全 文 :植物科学学报 2014ꎬ 32(4): 371~382
Plant Science Journal
DOI: 10 3724 / SP J 1142 2014 40371
抱茎独行菜种皮粘液质相关基因TTG1的
克隆、 表达分析及功能鉴定
曹 婧1∗ꎬ 徐栋生1∗ꎬ 黄代红1ꎬ 袁军文1ꎬ2ꎬ 赵 娟1ꎬ 王文艳1ꎬ 兰海燕1∗∗
(1. 新疆大学生命科学与技术学院ꎬ 新疆生物资源基因工程重点实验室ꎬ 乌鲁木齐 830046ꎻ
2. 新疆生产建设兵团种子管理总站ꎬ 乌鲁木齐 830011)
摘 要: 抱茎独行菜(Lepidium perfoliatum L.)为十字花科具典型粘液质繁殖体植物ꎬ 而 TTG1 基因(Transpa ̄
rent testa glabra 1)所编码的蛋白是调控种皮细胞分化并影响粘液质释放的转录因子ꎮ 目前关于 TTG1 基因在粘
液质繁殖体植物中的研究报道较少ꎬ 为探究 TTG1 基因在抱茎独行菜粘液质发育中的作用ꎬ 本研究利用同源克
隆技术获得抱茎独行菜 TTG1 基因 cDNA 开放阅读框(ORF)序列ꎬ 命名为 LpTTG1ꎮ 序列分析表明ꎬ 该基因
ORF全长为 1032 bpꎬ 编码 343个氨基酸ꎬ 含有 WD40基序ꎻ qRT ̄PCR分析结果显示ꎬ 该基因在抱茎独行菜各
组织中均有表达ꎬ 反映了该基因功能的多样性ꎻ 免疫组织化学定位结果表明ꎬ LpTTG1在种子发育过程中内珠被
和外珠被的表达水平变化与外珠被粘液质的合成过程相一致ꎬ 推测该基因可能参与调控抱茎独行菜种皮的发育
及粘液质的形成ꎮ 将 LpTTG1 基因转化拟南芥ꎬ 该基因的过量表达显著促进了粘液质合成途径下游基因 At ̄
MUM4在角果中的表达ꎬ 表明该基因有可能参与粘液质合成途径调控ꎬ 并促进下游产物 MUM4 的产生ꎮ 然而ꎬ
对 LpTTG1转基因拟南芥与野生型植株表型的比较发现ꎬ 两者种子形态及粘液质分泌与释放方式均无显著差异ꎬ
这可能是因为抱茎独行菜种皮发育和粘液质形成是一个多基因调控的复杂过程ꎬ 某一基因的过量表达也许不会
引起明显的表型变化ꎮ
关键词: 抱茎独行菜ꎻ 粘液质合成ꎻ 免疫组化ꎻ TTG1基因ꎻ qRT ̄PCR
中图分类号: Q78 文献标识码: A 文章编号: 2095 ̄0837(2014)04 ̄0371 ̄12
收稿日期: 2014 ̄02 ̄12ꎬ 退修日期: 2014 ̄03 ̄19ꎮ
基金项目: 国家自然科学基金(30860020)ꎻ 中国教育部留学回国学者基金项目(2006 ̄2008)ꎮ
作者简介: 曹婧(1990-)ꎬ 女ꎬ 硕士研究生ꎬ 研究方向为植物抗逆分子生物学(E ̄mail: jingyu90217@163 com)ꎻ 徐栋生(1988-)ꎬ
男ꎬ 博士研究生ꎬ 研究方向为植物抗逆分子生物学(E ̄mail: xudongsheng1122@163 com)ꎮ
∗为共同第一作者ꎮ
∗∗通讯作者(Author for correspondence E ̄mail: lanhaiyan@xju edu cn)ꎮ
Cloningꎬ Characterizationꎬ and Functional Analysis of Seed Coat
Mucilage ̄related Gene TTG1 from Lepidium perfoliatum
CAO Jing1∗ꎬ XU Dong ̄Sheng1∗ꎬ HUANG Dai ̄Hong1ꎬ YUAN Jun ̄Wen1ꎬ2ꎬ
ZHAO Juan1ꎬ WANG Wen ̄Yan1ꎬ LAN Hai ̄Yan1∗∗
(1. Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineeringꎬ College of Life Science and Technologyꎬ
Xinjiang Universityꎬ Urumqi 830046ꎻ 2. Seed Administration Bureau of Xinjiang
Production and Construction Corpsꎬ Urumqi 830011)
Abstract: Lepidium perfoliatumꎬ an annual herb plant species of Brassicaceaeꎬ has a typical
myxospermy. The TTG1 (Transparent testa glabra 1) gene encodes a putative transcription
factorꎬ which has been identified to play a role in epidermal cell differentiation and mucilage
release. Till nowꎬ research on the TTG1 gene in myxospermy plants has been rarely reported.
To identify TTG1 gene functionꎬ mucilage related gene LpTTG1 from L. perfoliatum was cloned
in the present study. The full length ORF of the TTG1 gene from L. perfoliatum was isolated by
homologous cloningꎬ and was found to be 1032 bp longꎬ encoded 343 putative amino acids
and contained WD40 motifsꎬ named as LpTTG1. The qRT ̄PCR results showed that LpTTG1
was widely expressed in different tissues of L. perfoliatumꎬ which may reflect diverse functions
of LpTTG1. Moreoverꎬ immunolocalization analysis indicated that the expression of LpTTG1
changed in inner and outer integuments and corresponded to the synthesis of mucilage in
outer integument cell layersꎬ suggesting that LpTTG1 mainly regulates the development of the
seed coat then applies the effect on mucilage production. Furthermoreꎬ overexpression of
LpTTG1 in Arabidopsis could significantly enhance the expression of AtMUM4 ( which
developmentally regulates mucilage production downstream) in siliqueꎬ which means LpTTG1
attends to the mucilage regulation pathway and generates more downstream product ̄MUM4 in
promotion of mucilage synthesis. In our experimentꎬ howeverꎬ no significant difference in seed
morphology and release patternꎬ or the secretion amount of mucilage between LpTTG1
overexpression transgenic line and WTꎬ was observed. One possible explanation may be that
mucilage synthesis and release is a complex process in Arabidopsisꎬ and is regulated by
many genes with functional redundancyꎬ therefore increasing the transcription level with one of
them during development may not result in significant phenotype change.
Key words: Lepidium perfoliatumꎻ Mucilage synthesisꎻ Immunolocalizationꎻ TTG1 geneꎻ
qRT ̄PCR
种皮粘液质是由外种皮细胞的高尔基体产生并
分泌到胞腔或胞壁层的果胶类多糖物质[1ꎬ2]ꎬ 干燥
种子遇水后粘液质立刻释放ꎬ 形成透明胶质包被整
个种子ꎬ 此类种子即为粘液质繁殖体[3]ꎮ 抱茎独
行菜(Lepidium perfoliatum L.)为十字花科(Cru ̄
ciferae)独行菜属(Lepidium)一年或二年生草本植
物ꎬ 其种子为典型粘液质繁殖体ꎬ 广泛分布于新疆
干旱荒漠区的各种生境ꎮ 粘液质的存在对粘液繁殖
体种子的储存、 扩散、 萌发、 防御及幼苗生长等均
具有重要生物学意义[4-7]ꎬ 是粘液质繁殖体植物适
应荒漠环境的有效对策之一ꎮ TRANSPARENT
TESTA GLABRA1 (TTG1) 基因编码一个经典的转
录因子 WD40 ̄repeat 蛋白ꎬ 此蛋白家族在许多植
物的主要器官均有表达ꎬ 在信号转导、 细胞周期调
控、 RNA剪接、 囊泡运输和转录等方面行使重要
功能[8]ꎮ 在拟南芥粘液质合成和释放过程中ꎬ
TTG1基因是位于种皮分化及粘液质产生调控途径
上游的调控因子[8]ꎮ 对拟南芥 TTG1基因的相关研
究显示ꎬ 该基因在拟南芥主要器官中均有表达ꎻ 在
种子种皮形成的初始阶段不发挥作用ꎬ 但在粘液质
分泌细胞形成过程中表达ꎬ 对维持细胞分化、 外种
皮细胞质小柱的形成以及种子吸水后粘液质的释放
等过程具有重要作用[9]ꎮ 然而ꎬ 目前对于其它粘
液繁殖体中的 TTG1基因还鲜见报道ꎬ 克隆抱茎独
行菜 TTG1基因并分析其在不同组织及角果不同发
育阶段的表达情况ꎬ 可为研究种子粘液质形成的分
子机制提供理论依据ꎮ
拟南芥(Arabidopsis thaliana)是十字花科具
粘液繁殖体的代表种及模式植物ꎬ 前人通过分子生
物学、 结构化学及形态观察等方法ꎬ 对其种皮及粘
液分泌细胞的结构、 粘液质的产生及分泌、 粘液质
的组成等方面进行了较为深入和系统的研究ꎬ 已取
得较大进展[10-17]ꎮ 拟南芥种皮粘液质的形成是种
皮外层细胞协调分化过程的一部分[4ꎬ18]ꎬ 目前已从
拟南芥中分离到一些粘液质突变体(简称 mum)ꎬ
如 mum1、 mum2[14]、 mum3[10ꎬ14]、 mum4[10ꎬ19]、
mum5[10ꎬ15]、 ap2[20]、 ttg1[9ꎬ21]、 ttg2[22]、 gl2[23]、
myb61[9]、 tt8[24]、 egl3[25]等ꎬ 这些材料为深入研
究种皮细胞分化、 粘液质生物合成及分泌的分子机
制奠定了基础ꎮ 一些经典的转录因子参与了外种皮
的发育ꎬ 其突变体种子在水合状态下不能释放粘液
质ꎬ 如 APETALA2 (AP2)基因功能缺失的拟南芥
不能形成细胞质小柱(拟南芥表皮细胞中的一个结
构)ꎬ 且不能合成粘液质[20]ꎻ GLABRA2 (GL2)是
表皮细胞质小柱形成及吸涨后粘液质释放必不可少
的基因[21]ꎮ 而 TTG1 基因在拟南芥表皮细胞分化
273 植 物 科 学 学 报 第 32卷
过程中具有重要作用[26]ꎬ 它能够调控表皮毛和根
毛的形态发生、 花青素的生物合成及种皮发育过程
中粘液质的积累[27-29]ꎻ 该基因突变体形成的细胞
质小柱异常且粘液质遇水不能释放[9]ꎮ 据报道ꎬ
TTG1 基因是粘液质合成信号途径上游的调控因
子[8]ꎬ 并与其它基因相互作用ꎬ 调控下游相关基
因 TTG2、 MUM2、 MUM4等的表达[11ꎬ22]ꎮ 我们前
期的研究结果显示ꎬ 抱茎独行菜外种皮细胞发育及
种皮粘液质形成的细胞生物学过程与同科植物拟南
芥具有明显差异ꎮ 通过观察发现ꎬ 抱茎独行菜外种
皮发育及粘液质形成和释放与拟南芥[2ꎬ6]所经历的
细胞质重排、 火山状细胞质小柱形成、 围绕火山产
生粘液质“口袋”等一系列过程不同的是ꎬ 抱茎独
行菜种子外种皮不发生细胞质重排ꎬ 其种皮扫描结
构也不是火山状ꎮ 抱茎独行菜外种皮(外珠被)最
外层细胞在发育成熟过程中不断增大ꎬ 且其内切向
壁和纵向壁均增厚ꎬ 而外切向壁保持初生壁(便于
粘液质释放)ꎻ 外种皮最外层及其紧邻内层细胞在
成熟发育过程中合成大量造粉体(通过形态和碘染
观察)ꎬ 当造粉体逐渐消失ꎬ 最外层就成为一层死
细胞ꎬ 其中充满了吸水后可以释放的粘液质(此粘
液质具有一定的结构ꎻ 未发表数据)ꎮ 粘液质的合
成与释放是一个复杂的过程ꎬ 涉及许多调控因子和
相关功能基因[30]ꎮ TTG1 基因位于粘液质合成途
径上游ꎬ 尽管在拟南芥中已明确该基因的主要功
能ꎬ 但其在抱茎独行菜粘液质形成和分泌过程中的
作用尚不清楚ꎮ
为探究 TTG1基因在抱茎独行菜粘液质繁殖体
中的相关功能ꎬ 本实验利用同源克隆方法获得了抱
茎独行菜 TTG1基因 ORF序列(简称为 LpTTG1)ꎬ
并将其克隆到原核表达载体 pET30a(+)中ꎬ 获得
重组质粒 pET30a ̄LpMUM4 并转化至大肠杆菌
BL21ꎬ 重组蛋白 LpTTG1 经诱导表达及纯化后免
疫新西兰兔制备了多克隆抗体ꎬ 随后对抱茎独行菜
种皮发育过程进行免疫组织化学定位研究ꎮ 同时ꎬ
通过荧光定量 qRT ̄PCR 检测 LpTTG1 基因在抱茎
独行菜不同组织及不同发育阶段角果中的表达模
式ꎬ 以及转基因拟南芥株系中 LpTTG1过表达对粘
液质调控途径下游基因 MUM4 的影响ꎬ 最后观察
比较过表达 LpTTG1拟南芥株系和野生型拟南芥的
种子形态及粘液质释放的方式ꎬ 并推测与分析
LpTTG1基因在抱茎独行菜种皮粘液质形成过程中
的作用ꎬ 以期为种子粘液质形成的分子机制提供理
论依据ꎮ
1 材料与方法
1 1 实验材料及处理
抱茎独行菜(Lepidium perfoliatum)成熟种子
于 2005年 6 月采自新疆古尔班通古特沙漠南缘ꎬ
干燥后冷藏(4℃)备用ꎮ 于当年选择地表温度相对
较低的深秋季节(10 月下旬)ꎬ 将抱茎独行菜种子
露地播种到新疆大学生命科学与技术学院院内试验
地中ꎮ 当花苞微张且最长的雄蕊高过柱头时ꎬ 用不
同颜色标记角果基部并记录授粉时间(day after
pollinationꎬ 以下简称为 DAP)ꎮ 收集 0 ~18 DAP
不同发育阶段的角果进行 qRT ̄PCR检测ꎮ
野生型拟南芥为 Columbia 生态型ꎬ ttg1 突变
体(编号为 CS89)购自哥伦比亚俄亥俄州立大学拟
南芥生物资源中心(ABRC)ꎮ 种子经表面灭菌后播
于 MS 培养基ꎬ 约 10 d 左右能明显观察到两片真
叶出现时ꎬ 将幼苗移入花盆(蛭石 ∶ 珍珠岩 = 1 ∶
3)ꎬ 于 22℃、 16 h光照 / 8 h黑暗条件下培养ꎮ
1 2 总 RNA提取及 cDNA制备
用 RNAprep Pure Plant Kit (Bioteke)试剂盒
提取抱茎独行菜新鲜叶片(100 mg)的总 RNAꎮ 按
照 TAKARA 反转录酶 M ̄MLV 说明书步骤ꎬ 在
20 μL体系中ꎬ 加入 800 ng总 RNAꎬ 以 oligo(dT)
15为引物ꎬ 于 42℃ 孵育 1 h合成 cDNAꎮ
1 3 基因克隆及生物信息学分析
根据GenBank发表的拟南芥与油菜 TTG1基因
cDNA全长序列 (NM180739 2与 EF175932. 1)设计
同源引物(上游引物: 5′ ̄GCGGTACCACCATGGATA ̄
ATTCAGCTC ̄3′和下游引物: 5′ ̄GCGTCGACCT ̄
CAAACTCTAAGGAGCTGC ̄3′)ꎬ 克隆抱茎独行
菜 LpTTG1 基因开放阅读框序列 (ORF)ꎬ 且在
上、 下游引物中分别引入 KpnⅠ和 SalⅠ酶切位点
(下划线部分)ꎬ 还在上游引物酶切位点后面引入
起始密码子附近的 KOZAK 序列(ACCA)ꎬ 以增强
外源基因 TTG1 在转基因植株中的表达ꎮ 运用
multi ̄alignment和 BLAST 程序分析不同 TTG1 基
373 第 4期 曹 婧等: 抱茎独行菜种皮粘液质相关基因TTG1的克隆、 表达分析及功能鉴定
因的序列同源性以及氨基酸序列ꎬ 并使用在线服务
器程 序 Protscale ( http: / / au expasy org / cgi ̄
bin / protscale pl)计算 LpTTG1 蛋白推测分子量ꎻ
采用软件 SMART 4 0 (http: / / smart embl ̄heidel ̄
berg de / ) 和 MotifScan ( http: / / myhits isb ̄sib.
ch / cgi ̄bin / motif_scan)分别分析 LpTTG1 蛋白功
能结构域及基序ꎮ
1 4 原核表达载体的构建及多克隆抗体的制备
将 LpTTG1 基因编码区插入原核表达载体
pET30a的多克隆位点ꎬ 构建重组质粒 pET30a ̄
LpTTG1ꎬ 诱导表达带 His 标签的融合蛋白以备后
续纯化ꎮ pET30a ̄LpTTG1 含诱导型 T7 启动子及
终止子ꎬ 并以卡那霉素抗性基因作为选择标记ꎮ 重
组蛋白 LpTTG1 经诱导表达和纯化后免疫新西兰
兔ꎬ 用弗氏不完全佐剂增强免疫反应ꎬ 每次免疫加
强间隔 1周ꎬ 共免疫 3次ꎮ 通过 ELISA和Western
blot检测抗体的效价和特异性ꎮ
1 5 转基因植株的获得和检测
将 LpTTG1基因 ORF 序列插入植物表达载体
pCAMBIA1301 的多克隆位点ꎬ 获得重组载体
pCAMBIA1301 ̄LpTTG1ꎮ 采用冻融法将重组质粒
pCAMBIA1301 ̄LpTTG1 转入农杆菌 EHA105ꎬ 利
用花序浸染法转化拟南芥野生型植株[31]ꎮ 收集拟
南芥 T0代种子ꎬ 播种到含 30 mg / L 潮霉素与
300 mg / L链霉素的 MS 培养基上ꎬ 培养 8 ~ 10 d
后ꎬ 将阳性苗移至无抗生素的 MS培养基上ꎬ 恢复
培养 1周后再移栽至花盆中(蛭石 ∶ 珍珠岩 = 1 ∶
3)ꎮ 分别提取野生型拟南芥及其抗性植株莲座叶
的基因组 DNA和总 RNAꎬ 利用 LpTTG1特异性(非
AtTTG1)引物(上游引物: 5′ ̄CTCCTCCACTCGTTC ̄
CGGCCAAAGG ̄3′ꎬ 下游引物: 5′ ̄CCAGGCAAT ̄
GTCGTGAACCTCCTTA ̄3′) 进行 PCR、 RT ̄PCR
扩增ꎮ PCR 扩增体系为 20 μLꎬ 反应条件: 94℃
预变性 5 minꎻ 94℃ 变性 50 sꎬ 55℃ 退火 50 sꎬ
72℃ 延伸 45 sꎬ 30个循环ꎻ 72℃ 延伸 5 minꎮ
1 6 目的基因的表达分析
1 6 1 qRT ̄PCR 分析 LpTTG1 基因在抱茎独行
菜不同组织和不同发育阶段角果中的表达模式
分别提取抱茎独行菜根、 茎、 叶、 角果等不同
组织及不同发育阶段角果 ( 1、 5、 8、 11、 15
DAP)的总 RNAꎬ 并利用 GeneAmp 5700 实时
PCR系统及 SYBR Green ( Invitrogen)进行定量
PCR 分析ꎮ PCR 扩增程序: 95℃预变性 2 minꎻ
95℃变性 30 sꎬ 62℃退火 30 sꎬ 72℃延伸 30 sꎬ 40
个循环ꎮ 以抱茎独行菜的 β  ̄actin基因为内参(上游
引物: 5′ ̄CCAAAGGCCAACAGAGAGAAGAT ̄3′ꎬ
下游引物: 5′ ̄TGAGACACACCATCACCAGAAT ̄
3′)ꎮ
1 6 2 qRT ̄PCR 分析 AtMUM4 基因在转基因拟
南芥不同组织中的表达模式
分别提取野生型和过表达 LpTTG1 拟南芥根、
茎、 叶、 角果等不同组织的总 RNAꎬ 并利用特异引物
(上游引物: 5′ ̄ GTGAGGGACATGAAGGAAAAGCT ̄3′ꎬ
下游引物: 5′ ̄ AGACACTGTACTTCCTCTCTGGTG ̄3′)
对 AtMUM4进行扩增ꎬ PCR 扩增程序: 95℃预变
性 2 minꎻ 95℃变性 30 sꎬ 60℃退火 30 sꎬ 72℃延
伸 30 sꎬ 共 40 个循环ꎮ 以拟南芥的 β  ̄actin 基因
作为内参ꎮ
1 6 3 LpTTG1 在抱茎独行菜种子发育过程中的
免疫组织化学定位
用 4%多聚甲醛固定液固定 0 ~ 20 DAP 的角
果ꎬ 于 4℃静置 24 h 后制作石蜡切片ꎮ 利用超薄
切片机 Lica RM2126将其切成厚度 5~10 μm 的切
片ꎬ 展平至载玻片上ꎮ 与抗体孵育之前ꎬ 用 1%牛
血清白蛋白(BSA)配置的 10%山羊血清缓冲液
(pH 7 4)于 37℃孵育载玻片 15 minꎮ 将一抗(抗
β ̄1ꎬ3 ̄D ̄glucan抗体)按 1 ∶ 100 稀释后ꎬ 在每张
切片组织上滴加 100 μLꎬ 37℃孵育 1 hꎻ 然后用加
入 Tween ̄20的磷酸盐缓冲液(PBSTꎬ pH 7 4)洗
脱ꎬ 再将按 1 ∶ 500稀释辣根过氧化物酶(HRP)标
记的山羊抗兔二抗ꎬ 滴加到每张切片组织上
(100 μL)ꎬ 37℃孵育 1 hꎻ 最后按照二氨基联苯胺
(DAB)染色试剂盒说明书对切片组织进行染色ꎬ
并置于光学显微镜 Motic B5 professional series
(Bock Optronics Inc.ꎬ Canada)下观察、 拍照ꎮ
1 7 目的基因的功能分析
利用体式显微镜(Nikon SMZ 800ꎬ Japan)观
察拟南芥野生型、 ttg1突变体及 LpTTG1过表达株
系种子形态ꎬ 并通过钌红(针对多聚糖的染料)染
色观察种子种皮粘液质的释放过程及着色程度ꎮ
473 植 物 科 学 学 报 第 32卷
1 8 数据分析
本实验所有数据均采用 3 次重复并取其平均
值ꎬ 使用 GraphPad Prism Version 4 02(Graph ̄
Pad Softwareꎬ San Diegoꎬ CA)软件对数据进行分
析ꎻ 对独立样本数据采用未配对 t检验和单因素方
差分析ꎬ 若差异显著则在 P = 0 05水平上进行多
重比较 Tukey检验ꎮ
2 结果与分析
2 1 LpTTG1的 cDNA克隆
通过同源克隆获得抱茎独行菜 LpTTG1 基因
cDNA的开放阅读框序列(ORF)ꎬ BLAST 分析显
示该基因 ORF 全长为 1032 bpꎬ 编码 343 个氨基
酸ꎬ 分子量为 38 11 kDꎬ 等电点为 4 71ꎮ 多序列
比对结果表明ꎬ 抱茎独行菜 LpTTG1 基因与 Gen ̄
Bank公布的拟南芥 AtTTG1 以及油菜 (Brassica
napus) BnTTG1 核酸序列分别具有 88 95%与
79 55%的同源性ꎬ 氨基酸序列分别有 96 79%与
91 55%的同源性ꎮ 抱茎独行菜、 拟南芥[28]、 油
菜[32]TTG1 氨基酸序列之间 blast 结果如图 1 所
示ꎬ 其中方框内的序列是 WD40 蛋白家族的必要
基序(表 1)ꎬ 这说明从抱茎独行菜中克隆得到了
TTG1基因ꎮ
2 2 抱茎独行菜 LpTTG1基因的表达分析
2 2 1 qRT ̄PCR分析
为了解 LpTTG1基因在抱茎独行菜不同组织中
的表达水平ꎬ 分别提取抱茎独行菜根、 薹、 莲座
叶、 抱茎叶及角果的总 RNA 进行 qRT ̄PCR 表达
检测ꎬ 结果显示ꎬ 抱茎独行菜 TTG1基因在不同组
织中均有表达(相对表达量为 1 0~3 21)ꎬ 反映了
该基因功能的多样性(图 2)ꎮ LpTTG1 相对转录水
平在根中最高ꎬ 抱茎叶中最低ꎬ 然而单因素方差分
析显示不同组织中的表达量无显著差异 ( P =
01194)ꎮ 为探究 LpTTG1 基因在抱茎独行菜种子
成熟过程中的表达情况ꎬ 分别采集授粉后 1、 5、
8、 11、 15 d的角果提取总 RNA 并进行 qRT ̄PCR
表达检测ꎮ 结果显示(图 3)ꎬ LpTTG基因的 mRNA
积累量在角果发育后期(授粉后 11 ~ 15 d)上升趋
势更为明显ꎬ 但不同发育阶段之间无显著差异
(P = 0 0760)ꎮ
2 2 2 免疫组织化学定位分析
为进一步探究抱茎独行菜不同发育阶段角果中
LpTTG1蛋白表达水平的变化ꎬ 制作了石蜡切片并
纯化重组蛋白 LpTTG1 制备了多克隆抗体(数据未
列出)ꎬ 经一抗(抗 β ̄1ꎬ3 ̄D ̄glucan 抗体)和 HRP
标记的山羊抗兔二抗分别孵化切片组织后染色ꎮ 据
At: 拟南芥ꎻ Bn: 油菜ꎻ Lp: 抱茎独行菜ꎻ Con: 氨基酸保守序列ꎻ 方框Ⅰꎬ Ⅱꎬ Ⅲꎬ Ⅳ: WD40基序ꎮ
At: Arabidopsis thalianaꎻ Bn: Brassica napusꎻ Lp: Lepidium perfoliatumꎻ Con: Conservative sequence of amino acidsꎻ Sequences
in the boxes marked with Ⅰꎬ Ⅱꎬ Ⅲꎬ Ⅳ indicate WD40 motifs.
图 1 3种十字花科植物 TTG1氨基酸序列多重比对结果
Fig 1 Multiple alignment of TTG1 amino acid sequences from three Cruciferae species
573 第 4期 曹 婧等: 抱茎独行菜种皮粘液质相关基因TTG1的克隆、 表达分析及功能鉴定
表 1 LpTTG1蛋白结构域、 重复序列、 基序及其特性预测
Table 1 Confidently predicted domainsꎬ repeatsꎬ
motifs and features of protein LpTTG1
名称
Name
开始
Begin
结束
End
期望值
E ̄value
WD40 motif Ⅰ From 66 To 111 3 42e + 01
WD40 motif Ⅱ From 118 To 163 4 48e - 02
WD40 motif Ⅲ From 166 To 204 1 52e - 04
WD40 motif Ⅳ From 255 To 295 1 66e - 05
Si: 角果ꎻ Rl: 莲座叶ꎻ Bt: 薹ꎻ Cl: 抱茎叶ꎻ Rt: 根ꎮ 以 β  ̄actin为
内参计算相对表达水平ꎬ 误差线表示 3 次重复平均值的标准误
差ꎬ 相同小写字母表示在 P = 0 05水平上差异不显著ꎮ
Si: Silicleꎻ Rl: Rosette leafꎻ Bt: Boltꎻ Cl: Clasping leafꎻ Rt:
Root The expression fold is given relative to β  ̄actin. The error
bars represent the standard deviation of the mean (n=3) . The
same lowercase letter on the bars indicates no significant diffe ̄
rence among different tissues at P = 0 05 level.
图 2 qRT ̄PCR分析抱茎独行菜不同组织 LpTTG1的表达
Fig 2 qRT ̄PCR analysis of the expression of LpTTG1
in different tissues of Lepidium perfoliatum
5
4
3
2
1
0
6
Lp
TT
G
1 Lp
TT
G
1
!
"
#
$
%
R
el
at
iv
e
ex
pr
es
si
on
le
ve
l o
f
ge
ne
&()*+
( )Different developmental stages DAP
1 5 8 11 15
a
a a
a
a
以 β  ̄actin为内参计算相对表达水平ꎬ 误差线表示 3次重复平均值
的标准误差ꎬ 相同小写字母表示在 P= 0 05水平上差异不显著ꎮ
The expression fold is given relative to β  ̄actin. The error bars
represent the standard deviation of the mean (n=3) . The same
lowercase letter on the bars indicates no significant difference
among different tissues at P = 0 05 level.
图 3 qRT ̄PCR分析抱茎独行菜不同发育
阶段角果中 LpTTG1的表达
Fig 3 qRT ̄PCR analysis of the expression of
LpTTG1 in different development stages of
Lepidium perfoliatum silicle
甲苯胺蓝染色部位ꎬ 可将抱茎独行菜粘液质的形成
及种皮分化过程分为 4个阶段: 首先ꎬ 在种皮发育
早期(0 ~ 4 DAP)ꎬ 表层细胞均含有细胞核、 中央
大液泡及被挤压到边缘的细胞质ꎻ 其次ꎬ 在 5 ~ 7
DAP阶段ꎬ 表皮细胞开始产生粘液质但仍存在造
粉体ꎻ 第三ꎬ 在 8 ~ 12 DAP阶段ꎬ 表皮细胞中的
造粉体和内容物逐渐消失ꎻ 最后的 13 ~ 18 DAP
阶段ꎬ 表皮细胞变成匀质的粘液细胞ꎬ 此时种子完
全成熟ꎮ
免疫组织化学定位分析结果显示ꎬ 在刚结束授
粉的成熟胚珠阶段ꎬ 各层珠被细胞形态大小一致
(图 4: A)ꎬ 与空白血清作为阴性对照的染色结果
相比(图 4: B)ꎬ LpTTG1 在各层珠被细胞中均有
表达ꎬ 且表达量一致(图 4: C)ꎮ 随后ꎬ 两层外珠
被细胞开始分化并产生造粉体(图 4: D)ꎬ 和空白
对照相比(图 4: E)ꎬ LpTTG1 在内外珠被各层细
胞和胚中均有表达ꎬ 在外珠被表皮细胞中的表达量
最高ꎬ 且集中在细胞核周围(图 4: F)ꎮ 外珠被两
层细胞的造粉体继续积累(图 4: G)ꎬ 与空白对照
相比(图 4: H)ꎬ LpTTG1 仍在外珠被表皮细胞中
围绕细胞核高表达(图 4: I)ꎮ 授粉后 8 ~ 15 d 的
角果ꎬ 外珠被表皮细胞产生粘液质ꎬ 造粉体退化、
减少并呈锥状堆积ꎬ 内珠被退化、 层数减少(图 4:
J)ꎬ 与空白对照相比(图 4: K)ꎬ LpTTG1 在内外
珠被各层细胞和胚中都有表达ꎻ 在珠被(种皮)各
层细胞中ꎬ LpTTG1在外珠被两层细胞中的表达量
有所下降ꎬ 内珠被最外层细胞中表达量突然增高(图
4: L)ꎮ 随后ꎬ 外珠被表皮细胞产生大量的粘液质ꎬ
造粉体退化、 减少ꎬ 几乎完全消失ꎬ 内珠被只剩下
细胞质浓厚的栅栏层(图 4: M)ꎬ 和空白对照相比
(图 4: N)ꎬ LpTTG1在胚中仍有表达ꎬ 但在种皮细
胞中的表达量已显著降低(图 4: O)ꎮ 最后ꎬ 在成
熟种子的外种皮中 LpTTG1的表达量降至最低ꎮ
2 3 抱茎独行菜 LpTTG1基因的功能分析
为探究 LpTTG1在抱茎独行菜种皮分化及粘液
质形成中的作用ꎬ 构建了植物表达载体 pCAM ̄
BIA1301 ̄LpTTG1并转化拟南芥ꎮ 提取转基因拟南
芥 T1 代植株的基因组 DNAꎬ 并以抱茎独行菜
TTG1 cDNA 的特异性引物(选择抱茎独行菜和拟
南芥 TTG1 cDNA序列中差异最大的区段分别设计
673 植 物 科 学 学 报 第 32卷
A B C
D E F
G H I
J K L
M N O
in
oi
n
ep
ep
ii
oi
oi oi
oi n
ii
am
am
am
am
ii
ii
ep
ep
ep
ep
ep
m
m
m
sep
sep
sep
sep
2.5 mμ5 mμ 5 mμ
5 mμ 5 mμ 5 mμ
5 mμ 5 mμ 5 mμ
5 mμ 5 mμ 5 mμ
5 mμ 5 mμ 5 mμ
图片示抱茎独行菜种子横切面ꎮ Aꎬ Dꎬ Gꎬ Jꎬ M: 用甲苯胺蓝染色作为对照ꎻ Bꎬ Eꎬ Hꎬ Kꎬ N: 用空白血清作为阴性对
照ꎻ Cꎬ Fꎬ Iꎬ Lꎬ O: 与抗 LpTTG1血清相互作用的样本ꎻ in: 珠被ꎻ ii: 内珠被ꎻ oi: 外珠被ꎻ ep: 表皮ꎻ sep: 亚表皮ꎻ n:
细胞核ꎻ am: 造粉体ꎻ m: 粘液质ꎮ
All pictures are transverse sections of Lepidium perfoliatum seeds Aꎬ Dꎬ Gꎬ Jꎬ M are control with armour aniline blue
stainingꎻ Bꎬ Eꎬ Hꎬ Kꎬ N are negative control with blank serumꎻ Cꎬ Fꎬ Iꎬ Lꎬ O are samples with anti ̄LpTTG1 serumꎻ
in: Integumentꎻ ii: Inner integumentꎻ oi: Outer integumentꎻ ep: Epidermisꎻ sep: Subepidermalꎻ n: Nucleusꎻ am:
Amyloplastsꎻ m: Mucilage.
图 4 抱茎独行菜 LpTTG1在种皮各发育阶段的免疫组织化学定位
Fig 4 Immunohistochemical localization of LpTTG1 in the developmental process of seed
coat in Lepidium perfoliatum
773 第 4期 曹 婧等: 抱茎独行菜种皮粘液质相关基因TTG1的克隆、 表达分析及功能鉴定
上、 下游引物ꎬ 并确认只能扩增出各自的相应片
段)进行 PCR 扩增ꎬ 结果显示ꎬ 在预期位置扩增
出了目的条带(图 5: Aꎬ 460 bp)ꎮ 挑选 PCR 阳
性植株提取总 RNAꎬ 以抱茎独行菜 TTG1 cDNA特
异性引物进行 RT ̄PCR扩增ꎬ 检测外源基因在拟南
芥中的表达(图 5: B)ꎬ 确认获得了转基因株系ꎮ
A
B
M
M
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
2000
2000
750
750
500
500
250
250
bp
bp
M: DNA marker DL2000ꎻ 1 ~ 4: 转基因植株ꎻ 5: 野生型
植株ꎮ
M: DNA marker DL2000ꎻ 1 ~ 4: Transgenic plants 5:
Wild type plant.
图 5 LpTTG1转基因植株基因组 PCR(A)和
RT ̄PCR(B)检测
Fig 5 Genomic DNA PCR (A) and RT ̄PCR (B)
of LpTTG1 transgenic plants
为探究 LpTTG1过量表达对粘液质合成途径中
其它相关基因的影响ꎬ 分析了野生型 (WT) 和
TTG1过表达拟南芥植株(TOP)不同组织(根、 薹、
叶、 角果)中 TTG1 下游基因 AtMUM4 的表达变
化ꎮ qRT ̄PCR 结果显示ꎬ LpTTG1 在拟南芥中过
量表达显著增强了角果中 AtMUM4 的表达(图 6ꎬ
P < 0 05)ꎬ 表明该基因在转基因株系中表达且参
与角果发育过程相关事件ꎮ
为进一步明确 TTG1基因在种皮分化及粘液质
沉积中的作用ꎬ 观察了拟南芥野生型、 ttg1突变体
及 TTG1过表达株系种子形态及粘液质释放过程ꎮ
结果显示ꎬ ttg1 突变体种子花青素合成能力下降
(图 7: A1)且几乎不分泌粘液质(图 7: A2ꎬ A3)ꎻ
而过表达株系与野生型种子表皮细胞的形态、 粘液
质的释放方式及数量等均无显著差异(图 7: Ⅰꎬ
Ⅱꎬ Ⅲ)ꎮ
40
30
20
10
0
a
b
c
c c c c c
WT
TOP
At
M
U
M
4
!
"
#
$
%
R
el
at
iv
e
ex
pr
es
si
on
le
ve
l o
f
ge
ne
At
M
U
M
4
Si Rl Bt Rt
&()
Different tissues
Si: 角果ꎻ Rl: 莲座叶ꎻ Bt: 薹ꎻ Rt: 根ꎮ WT: 野生型ꎻ TOP:
TTG1过表达植株ꎮ 以 β ̄actin为内参计算相对表达水平ꎬ 误差
线表示平均值的标准误差ꎬ 不同小写字母表示在 P< 0 05水平
差异显著ꎮ
Si: Siliquesꎻ Rl: Rosette leafꎻ Bt: Boltꎻ Rt: Root. WT: Wild
typeꎻ TOP: TTG1 overexpression plant. The expression fold is
given relative to β ̄actin. The error bars represent the standard
deviation of the mean (n = 3) . The different lowercase letter
on the bars indicates significant difference among different tis ̄
sues at P < 0 05 level.
图 6 qRT ̄PCR分析野生型和 LpTTG1转基因
拟南芥植株 AtMUM4基因表达
Fig 6 qRT ̄PCR analysis of expression of AtMUM4
in LpTTG1 transgenic and WT plants
of Arabidopsis thaliana
3 讨论
本实验通过同源克隆得到了抱茎独行菜种皮粘
液质调控基因 TTG1的 cDNA序列ꎬ 并对其进行了
初步的功能鉴定ꎮ LpTTG1 基因 ORF 序列及氨基
酸序列的多重比对结果显示ꎬ LpTTG1、 拟南芥
AtTTG1和油菜 BnTTG1 基因具有较高同源性ꎬ 且
不同 TTG1基因编码的 WD40 蛋白拥有共同基序ꎮ
qRT ̄PCR和免疫定位分析显示ꎬ LpTTG1 与抱茎
独行菜角果发育、 种皮分化及粘液质合成相关ꎮ 该
基因过量表达增加了转基因拟南芥粘液质调控途径
下游基因 AtMUM4 的转录水平ꎬ 但对种子形态及
粘液质分泌与释放方式无显著影响ꎮ
有研究表明ꎬ 拟南芥粘液质的合成与分泌是一
个复杂过程ꎬ 涉及许多调控因子和相关功能基因ꎬ
AtTTG1 就是位于该调控网络上游的一个调控基
因[9ꎬ33]ꎮ AtTTG1含有 4个 WD 序列ꎬ 形成功能性
β ̄螺旋折叠结构最少需要 4 个 WD 重复序列(也称
Trp ̄Asp或 WD40 基序ꎬ 通常由大约 40 个氨基酸
残基构成ꎬ 存在保守的 GH 和 WD 序列) [34]ꎮ WD
重复序列蛋白由一个很大的基因家族编码ꎬ 在拟南
873 植 物 科 学 学 报 第 32卷
A1ꎬ A2ꎬ A3: ttg1突变体种子ꎻ B1ꎬ B2ꎬ B3: 野生型种子ꎻ C1ꎬ C2ꎬ C3: TTG1过表达植株种子ꎮ
A1ꎬ A2ꎬ A3: Seeds of ttg1 mutantꎻ B1ꎬ B2ꎬ B3: Seeds of WTꎻ C1ꎬ C2ꎬ C3: Seeds of TTG1 overexpression plant.
图 7 LpTTG1过表达植株、 ttg1突变体和野生型拟南芥种子的形态(Ⅰ)、
水合作用(Ⅱ)和钌红染色(Ⅲ)结果
Fig 7 Morphology of intact dry seed (Ⅰ)ꎬ and seeds after hydration (Ⅱ)
and ruthenium red staining (Ⅲ) of LpTTG1 overexpression plantꎬ
ttg1 mutant and WTꎬ respectivelyꎬ in Arabidopsis thaliana
芥中已鉴定出 59种[34ꎬ35]ꎮ 到目前为止ꎬ 推测所有
WD蛋白在一系列细胞事件中均具有调控作用[35]ꎮ
本研究结果显示ꎬ LpTTG1与拟南芥氨基酸序列具
有高度同源性ꎬ 也具有 4 个 WD 重复序列ꎬ 推测
抱茎独行菜 TTG1蛋白与拟南芥 TTG1 蛋白具有相
似的多重生物学功能ꎮ
AtTTG1在各器官均有表达ꎬ 调控多种性状ꎬ
如表皮毛与根毛发生、 种子花青素合成、 种皮发育
及粘液质的形成与释放等[11ꎬ36-38]ꎮ 本实验发现抱
茎独行菜 TTG1基因能在不同组织中表达且转录水
平无显著差异ꎬ 这可能暗示了该基因功能的多样
性[27]ꎮ 此外ꎬ qRT ̄PCR结果显示 LpTTG1 基因的
mRNA在角果中逐渐积累ꎬ 表明该基因可能在角
果和种子成熟过程中发挥作用ꎮ 拟南芥 TTG1基因
负责调控种皮发育和粘液质合成[33]ꎮ LpTTG1 免
疫组织化学分析揭示了该蛋白的变化趋势ꎬ 即: 早
期在内珠被和外珠被细胞均有表达ꎬ 随后外珠被细
胞内的表达增强ꎬ 最后只在表皮和亚表皮细胞之间
表达ꎬ 表达模式与种皮分化和粘液质合成相一致ꎮ
然而在种子发育中后期ꎬ LpTTG1 蛋白表达量降
低ꎬ 这与角果发育中 LpTTG1 的 qRT ̄PCR 结果不
相符ꎮ 我们在研究过程中注意到ꎬ 抱茎独行菜种子
表皮和亚表皮细胞是独特的细胞类型ꎬ 在发育后期
会演变成无生命的细胞层ꎬ 从而导致其中的标记强
度变弱ꎮ 除了种子本身ꎬ 角果其它组织和细胞都会
进入正常的后期发育ꎬ LpTTG1蛋白将会影响这些
973 第 4期 曹 婧等: 抱茎独行菜种皮粘液质相关基因TTG1的克隆、 表达分析及功能鉴定
组织细胞的花青素合成等[36-38]ꎮ
AtMUM4编码一种 NDP ̄L ̄鼠李糖合成酶基
因ꎬ 调节拟南芥种皮的分化及粘液质合成ꎬ 是转录
因子 TTG1级联途径下游的靶基因ꎮ 本研究通过构
建过表达 LpTTG1转基因拟南芥植株ꎬ 分析了该基
因的表达情况ꎬ 结果显示ꎬ AtMUM4 在野生型和
转基因株系角果中表达量最高(与其它组织相比)ꎬ
而且 LpTTG1在拟南芥中的过量表达显著增强了角
果中 AtMUM4 基因的表达ꎬ 显示 LpTTG1 在拟南
芥中获得了表达ꎬ 并促进了下游基因 MUM4 的表
达增强ꎬ 由此参与了粘液质合成途径的调控ꎮ
本实验中拟南芥野生型及 LpTTG1过表达转基
因株系的种子形态及粘液质释放方式无显著差异ꎬ
原因可能是拟南芥粘液质的合成与分泌过程较为复
杂ꎬ 受众多功能冗余的基因共同调控ꎬ 因此只增加
种皮发育过程中某一基因的转录水平并不会引起明
显的表型变化ꎮ 先前类似的研究显示ꎬ 过表达
AtTTG1的拟南芥并未出现多余毛状体的发育[39]ꎮ
以上结果也可能是由于粘液质合成所需的其它底物
(例如 UDP ̄半乳糖醛酸)供应不足ꎬ 而该底物的合
成不受 LpTTG1上调表达影响ꎮ
本研究结果揭示抱茎独行菜 TTG1基因可能与
拟南芥 TTG1基因具有相似的功能ꎬ 因为 LpTTG1
与抱茎独行菜角果发育、 种皮分化及粘液质的合成
密切相关ꎻ 此外ꎬ 该基因明显激活了转基因拟南芥
角果中粘液质调控基因 AtMUM4 的表达ꎮ 为了深
入解析抱茎独行菜 TTG1在种子发育和粘液质合成
中的作用ꎬ 还需开展功能互补实验ꎬ 将 LpTTG1转
化到 ttg1突变体中进一步验证该基因的功能ꎮ
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(责任编辑: 刘艳玲)
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283 植 物 科 学 学 报 第 32卷