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Cloning and Functional Analysis of COR27 from Vitis vinifera

葡萄COR27基因的克隆与抗寒功能研究



全 文 :植物科学学报  2015ꎬ 33(3): 346~354
Plant Science Journal
    DOI:10􀆰 11913 / PSJ􀆰 2095-0837􀆰 2015􀆰 30346
葡萄COR27基因的克隆与抗寒功能研究
范高韬1ꎬ2ꎬ 孙小明2ꎬ 任小蝶3ꎬ 李绍华2ꎬ 辛海平2∗ꎬ 王万军1∗
(1. 西南交通大学生命科学与工程学院ꎬ 成都 610031ꎻ 2. 中国科学院植物种质创新与特色农业
重点实验室ꎬ 中国科学院武汉植物园ꎬ 武汉 430074ꎻ 3. 中国地质大学环境学院ꎬ 武汉 430074)
摘  要: 冬季低温是制约我国葡萄和葡萄酒产业发展的主要因素之一ꎬ 揭示葡萄在冷胁迫下的信号转导通路、 挖
掘抗寒相关基因并解析其功能ꎬ 对高耐寒品种的培育具有重要的理论和应用价值ꎮ 本研究在欧亚种‘玫瑰香’葡
萄(Vitis vinifera L. ‘Muscat Hamburg’)冷胁迫相关转录组分析的基础上ꎬ 鉴定了一个抗寒候选基因ꎬ 通过同源
性分析将其命名为 VvCOR27ꎮ VvCOR27基因的 cDNA序列(1082 bp)中ꎬ 其开放阅读框(ORF)为 909 bpꎬ 编
码 302个氨基酸ꎮ 同源性分析显示ꎬ 13个物种的 COR27 蛋白均具有 3 个特有的保守结构域ꎮ 定量 RT ̄PCR 分
析表明ꎬ VvCOR27在 4℃低温处理 24 h后大量表达ꎮ 基于基因组序列的启动子基序分析表明ꎬ VvCOR27 启动
子区均只含有 1个 EE、 EEL、 G ̄box、 ABREL元件ꎬ 其数量少于 AtCOR27ꎬ 这可能是 VvCOR27 响应冷胁迫较
AtCOR27滞后的原因ꎮ 对 3个超表达 VvCOR27转基因拟南芥株系的抗寒性鉴定表明ꎬ VvCOR27参与了植株对
冷胁迫的应答并作为正调控因子增强了植株对冷胁迫的耐受能力ꎮ
关键词: 葡萄ꎻ COR27基因ꎻ 冷处理ꎻ 抗寒性ꎻ 转基因拟南芥
中图分类号: Q943􀆰2ꎻ S663􀆰1          文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2015)03 ̄0346 ̄09
      收稿日期: 2015 ̄01 ̄20ꎬ 退修日期: 2015 ̄02 ̄14ꎮ
  基金项目: 国家自然科学基金重点项目(31130047)ꎻ 国家科技支撑计划(2013BAD02B04)ꎮ
  作者简介: 范高韬(1989-)ꎬ 男ꎬ 硕士ꎬ 研究方向为葡萄抗逆机理(E ̄mail: fangaotao@126􀆰 com)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: xinhaiping215@hotmail􀆰 comꎻ wanjunwang@home􀆰 swjtu􀆰 edu􀆰 cn)ꎮ
Cloning and Functional Analysis of COR27 from Vitis vinifera
FAN Gao ̄Tao1ꎬ2ꎬ SUN Xiao ̄Ming2ꎬ REN Xiao ̄Die3ꎬ LI Shao ̄Hua2ꎬ
XIN Hai ̄Ping2∗ꎬ WANG Wan ̄Jun1∗
(1. School of Life Science and Engineeringꎬ Southwest Jiaotong Universityꎬ Chengdu 610031ꎬ Chinaꎻ
2. Key Laboratory of Plant Germplasm Enhancement and Specialty Agricultureꎬ Wuhan Botanical Gardenꎬ
Chinese Academy of Sciencesꎬ Wuhan 430074ꎬ Chinaꎻ 3. School of Environmental Studiesꎬ
China University of Geosciencesꎬ Wuhan 430074ꎬ China)
Abstract: Low winter temperature is one of the main factors that affect the development of
grapes and the wine industry in China. Understanding the signal transduction pathway during
cold stress will help in the breeding of high cold ̄resistance cultivars. Based on our previous
transcriptome analysisꎬ a gene that showed increased expression pattern in Vitis vinifera L.
‘Muscat Hamburg’ during cold treatment was identified and named VvCOR27 according to
homological analysis. The whole length of VvCOR27 cDNA was 1082 bpꎬ which contained a
909 bp open reading frame (ORF) and encoded 302 amino acids. Homological analysis of
COR27s from thirteen species showed that they contained three COR27 ̄specific conservative
domains. Real time RT ̄PCR indicated that the transcript abundance of VvCOR27 was highly
increased at 24 h after cold treatment. Four motifsꎬ including EEꎬ EELꎬ G ̄box and ABRELꎬ
were found in the promoter regions ( from published Vitis vinifera genome sequences) of
VvCOR27 but at less quantity than that in the promoter regions of AtCOR27. This may be why
AtCOR27 showed more timely responses to cold treatment than did VvCOR27. Phenotypic
analysis of three overexpression lines under cold treatment indicated that VvCOR27 was
involved in responses to cold stress and enhanced cold tolerance in plants.
Key words: COR27ꎻ Cold treatmentꎻ Cold toleranceꎻ Transgenic Arabidopsis
    中国葡萄主栽区主要分布在北纬 45° ~ 25°范
围内[1ꎬ2]ꎬ 冬季低温是影响我国葡萄及葡萄酒产业
发展的重要环境因子之一ꎮ 而目前主栽的欧亚种
(Vitis vinifera L.)和欧美杂交种(hybrid between
V. vinifera L. and V. labrusca L.)品种抗寒能力
差ꎬ 冬季需在植株基部覆土防寒ꎬ 否则在温度低于
-15℃时会发生严重冻害ꎬ 严重影响葡萄生产ꎬ 甚
至会导致树体死亡ꎬ 因此提高葡萄的抗寒性是我国
葡萄产业中亟待解决的重要课题ꎮ 选育并推广高抗
寒葡萄品种能够大幅度地降低生产成本(如覆土及
去土成本)ꎬ 提高我国葡萄产业在国内外市场上的
竞争力ꎬ 对实现我国葡萄产业的可持续发展具有十
分重要的意义ꎮ
我国于 20 世纪 50 年代开始进行葡萄抗寒育
种[3-5]ꎮ 山葡萄(V. amurensis Rupr.)是葡萄属中
最抗寒的品种ꎬ 可耐受-40℃ ~ -50℃的极端低
温[6]ꎬ 因此被广泛作为杂交亲本ꎬ 并从山欧杂种
中选育出了数个抗寒优良酿酒品种[2ꎬ3]ꎮ 但由于杂
交育种工作量大、 周期长、 调控植株耐寒性和果实
品质性状的基因间存在连锁等原因[5]ꎬ 选育的抗
寒品种无论在数量上或综合性状上都远远不能满足
我国葡萄产业的需求ꎮ 通过揭示葡萄对冷胁迫的响
应机制ꎬ 深入挖掘冷胁迫下信号转导通路中的关键
基因ꎬ 利用转基因技术改良其抗寒性ꎬ 在葡萄抗寒
育种中具有极大的优势与广阔的应用前景[7ꎬ8]ꎮ
植物响应冷信号的机理在模式植物拟南芥中研
究最为集中ꎮ 目前已经确立了以 CBFs(CRT / DRE
Binding Factors ) 转录因子为核心ꎬ 以 HOS1
( High Expression of Osmotically Responsive
Genes 1)、 ICE1( Inducer of CBF Expression)等
基因为 CBFs 上游调控信号ꎬ 以 RD29A ( Re ̄
sponse to Dehydration 29A)、 COR15A ( Cold ̄
Regulated Gene 15A)等为 CBFs下游调控信号的
基因调控网络[9]ꎻ 同时也发现存在其他调控途径ꎬ
并共同在冷驯化过程中起作用[10]ꎮ 而葡萄耐寒机
制的研究基本上处于起步阶段ꎬ Xiao 等[11ꎬ12]分离
了河岸葡萄 ( V. riparia)和欧亚种葡萄的 CBF /
DREB1 ̄like基因 CBF1 ̄4ꎬ 发现低温处理后 CZBF4
上调表达且能够维持一定的表达水平ꎬ 据此推测
CBF4可能和葡萄越冬相关ꎻ Li等[13ꎬ14]从欧亚种葡
萄‘玫瑰香’中克隆了 ICE1和 HOS1基因ꎬ 并通过
拟南芥转基因系统验证了其在冷胁迫响应中的功
能ꎻ Tillett等[8]利用过表达 VvCBF4 的葡萄植株ꎬ
通过转录组分析对 VvCBF4的下游基因进行了初步
鉴定ꎮ 此外ꎬ 由于山葡萄抗寒性极强ꎬ 近年来对其
耐寒机理的研究也成为了热点[15]ꎬ 目前已完成了
山葡萄中 CBFs 和 ICE1 基因的克隆和功能验
证[16-20]ꎮ 但整体而言ꎬ 我们对葡萄冷胁迫下相关
基因的功能及响应冷胁迫的信号转导通路了解甚
少ꎮ
笔者所在课题组分析‘玫瑰香’葡萄(V. vini ̄
fera L. ‘Muscat Hanburg’)的转录组数据时发现
了一个在冷处理后期显著上调表达的基因ꎬ 通过在
NCBI数据库中比对发现其序列与 COR27(Cold ̄
Regulated Gene 27)基因具有较高的同源性ꎬ 因
此将其命名为 VvCOR27ꎮ COR27为植物中发现的
受冷胁迫诱导的小分子量蛋白[21-22]ꎮ Mikkel ̄
sen[21]基于芯片数据的分析结果对 AtCOR27(Ara ̄
bidopsis thaliana)基因的表达模式进行了研究ꎬ
发现其在拟南芥中只对冷胁迫有响应ꎻ COR27 基
因启动子区域含有 EE(Evening Elementꎬ 序列为
AAAATATCT)顺式作用元件ꎬ 其表达受昼夜节律
调控信号的影响ꎮ 目前还未见 COR27 可以增加植
物抗寒性的报道ꎮ
为深入了解 VvCOR27 基因编码区结构特点ꎬ
本研究拟从‘玫瑰香’葡萄中克隆其编码序列ꎬ 并
与已公布的‘黑比诺’葡萄(PN40024)基因组注释
信息进行比较ꎻ 对 VvCOR27可能编码的氨基酸序
列进行分析ꎬ 并与其他物种中已经报道的 COR27
基因序列进行同源比对ꎻ 同时收集‘玫瑰香’葡萄
4℃低温下不同处理时间点的叶片ꎬ 检测VvCOR27
在表达水平上对冷胁迫的响应ꎻ 利用 VvCOR27 编
码区核苷酸序列构建 35S 启动子驱动的过表达载
体转化拟南芥ꎬ 并对阳性植株的抗寒能力进行评
743  第 3期                        范高韬等: 葡萄COR27基因的克隆与抗寒功能研究
估ꎬ 以验证 VvCOR27基因在葡萄响应冷胁迫中的
作用ꎬ 同时也为揭示葡萄响应冷胁迫的信号通路提
供依据ꎮ
1  材料与方法
1􀆰 1  实验材料
‘玫瑰香’葡萄为中国科学院武汉植物园园艺作
物生物学课题组保存的组培苗ꎬ 其培养基为 1 / 2 B5
培养基 + 30 g / L 蔗糖ꎬ 光周期为 16 h 光照 / 8 h黑
暗ꎬ 光照强度为 100 μmol􀅰m-2􀅰s-1ꎬ 培养温度为
26℃ꎮ 培养 30 d后以茎段作为外植体继代一次ꎮ
转化材料拟南芥为 Columbia ̄0 野生型ꎮ 将拟
南芥种子置于 4℃冰箱中 2 ~ 3 d 完成春化处理ꎬ
然后播种在装有泥炭土的塑料盆中(口径 10 cm)ꎬ
25℃条件下暗培养 2 d 后再置于湿度为 40% ~
60%的人工气候室中培养(16 h光照 / 8 h黑暗)ꎮ
1􀆰 2  实验方法
1􀆰 2􀆰 1  低温处理
将‘玫瑰香’葡萄组培苗(具有 5片展开的功能
叶)放入光周期为 16 h 光照 / 8 h 黑暗、 光强为
100 μmol􀅰m-2􀅰s-1的 4℃低温光照培养箱中进行冷
处理ꎬ 并在 0、 2、 4、 8、 24、 48 h 时收集植株顶
芽及第一片展开叶(每一处理时间点取 3 个重复样
品)ꎬ 液氮速冻后-70°C超低温冰箱保存、 备用ꎮ
1􀆰 2􀆰 2  总 RNA提取和 cDNA合成
分别取冷处理 0、 2、 4、 8、 24、 48 h 时的
‘玫瑰香’葡萄样品ꎬ 用北京天恩泽柱式植物总
RNAOUT 2􀆰 0试剂盒分别提取每一处理时间点 3
个样品的总 RNAꎻ 采用 RQ1 Rnase ̄free Dnase Ⅰ
(Promegaꎬ USA)去除基因组 DNA 后ꎬ 再用 Su ̄
perScript Ⅲ Reverse Transcriptase ( Invitrogenꎬ
USA)将 RNA反转录成 cDNAꎮ
1􀆰 2􀆰 3  VvCOR27基因的克隆
以‘玫瑰香’ 葡萄转录组数据库中得到的
VvCOR27 序列片段为基础ꎬ 结合已公布的‘黑比
诺’葡萄基因组注释信息ꎬ 运用 Primer Premier
5􀆰 0软件设计扩增 VvCOR27 编码区全长的引物
(VvCOR27F ̄SacⅠ和 VvCOR27R ̄KpnⅠꎬ 表 1)ꎮ
引物由武汉擎科创新生物科技有限公司合成(下
同)ꎮ 以冷处理 24 h 时的‘玫瑰香’葡萄 cDNA 为
模版进行编码区扩增ꎻ 利用 TIANgel Midi Purifica ̄
tion kit DP209试剂盒对得到的 PCR扩增产物进行
割胶回收ꎻ 将回收产物连接到 pGEM ̄T ̄easy 载体
上并利用 T7和 SP6引物进行测序ꎮ
1􀆰 2􀆰 4  生物信息学分析
利用 ORF finder 程序(http: / / www.ncbi. nlm.
nih.gov / gorf / gorf.html)预测 VvCOR27 的编码区
序列(开放阅读框)ꎮ 使用 Protparam 程序(http: / /
web.expasy.org / cgi ̄bin / protparam / )对蛋白质的
基本理化性质进行分析ꎮ 在 NCBI 数据库中利用
blastp搜索 VvCOR27的同源蛋白后ꎬ 使用 MEME
软件(http: / / meme.nbcr.net / meme / )对其氨基酸
序列进行相似性比对和保守结构域预测ꎻ 并采用
MEGA 5􀆰1软件对不同物种中 COR27 蛋白进行系
统发育分析ꎮ 基于葡萄基因组数据库的序列信息ꎬ
利用 PlantCare在线分析 VvCOR27 基因的启动子
区域顺式作用元件 ( http: / / bioinformatics. psb.
ugent.be / webtools / plantcare / html / )ꎮ
表 1  VvCOR27基因序列及定量 RT ̄PCR扩增引物
Table 1  Primers used in VvCOR27 sequence amplication and real ̄time RT ̄PCR analysis
引物
Primers
序列
Sequence(5′– 3′)
产物长度(bp)
Length of products
VvCOR27 F ̄SacⅠ GAGCTCATGGCCGAGAATCTTCGTCCG
VvCOR27R ̄KpnⅠ GGTACCAAGGAATTCAGCTCTCATCCAAAC
921
VvCOR27 F ̄RT GAGGGTTGTGGGAGTGCG
VvCOR27R ̄RT AACTGTGCTTCTCATCTGTCCAT
139
VvActin ̄F CTTGCATCCCTCAGCACCTT
VvActin ̄R TCCTGTGGACAATGGATGGA
63
AtACT2  ̄F TTACCCGATGGGCAAGTCA
AtACT2  ̄R AAACGAGGGCTGGAACAAGA
75
hptII ̄F CTTCTGCGGGCGATTTGT
hptII ̄R GCCGTGGTTGGCTTGTATG
213
843 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
1􀆰 2􀆰 5  定量 RT ̄PCR分析
依据克隆得到的 VvCOR27基因序列信息设计
定量 RT ̄PCR 引物 (VvCOR27 F ̄RT 和 VvCOR27
R ̄RTꎬ 表 1)ꎮ 以 VvActin 基因(引物为 VvActin ̄F
和 VvActin ̄Rꎬ 表 1)为内参ꎬ 参照 FastStart Uni ̄
versal SYBR Green Master(Rox)试剂盒说明书ꎬ
运用 ABI StepOnePlusTM实时荧光定量 PCR 仪检
测 VvCOR27基因在‘玫瑰香’葡萄分别冷处理 0、
2、 4、 8、 24、 48 h时的表达水平ꎮ
1􀆰 2􀆰 6  超表达VvCOR27转基因拟南芥的获得
利用扩增基因片段的 PCR 引物(VvCOR27 F ̄
SacⅠ和 VvCOR27R ̄KpnⅠꎬ 表 1)上的酶切位点
(SacⅠ和 KpnⅠ)ꎬ 将 VvCOR27 编码区序列连接
到 pCambia1301s 载体中ꎬ 构建超表达载体
pCambia1301s∷VvCOR27ꎻ 采用电击法将质粒转
化到农杆菌菌株 GV3101中ꎬ 再用浸花法将超表达
载体导入拟南芥中ꎻ 收取 T0代种子ꎬ 播种后利用
潮霉素筛选出 T1代转基因拟南芥株系ꎮ 提取野生
型和 3个超表达 VvCOR27转基因拟南芥株系的基
因组 DNAꎬ 利用 PCR 扩增 VvCOR27(引物为 Vv ̄
COR27 F ̄SacⅠ和 VvCOR27 R ̄KpnⅠꎬ 表 1)和
潮霉素基因(引物为 hptⅡ ̄F 和 hptⅡ ̄Rꎬ 表 1)ꎬ
则潮霉素基因和 VvCOR27基因扩增均为阳性的植
株是成功转化植株ꎮ 当阳性植株成熟后收取 T2代
种子ꎬ 继续播种、 筛选获得 T3代转基因株系纯合
植株ꎮ
提取野生型和 3个超表达 VvCOR27转基因拟
南芥株系新鲜叶片的总 RNAꎬ 用 SuperScript Ⅲ
Reverse Transcriptase( Invitrogenꎬ USA)将其反
转录成 cDNA(方法同 1􀆰 2􀆰 2)后ꎬ 以 Actin 基因为
内参进行 RT ̄PCR扩增(引物为 VvCOR27 F ̄RT 和
VvCOR27 R ̄RTꎬ 表 1)ꎬ 检测 T3转基因拟南芥株
系中 VvCOR27基因的表达水平ꎮ
1􀆰 2􀆰 7  转基因拟南芥植株的抗寒表型鉴定
将野生型和 3个超表达 VvCOR27转基因拟南
芥株系的 T3种子置于 4℃春化 2 d后ꎬ 播种在装有
泥炭土的塑料盆(口径 10 cm)中ꎬ 每盆留苗 7 株ꎻ
21 d后将拟南芥植株置于低温光照培养箱中进行
梯度冷处理ꎬ 即: -1℃ 8 h、 -3℃ 3 h、 -5℃ 3 h、
-7℃ 3 h、 -9℃ 2 hꎻ 然后将拟南芥植株置于 4°C
低温条件下避光放置 8 hꎬ 再移至温室观察其生长
情况ꎬ 并统计存活率ꎮ
2  结果与分析
2􀆰 1  VvCOR27的 cDNA克隆及同源比对分析
根据‘玫瑰香’葡萄转录组测序得到的 COR27
序列片段设计特异引物ꎬ 通过同源克隆扩增出该基
因全长ꎮ 其序列与‘黑比诺’葡萄基因组上编号为
GSVIVT01031734001的编码区序列完全一致ꎻ 再
通过在 NCBI数据库中利用 blastp 进行同源比对ꎬ
发现其蛋白序列与 TcCOR27(XP_ 007042434􀆰1)
基因具有 40%的一致性ꎬ 故命名为 VvCOR27ꎮ 该
基因的 cDNA序列全长为 1082 bpꎬ 其开放阅读框
(ORFꎬ 图 1)为 909 bpꎬ 编码 302 个氨基酸ꎮ 通
过对 GSVIVT01031734001的 DNA序列分析发现ꎬ
VvCOR27由 5个外显子(exon)和 4 个内含子( in ̄
tron)构成(图 1)ꎬ 其中第 1个内含子的序列最长ꎬ
mRNA 5
DNA 5
bp
Untranslated region(UTR) Coding sequence(CDS) Intron
3
3
120 159 5044 180 82 295 2199 116 128 159 173
图 1  VvCOR27基因结构
Fig􀆰 1  Gene structure of VvCOR27
为 5044 bpꎮ Protparam分析结果显示ꎬ VvCOR27
编码的蛋白质分子量为 33 kDꎬ 理论 pI为 6􀆰8ꎻ 氨
基酸组成上以丝氨酸 ( Ser ) 含量为最高ꎬ 达
14􀆰 2%ꎬ 其次为亮氨酸(Leu)和丙氨酸(Ala)ꎬ 分
别为 8􀆰 3%和 7􀆰 0%ꎻ 不稳定系数( instability indexꎬ
II)为 52􀆰 24ꎬ 表明其稳定性较差ꎻ 平均疏水性系数
(grand average of hydropathicityꎬ GRAVY ) 为
-0􀆰 747ꎬ 表明其为亲水性蛋白ꎮ 对 VvCOR27的氨
基酸序列进行的亚细胞定位分析 ( http: / / www.
cbs.dtu.dk / services / TargetP / )表明ꎬ 未发现定位
到细胞器的功能元件ꎮ
利用推测的 VvCOR27 氨基酸序列在 NCBI 数
据库中进行 blastp 搜索ꎬ 并从其序列比对结果中
挑选相似性较高的 12 条 COR27 蛋白序列ꎬ 进一
943  第 3期                        范高韬等: 葡萄COR27基因的克隆与抗寒功能研究
步与 VvCOR27 进行同源比对和保守结构域分析
(图 2)ꎮ 结果显示ꎬ 13条 COR27蛋白共有 3个结
构域ꎬ 其中第 1、 2个结构域存在于所有分析成员
中ꎬ 而第 3个结构域在 PpCOR27中缺失ꎻ 这 3个
保守的结构域可能与 COR27 的功能密切相关ꎮ 利
用 MEGA 5􀆰1 软件对 13 条 COR27 蛋白序列进行
系统发育分析ꎬ 发现 COR27 蛋白可被分为 2 大类
(图 3)ꎬ 其中 PmCOR27、 VvCOR27、 CsCOR27、
CcCOR27和 TcCOR27聚为一枝ꎬ 其余 COR27 蛋
白聚为一枝ꎻ VvCOR27与梅的 PmCOR27(Prunus
mume)同源性最高ꎮ
2􀆰 2  冷处理下VvCOR27基因的表达分析
‘玫瑰香’葡萄 VvCOR27 基因在 4℃低温下不
同冷处理时间点的定量 RT ̄PCR 分析(图 4)表明ꎬ
冷处理早期(0 ~ 8 h)ꎬ VvCOR27基因的表达量并
没有发生明显变化ꎻ 至冷处理 24 h和 48 h时ꎬ 其
Motif Location
VvCOR27
TcCOR27
NnCOR27
PmCOR27
MdCOR27
CsCOR27
FvCOR27
PtCOR27
AtCOR27
PpCOR27
CcCOR27
RcCOR27
PdCOR27
Combined
Name p-value
2 82e-60.
1 88e-51.
9 63e-64.
4 09e-57.
1 20e-76.
4 96e-51.
2 35e-75.
5 98e-65.
1 90e-47.
1.13e-59
6.85e-44
2.98e-67
2.31e-53
0 50 100 150 200 250 300
Motif 1
Motif 1
Motif 2
Motif 2
Motif 3
Motif 3
4
4
4
3
3
3
2
2
2
1
1
1
0
0
0
2 0e-199.
13 sites
2 1e-114.
13 sites
3 8e-079.
11 sites
bi
ts
bi
ts
bi
ts
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
TcCOR27: Theobroma cacao (GenBank accession No.: XP_ 007042434)ꎻ PmCOR27: Prunus mume (XP_
008236586)ꎻ NnCOR27: Nelumbo nucifera ( XP _ 010269865 )ꎻ MdCOR27: Malus domestica ( XP _
008378045)ꎻ CsCOR27: Citrus sinensis (XP_ 006487109)ꎻ FvCOR27: Fragaria vesca subsp. vesca (XP_
004291104)ꎻ PtCOR27: Populus trichocarpa ( XP _ 006374936 )ꎻ AtCOR27: Arabidopsis thaliana ( NP _
851121)ꎻ PpCOR27: Prunus persica ( XP_ 007227547)ꎻ CcCOR27: Coffea canephora (CDO97180)ꎻ Rc ̄
COR27: Ricinus communis (XP_ 002510212)ꎻ PdCOR27: Phoenix dactylifera (XP_ 008805274) . Same below.
图 2  不同植物 COR27蛋白氨基酸序列的保守结构域分析
Fig􀆰 2  Conserved domain analysis of COR27 amino acid sequences from thirteen plant species
053 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
VvCOR27
TcCOR27
NnCOR27
PmCOR27
MdCOR27
CsCOR27
FvCOR27
PtCOR27
AtCOR27
PpCOR27
CcCOR27
RcCOR27
PdCOR27
51
45
100
82 66
31
95
50
81
61
0 1.
图 3  不同植物 COR27 NJ进化树分析
Fig􀆰 3  Neighbor ̄joining phylogenetic tree of
COR27 from thirteen plant species
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 8 24 48
!"#$ ( )h
Treatment time
%
&

(
)
R
el
at
iv
e
ex
pr
es
si
on
图 4  qRT ̄PCR分析低温诱导下 VvCOR27的表达
Fig􀆰 4  qRT ̄PCR analysis of the expression of
VvCOR27 under cold treatment
相对表达量分别上调约 50 倍和 140 倍ꎬ 说明 Vv ̄
COR27能够响应冷胁迫ꎬ 且其表达受到其他冷胁
迫相关基因的诱导ꎬ 即在冷处理后期才开始大量
表达ꎮ
2􀆰 3  VvCOR27启动子调控元件分析
基于 VvCOR27在冷胁迫(4℃低温)下的表达
量变化ꎬ 和‘黑比诺’葡萄基因组上GSVIVT010317
34001 序列翻译起始位点 ATG 前面的一段
1200 bp序列ꎬ 并结合 AtCOR27(At5g42900)的
启动子序列分析结果[21]ꎬ 我们对 VvCOR27 的启
动子序列进行了分析(图 5)ꎮ 就 EE、 EEL(Eve ̄
ning Element ̄like)、 G ̄box 和 ABREL (ABA Re ̄
sponse Element ̄like)4 种基序而言ꎬ AtCOR27 和
VvCOR27 的启动子序列间存在明显差异ꎮ At ̄
COR27启动子区含有 2 个 EE、 2 个 EEL 和 2 个
G ̄box元件ꎬ 而 VvCOR27启动子区均只含有一个
EE、 EEL 和 G ̄box 元件ꎻ 与 AtCOR27 启动子序
列相比ꎬ VvCOR27启动子区 EEL元件的位置更靠
近翻译起始位点ꎮ AtCOR27 和 VvCOR27 在启动
子区的序列差别可能是其响应冷胁迫表达模式不同
的原因ꎬ 其中拟南芥 AtCOR27 对冷胁迫的响应较
早ꎬ 4℃低温处理 1 h 时其表达量迅速上调并随处
理时间的延长而持续增加[21]ꎮ
2􀆰 4  超表达VvCOR27 转基因拟南芥株系的抗寒
性鉴定
为了进一步验证 VvCOR27 的基因功能ꎬ 我们
构建了 35S启动子驱动的 VvCOR27 超表达载体ꎬ
并采用浸花法将其导入拟南芥ꎻ 以野生型和 T1代
转基因拟南芥株系的基因组 DNA 为模版分别对
VvCOR27 和潮霉素抗性基因进行扩增(图 6: Aꎬ
B)ꎬ 结果表明所选择的 3 个株系(图 6: Line 1 ~
3)均含有转基因序列ꎮ 以拟南芥 ACT2 为内参基
因ꎬ 对 Line 1 ~ 3的 T3代植株 VvCOR27基因表达
水平的 RT ̄PCR 分析表明 (图 6: Cꎬ D)ꎬ Vv ̄
COR27在 3个株系的 T3代植株中表达正常ꎮ
    将野生型和 T3代转基因拟南芥株系 Line 1 ~ 3
的纯合植株进行梯度低温处理并统计存活率(图
7)ꎬ 发现野生型拟南芥叶片均出现水渍状伤害ꎬ
而超表达 VvCOR27转基因拟南芥株系受伤害程度
小于野生型ꎻ 结束低温胁迫恢复正常生长后ꎬ 野生
-1200 -1069 -758 -377 -254 -162 -1
AtCOR27
VvCOR27
AAAATATCT AATATCT CACGTG ACGTG
EE EEL G-box ABREL
图 5  AtCOR27和 VvCOR27启动子区的基序比较分析
Fig􀆰 5  Comparison of the motifs in the promoter region of AtCOR27 and VvCOR27
153  第 3期                        范高韬等: 葡萄COR27基因的克隆与抗寒功能研究
WT WTLine 1 Line 1Line 2 Line 2Line 3 Line 3
A
B
C
D
WT: 野生型拟南芥ꎻ Line 1~3: 超表达 VvCOR27转基因拟南芥株系ꎮ A: VvCOR27插入片段在野生型和 T1
代转基因拟南芥株系 DNA中的扩增ꎻ B: 潮霉素 B抗性基因 hpt Ⅱ在野生型和 T1代转基因拟南芥株系 DNA
中的扩增ꎻ C: VvCOR27在野生型和 T3代转基因拟南芥株系中的表达水平检测ꎻ D: 拟南芥 ACT2 作为内参
基因ꎮ
WT: Wild Arabidopsis typeꎻ Line 1 - 3: Over ̄expressed VvCOR27 transgenic Arabidopsis plant. A: Amplifi ̄
cation of VvCOR27 in wild Arabidopsis type and over ̄expressed transgenic Arabidopsis plantꎻ B: Amplifica ̄
tion of hygromycin B resistant hpt Ⅱgene in wild Arabidopsis type and over ̄expressed transgenic Arabidop ̄
sis plantꎻ C: Expression of VvCOR27 in wild Arabidopsis type and over ̄expressed transgenic Arabidopsis
T3 plantꎻ D: ACT2 in Arabidopsis was used as an internal control.
图 6  超表达VvCOR27拟南芥株系的 PCR扩增鉴定及转基因表达检测
Fig􀆰 6  Validation of insert and expression for VvCOR27 in transgenic Arabidopsis plant
A
B
WT Line 1 Line 2 Line 3
C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
WT Line 1 Line 2 Line 3
!
"
#
(%
)
Su
rv
iv
al
ra
te
A: 对照ꎻ B: 冷处理ꎻ C: 成活率ꎮ
A: CKꎻ B: Cold treatmentꎻ C: Survival rate.
图 7  转基因拟南芥植株的抗寒性鉴定
Fig􀆰 7  Cold tolerance indentification of transgenic Arabidopsis plants
型拟南芥的存活率为 43􀆰 88%ꎬ 而超表达 Vv ̄
COR27转基因拟南芥株系(Line 1~ 3)的存活率显
著高于野生型ꎬ 分别为 79􀆰55%、 82􀆰86%和 78􀆰25%
(图 7: C)ꎮ 这说明超表达 VvCOR27 增强了拟南
芥的抗寒能力ꎬ 即 VvCOR27参与了植株对冷胁迫
的应答并作为正调控因子增强了植株对冷胁迫的耐
253 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
受能力ꎮ
3  讨论
植物对低温的响应是一个复杂的过程ꎬ 包括低
温感受和早期信号转导、 基因表达水平变化、 蛋白
质修饰和代谢、 初生和次生代谢产物的变化、 植物
细胞结构的改变等[9ꎬ10]ꎮ 从目前报道的拟南芥转录
组水平的分析来看ꎬ 冷胁迫下至少有上千种基因的
表达水平发生了变化ꎬ 并且其表达谱随着冷处理时
间的延长而持续变化[22]ꎮ 葡萄响应冷胁迫的转录
组数据分析也得到了类似的结果[23ꎬ24]ꎬ 但这些基
因是如何参与植物响应冷胁迫的过程我们仍知之甚
少ꎬ 因此冷胁迫相关基因的克隆和功能分析对解析
植物应对低温的反应机制具有重要作用ꎮ
COR27基因是根据其蛋白质分子量及对冷胁
迫的响应而命名的[21]ꎮ 本实验克隆的 VvCOR27
基因编码 302 个氨基酸ꎬ 其蛋白预测分子量
(33 kD)大于 AtCOR27ꎬ 但它和已报道或者推测
的 COR27 基因成员具有相同的保守结构域 (图
2)ꎮ 在这 3个保守结构域序列在 NCBI等数据库中
进行的检索结果中ꎬ 未找到相关的注释ꎬ 我们初步
预测这 3 个保守结构域和 COR27 的功能密切相
关ꎬ 但需进一步的实验来验证ꎮ 启动子区域顺式作
用元件的分析结果表明ꎬ VvCOR27 与 AtCOR27
启动子序列之间存在部分共线性关系(图 5)ꎻ 与
AtCOR27启动子序列相比ꎬ VvCOR27 启动子区均
只含有一个 EE、 EEL和 G ̄box元件ꎬ 且其 EEL元
件的位置更靠近翻译起始位点ꎬ 两者在启动子区的
序列差别可能是拟南芥和葡萄对冷胁迫响应速度不
同的原因ꎮ 作为植物低温响应过程中重要的转录因
子ꎬ CBF 通过结合下游基因启动子 CRT / DRE 作
用元件来调控其表达水平[9ꎬ10]ꎮ 而对 VvCOR27 启
动子区域调控元件的分析发现ꎬ 其启动子区不存在
CBF 基因可以结合的 CRT / DRE 作用元件ꎬ 表明
VvCOR27在冷胁迫下的表达不受 CBF基因的直接
调控ꎮ 此外ꎬ 对 VvCOR27启动子区域反式作用因
子的鉴定和顺式作用元件的缺失、 增加以及相应的
转录活性测定ꎬ 有助于解释其在冷胁迫下的基因表
达模式成因ꎮ
‘玫瑰香’属于欧亚种葡萄ꎬ 果实香味浓郁ꎬ
可鲜食、 制汁和酿酒ꎬ 但其枝条和休眠芽在冬季温
度低于-15℃时将会发生严重冻害ꎮ 山葡萄是葡萄
属中最抗寒的品种ꎬ 可抵御冬季-40℃低温而不影
响翌年的丰产[1-6]ꎬ 因此研究山葡萄的高抗寒性机
理将为进一步定向改良优质、 低抗寒性的欧亚种葡
萄提供重要理论依据ꎮ 作为响应冷胁迫且能够增加
植株抗寒性的 VvCOR27基因ꎬ 在山葡萄中的编码
序列特征和表达模式还未见报道ꎬ 故克隆山葡萄的
COR27基因并检测其在冷胁迫下的响应模式ꎬ 比
较其编码区和启动子区与 VvCOR27之间的序列差
别ꎬ 也将为揭示山葡萄的高抗寒机理提供支持ꎮ
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(责任编辑: 刘艳玲)
453 植 物 科 学 学 报 第 33卷