构进行预测,发现αG螺旋占29.41%,βG转角
占4.55%,无规则卷曲占54.01%,βG折叠占12.03%
(图6).
  利用 MEGA5.0构建了系统进化树,进化树分
析表明,BiNAC基因属于ATAF亚族,且与高粱的
亲缘关系比较近(图7).
2.4 BiNAC基因组织特异性表达
利用2-△△Ct方法计算BiNAC基因在白羊草不
同组织中的相对表达量(图8),结果表明,BiNAC
基因在白羊草根、茎和叶中均有表达,但是在茎中的
表达水平显著高于其他组织,以根中的表达量为对
照,茎、叶中的表达量分别是根中的13.19倍和
3􀆰51倍.
2.5 BiNAC基因在不同逆境胁迫下的表达分析
以未经过处理的白羊草叶片为对照,通过定量
RTGPCR分析了PEG和 NaCl胁迫条件下白羊草
叶片中BiNAC基因表达水平的变化(图9).NaCl
495
第3期 方志红等:白羊草NAC转录因子基因的克隆及表达分析
处理2h后,白羊草叶片中BiNAC基因的表达上
升,于4h时达到最大值,为对照的16.09倍,随着
处理时间的延长,表达量下降,24h时基本回到对
照的水平;15%的PEG处理对BiNAC基因表达影
响不明显.
图6 BiNAC蛋白的二级结构
Fig.6 PredictedsecondarystructureofBiNACprotein
图7 BiNAC蛋白与其他相关蛋白序列的进化树分析
Fig.7 PhylogenetictreeofBiNACproteinwithsomeotherrelatedproteinssequencesbasedonanalignment
注(Note):高粱NAC1(AFO85374.1);拟南芥ATAF1(NP_171677),ATAF2(Q9C598),ANAC083(D7M577),
ATNAP14(D7M600),ATNAP9(D7M7R8),CUC1(B2CU22),CUC2(B2CU46);水稻OsNAC5(Q9FTY7);
向日葵 HaNAC1(Q5IGR9);陆地棉NST2(G4V2F9),NST3(G4V2G1)
2.6 植物表达载体的构建
用酶切鉴定检测pBI121GBiNACGGUS构建的
正确性(图10).在表达载体pBI121GBiNACGGUS
上有XbaⅠ和BamH Ⅰ这2个酶切位点,双酶切后
琼脂糖凝胶电泳后得到大约1200bp左右的目的片
段和大约10000bp左右的载体片段,与预期的大小
相符,测 序 后 发 现 无 碱 基 突 变,证 明 pBI121G
BiNACGGUS重组质粒构建成功.
3 讨论与结论
本研究利用同源克隆的原理,获得了白羊草一
个NAC转录因子基因,利用相关的生物信息学软
件对该基因的氨基酸序列进行分析后发现,其结构
595
草 地 学 报 第21卷
图8 BiNAC基因的组织表达特异性
Fig.8 OrganGspecificexpressionpatternofBiNAC
上具有植物NAC转录因子的典型特征,如蛋白 N
端具有保守的126个氨基酸的NAC功能结构域,
但是BiNAC基因的氨基酸序列比其他植物 NAC
转录因子基因的氨基酸序列多56个氨基酸,这可能
与它的功能特异性有关;进化树分析表明,BiNAC
蛋白属于ATAF亚家族,与其他植物的NAC转录
因子蛋白相似度比较高.
  利用RealGtimePCR方法对BiNAC基因在白
羊草中的组织表达特异性进行分析,结果发现
BiNAC基因在根、茎、叶中均有表达,但表达峰度不
同,茎中表达量最高,叶次之,根中最低.Han等[21]
研究发现SlNAC3基因在番茄(SolanumlycoperG
sicum)不同器官中均有表达,其中在花、果实和根部
的表达量明显高于茎和叶,表明该基因参与了花、果
实和根的发育.本研究中BiNAC基因主要在茎中
表达,这与油菜(Brassicanapus)BnNAC5基因[22]
类似,说明NAC转录因子在不同的物种、不同的组
织中表达方式不同.
图9 BiNAC基因受到NaCl和PEG诱导后的相对表达量
Fig.9 TherelativeexpressionofBiNACgeneinducedbyNaClandPEG
图10 表达载体pBI121GBiNACGGUS的酶切鉴定
Fig.10 ConstructingexpressionvectorofpBI121GBiNACGGUS
注:M1:DNADL15000Marker;1:对照;
2:酶切pBI121GBiNACGGUS;M2:DNADL2000Marker
Note:M1:DNADL15000Marker;1:Control;
2:DigestionofpBI121GBiNACGGUS;M2:DNADL2000Marker
  众多研究发现,大部分 NAC转录因子基因受
多种生物和非生物胁迫影响[18,23],这说明它们在胁
迫应答和信号转导中起到了至关重要的作用.过表
达拟南芥中3个 NAC转录因子基因(ANAC019,
ANAC055和ANAC072)可以增强转基因植株的耐
旱能力[23];水稻OsNAC6基因对高温、低温、高盐、
干旱和ABA都有响应,而转OsNAC6基因水稻对
干旱和高温有很好的耐受性[24];小麦TaNAC2基
因受干旱、高盐和冷处理诱导表达,过量表达TaNG
AC2可以提高植株的耐寒、耐盐和耐旱性[25];干旱、
ABA、盐和 NaCl胁迫可以诱导菊花(ChrysantheG
mummorifolium)DgNAC1基因的表达,过表达该
基因可增强烟草(Nicotianatabacum)的耐盐性[26];
高世庆等[27]对长穗偃麦草(Elytrigiaelongata)
EeNAC9基因研究发现,过表达EeNAC9转基因烟
草表现出对ABA的敏感性,同时可增强对干旱、高
盐的胁迫耐性.本研究的结果显示,BiNAC基因的
表达受 NaCl胁迫的诱导,但模拟干旱(PEG)不能
695
第3期 方志红等:白羊草NAC转录因子基因的克隆及表达分析
诱导BiNAC 基因的表达上调.在 NaCl胁迫下,
BiNAC基因的表达量在短时间内迅速增高,随着胁
迫时间的延长,表达量逐渐降低,说明该基因的表达
受盐胁迫的诱导,推测该基因在响应盐胁迫反应中
起作用,参与白羊草的盐胁迫早期应答.以上结果
说明NAC类转录因子基因对不同非生物胁迫的调
控应答以及调控的程度在不同物种间存在差异.
BiNAC基因可能参与了植物对盐胁迫的响应,
但是在白羊草中的具体作用机制还不清楚,这需要
深入研究BiNAC基因与其他转录因子及调控蛋白
质之间的相互作用,从而阐明BiNAC基因在白羊
草中的生物学功能及其分子机制,为下一步研究该
基因的抗逆机理及其在非生物胁迫调控中的重要作
用提供理论依据.
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(责任编辑 李美娟)
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