全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(10): 1764−1770 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2004CB117200)和农业部保种项目资助。
*
通讯作者 (Corresponding authors): 任正隆 , E-mail: renzllab@sicau.edu.cn, Tel: 0835-2883153; 贾继增 , E-mail: jzjia@mail.caas.net.cn, Tel:
010-82105831
第一作者联系方式: E-mail: ddgza@163.com
Received(收稿日期): 2009-04-09; Accepted(接受日期): 2009-07-24.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01764
小麦光周期基因 Ppd-B1的选择性剪接分析
郭志爱 1,2 赵光耀 2 任正隆 1,* 贾继增 2,*
1 四川农业大学农学院, 四川雅安 625014; 2 中国农业科学院作物科学研究所 / 国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程 / 农
业部作物种质资源与生物技术重点开放实验室, 北京 100081
摘 要: 为深入认识光周期基因 Ppd-B1 的功能, 在转录水平上研究其表达特点, 通过 cDNA 与基因组 DNA 序列对
比, 发现 Ppd-B1 mRNA加工存在选择性剪接, 3个可选择剪接位点分别以外显子增加、5剪接位点改变和内含子保留
形式分布在 5′UTR、第 5外显子和第 6内含子, 其中前两种方式不引起蛋白保守结构域的改变, 后种方式却导致基因
移码突变。Ppd-B1选择性剪接可产生 8种不同形式的转录本, 其中 4种含有完整的编码序列, 能够翻译成功能蛋白,
另 4 种表达丰度较低, 不翻译或翻译时被提前终止。Ppd-B1 不同转录本的相对表达量不同, 而且这种差异受材料光
周期反应特性和外界光周期环境的影响。
关键词: 小麦; 光周期反应; Ppd-B1; 选择 7性剪接; 转录本
Alternative Splicing of Photoperiod Response Gene Ppd-B1 in Wheat
GUO Zhi-Ai1,2, ZHAO Guang-Yao2, REN Zheng-Long1,*, and JIA Ji-Zeng2,*
1 College of Agriculture, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China; 2 National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Im-
provement / Key Laboratory of Crop Germplasm & Biotechnology, Ministry of Agriculture / Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agri-
cultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Alternative splicing creates multiple types of mRNA transcripts from a single gene, and can contribute to the regulation
of gene function and protein diversity in eukaryotic cells. Photoperiod response plays a major role in controlling the heading time,
yield, and adaptability in wheat (Triticum aestivum L.), and Ppd-B1 has been considered to have a potential effect on wheat re-
sponses to photoperiod changes. However, its alternative splicing has not been reported yet. In the present study, a photoperiod
insensitive variety Chinese Spring carrying Ppd-B1 and another photoperiod sensitive variety Marquis carrying ppd-B1 were
grown under four different photoperiod conditions. The cDNA and genomic DNA sequences of Ppd-B1 were isolated and charac-
terized. The length of Ppd-B1 coding region was 3 053 bp with eight exons whose total size was 1 995 bp. The Ppd-B1 mRNA
was alternatively spliced, producing multiple types of transcripts. There were three alternative splicing sites located in 5′ UTR,
exon 5, and intron 6, whose action led to exon increasing, alternative 5 end processing and intron retention. The alternative proc-
essing events that were augmented by the two former splicing sites remained the conserved Psedo-response regulator (PRR) do-
main in the deduced protein, whereas that directed by the third site resulted in frameshift mutation. Among the eight different
types of Ppd-B1 transcripts produced by alternative splicing, four types (type a to d) expressed at relatively high levels with the
frequency ranging from 32.6% (type d) to 13.0% (type b). They could be translated into full length proteins, and were likely to be
functional. The remaining types (type e to h) expressed at very low levels with the frequency varying from 2.2% (type g) to 6.5%
(type e). They gave rise to truncated peptides upon conceptual translation. The relative abundance of the different types of Ppd-B1
transcripts were changed by the photoperiod response characteristics of wheat varieties and the photoperiod conditions under
which wheat plants were cultured. The data collected here paves the way for further studies to reveal the physiological function of
Ppd-B1 alternative splicing in wheat.
Keywords: Wheat; Photoperiod response; Ppd-B1; Alternative splicing; Transcripts
选择性剪接是真核细胞一种重要的 mRNA转录
后加工机制。一个基因通过选择性剪接产生多种
mRNA 转录本, 翻译为多种多肽序列, 从而增加蛋
白多样性和影响 mRNA 稳定性[1-2]。人类 40%~60%
第 10期 郭志爱等: 小麦光周期基因 Ppd-B1的选择性剪接分析 1765
的基因在表达过程中可通过选择性剪接产生多种形
式的 mRNA[3-8], 而且发现选择性剪接不同变化与很
多疾病有关[9-15]。植物基因的选择性剪接相关报道比
较少, 但是已涉及很多生理过程和功能调节方面的
基因包括调控剪接[16-17]、转录[18]、调节开花[19-20]、
抗病[21]、抗逆[22]、酶活性[23-24]、籽粒品质[25]等, 所
以基因选择性剪接研究对了解功能具有重要意义。
小麦是一种严格的长日照作物, 长日照能够促
进抽穗开花, 敏感型品种在短日照条件下会延迟抽
穗甚至无法抽穗开花。普通小麦由长日照敏感型通
过半显性突变为迟钝型, 使得小麦能适应很大范围
的环境变化。研究发现, 小麦光周期反应主要是由
位于第 2部分同源群染色体的 3个同源基因控制, 根
据光周期不敏感型分别定名为 Ppd-D1、Ppd-B1 和
Ppd-A1, 其中前两者对光周期作用较强[26-27]。Tanio
等[28]利用近等基因导入系, 发现 Ppd-B1 和 Ppd-D1
均可以加速短日照条件下幼穗的分化, 但是 Ppd-B1
对光迟钝的作用比 Ppd-D1强。
小麦 Ppd基因与大麦 2H染色体的 Ppd-H1基因
直线同源 [29-30]。Turner 等 [31]图位克隆到大麦的
Ppd-H1 基因 , 并确定它是 PRR (pseudo-response
regulator)家族的一个成员。PRR 蛋白是由保守的假
定受体结构域和 CCT (CO, CO-like and TOC1)结构
域两部分组成, 在拟南芥中对生物钟昼夜节律运转
起重要作用[32]。James等[33]根据大麦 Ppd-H1基因同
源克隆到小麦 Ppd基因, 但在 Ppd-B1基因序列中没
有发现与功能相关的多态性等位变异。本研究在转
录水平上探讨 Ppd-B1 可通过选择性剪接产生的多
种转录本, 及其在不同光照条件和不同光周期性质
材料中的表达差异, 以期深入了解 Ppd-B1的功能以
及导致基因功能突变的原因, 进而推动小麦开花光
周期途径的理论研究。
1 材料与方法
1.1 试验材料
取普通小麦(Triticum aestivum L.) B基因组光周
期迟钝品种中国春 (Chinese Spring)[34]和敏感品种
Marquis[35]的种子, 以去离子水培养至露白后于光照
培养箱中 22℃培养 6 d, 设 24 h全光照、长日照(16 h
光照/8 h黑暗)、短日照(10 h光照/14 h黑暗)和 24 h
全黑暗 4 种光照处理。取幼苗叶片, 液氮速冻后于
–70℃保存备用。
1.2 小麦 Ppd-B1基因全长的获得
以 GenBank 中小麦品种中国春 Ppd 基因序列
Ppd-A1(DQ885753)、Ppd-B1(DQ885757)和 Ppd-D1
(DQ885766)为依据, 根据序列间的差异设计 Ppd-B1
特异引物 P1230-4789 (forward primer为 5′-CGTCTG
CTCTGTTCCTGCC-3′, reverse primer为 5′-GAATC
AGCTGTCTAAATAGTAC-3′), 扩增区域包括完整
的基因编码区。以小麦基因组 DNA 为模板, 进行
PCR 扩增, 预期扩增 3.5 kb 大小的产物。扩增程序
为 94℃预变性 4 min; 94℃变性 50 s, 58℃退火 40 s,
72℃延伸 4.5 min, 31 个循环; 72℃延伸 10 min。
LA-Taq 购自 TaKaRa 公司。将扩增产物分别克隆测
序。所有引物均由奥科生物技术公司合成。
所使用的测序引物(由英国 John Innes Centre研
究室 James Beales博士提供)序列:SP1为 5′-TCTGA
ATGATGATACACCATG-3′; SP2为 5′-AGTATCAGG
TCCATTTCGTC-3′; SP3为 5′-AGGGGCACCTATCT
CCAG-3′; SP4为 5′-ATGCTCAAGTGCTCAACCG-3′;
SP5为 5′-ATCACGTTGGACTGAGCGC-3′。
1.3 Ppd-B1基因全长 cDNA的克隆
使用 Trizol法分离提取样品总 RNA。分别以不
同处理条件下不同材料各个样品的总 RNA 为模板,
采用 Invitrogen 公司 M-MLV Reverse Transcriptase
试剂盒进行反转录合成 cDNA 第一链, 以 cDNA 第
一链用作下一步 PCR扩增模板。PCR反应使用特异
引物 BgF1-BqR1 (BgF1为 5′-AGACGATTCATTCCG
CTCC-3′, BqR1为 5′-ATGAGGACCGTCTCTGAATG-
3′), 目标产物序列包括完整的开放读码框。使用
LA-Taq (TaKaRa公司)扩增, PCR反应程序如上, 但
微调为 50℃退火 40 s, 72℃延伸 3 min。将扩增产物
回收纯化、连接、转化, 人工大量挑取阳性克隆, 然
后提取质粒、测序, 并统计每个质粒的序列类型, 根
据重组质粒出现频率来计算不同转录本 mRNA的表
达相对丰度。
1.4 序列分析所使用的软件
使用 PrimerPremier 5.0 软件设计引物; 通过
DNAStar SeqMan 组装序列; DNAStar EditSeq软件
预测 cDNA 编码的蛋白质一级结构, 采用 DNAStar
MegAlign 进行基因组 DNA 和 cDNA 以及蛋白序列
间多重比对分析。
2 结果与分析
2.1 Ppd-B1基因的结构特征
Ppd-B1基因组编码区长度为 3 053 bp, 基因组
平均 GC含量为 49.62%。外显子总长度为 1 995 bp,
cDNA GC含量为 55.29%, 与小麦族基因 cDNA序列
1766 作 物 学 报 第 35卷
GC含量 54.0%相近[34]。基因共有 8个外显子(图 1),
最大的 664 bp, 最小的 99 bp, 平均 249 bp。内含子
大小变化幅度较小, 最大的 407 bp, 最小的 82 bp,
平均为 151 bp。外显子与内含子接头顺序均符合
“GT-AG”原则。
将 Ppd-B1 基因编码区序列与本实验室构建的
全长 cDNA 文库[36]进行 Blastn, 发现与来自小麦族
拟斯卑尔脱山羊草 4024-1 (Aegilops speltoides, SS)
幼苗全长 cDNA 文库的克隆 CWFASL4024Z-13B1-
T7/T3_P15_H08 序列相似率高达 95%以上, 由此对
比确定基因转录起始位点至少在起始密码子 ATG
−612 bp之前, 终止编码为 TAA, 3UTR大小为 415
bp。对该基因编码的多肽序列分析表明 , Pseudo-
receiver结构域位于第 1至第 3外显子区域, CCT结
构域在第 7外显子至第 8外显子。
2.2 Ppd-B1基因的选择性剪接分析
利用 Ppd-B1 特异引物 BgF1-BqR1 扩增基因全
长 cDNA, 目标产物大约为 2.3 kb, 经克隆测序后发
现 Ppd-B1基因共存在 8种不同的 cDNA序列形式。
基因组 DNA与 cDNA序列对比发现, 这 8种不同的
cDNA 形式是由选择性剪接造成的, 而且每种方式
均符合外显子与内含子连接处“GT-AG”剪接规则。
发生选择性剪接的区域共有 3处(图 2), 第 1处
是外显子增加(exon inclusion), 位于第 1 个外显子
ATG之前–126 bp位开始到–19 bp位结束, 共 107 bp,
这个区域的剪接变化可以导致基因转录后翻译起始
密码子 ATG 的位置变化。若此段被剪接, 则翻译起
始于–137 bp位的 ATG, 增加一个 30 bp的外显子。
第 2处是位于第 5个外显子末端的 42 bp区段, 属于
5选择性剪接位点改变(alternative 5 splice site), 它
的剪接变化不影响 PRR 蛋白保守结构域, 只是在两
保守域连接区段有一小段多肽的缺失/插入变化。最
后一处是内含子保留型(intron retention), 这是植物
中最常见的一种选择性剪接类型[37], 第 6 个内含子
82 bp的剪接变化可以导致内含子转变为外显子, 这
样会导致 mRNA翻译提前终止。
图 1 Ppd-B1基因组编码区的结构
Fig. 1 Structure of Ppd-B1 open reading frame in genome
图 2 Ppd-B1的选择性剪接方式
Fig. 2 Alternative splicing events of Ppd-B1
第 10期 郭志爱等: 小麦光周期基因 Ppd-B1的选择性剪接分析 1767
2.3 由不同转录本推测的 Ppd-B1蛋白
8 种不同 cDNA 形式可以推测翻译成 8 种不同
的氨基酸序列, 分别命名为 Ppd-B1a-h (图 3), 其中 4
种是正常的氨基酸序列, 即 a至 d, a与 b、c与 d间
的差异都是由 cDNA 上第 5 个外显子末端 42 bp 选
择性剪接区域造成 14 个氨基酸残基肽段的有无 ,
5′UTR区 107 bp可变剪接造成序列 a、b与 c、d基
因翻译起始位点和结构的不同, a和 b由 8个外显子
和 7个内含子结构组成, 而 c和 d翻译起始密码子比
前两者在基因组序列上提前了 137 bp, 而且含有 9
个外显子和 8 个内含子。另外 4 种蛋白序列 e 至 h
对应的 cDNA 上都含有未被剪接掉的第 6 内含子,
不被翻译或翻译时被提前被终止, 产物是无正常功
能的蛋白。
2.4 Ppd-B1选择性剪接与材料及光处理的关系
检测迟钝基因型小麦品种中国春(Ppd-B1)和敏
感基因型品种Marquis (ppd-B1)分别在 4种光周期处
理条件下 Ppd-B1 的不同转录本, 结果发现, 总体上
8种转录本均存在, 只是分布频率不同, 其中不能被
正常翻译的转录本(表 1中 e至 h)明显少于 4种正常
型(a至 d)。在正常的 4种转录本中, d型出现频率最
高(32.6%), b型最少(13.0%)。非正常型的转录本中 e
型出现频率相对较高, 但也只有 6.5%。从不同材料
来看, 中国春中 d型频率最高, 是 31.0%, 而 Marquis
中 c和 d型频率较高, 分别为 35.3%和 31.4%; 中国
春中 4种非正常转录本的频率为 19.5%, 但在Marquis
图 3 由 Ppd-B1不同类型转录本推测的 8种氨基酸序列
Fig. 3 Eight predicted amino acid sequences of Ppd-B1
单下划线示 pseudo-receiver domain, 双下划线示 CCT domain, 黑色背景表示氨基酸序列的差异之处。
Pseudo-receiver domain and CCT domain are indicated with single and double underline, respectively. The differences of
amino acid sequences were shown in black background.
1768 作 物 学 报 第 35卷
表 1 Ppd-B1各转录本在不同光处理条件下的分布
Table 1 Distribution of Ppd-B1 transcripts under different photoperiod treatments
剪接方式
Alternative splice mode
全日照
Continuous light
长日照
Long days
短日照
Short days
黑暗
Continuous dark
共计
Total 类型
Type
107 bp 42 bp 82 bp CS Ma F (%) CS Ma F (%) CS Ma F (%) CS Ma F (%) N F (%)
a + + – 7 3 27.8 2 1 8.8 4 1 12.5 1 3 14.3 22 15.9
b + – – 4 0 11.1 1 2 8.8 5 3 20.0 2 1 10.7 18 13.0
c – + – 2 5 19.4 8 7 44.1 6 3 22.5 1 1 7.1 33 23.9
d – – – 5 5 27.8 8 1 26.5 4 9 32.5 10 3 46.4 45 32.6
e – – + 2 1 8.3 1 0 2.9 1 0 2.5 4 0 14.3 9 6.5
f + - + 1 0 2.8 1 0 2.9 1 1 5.0 0 0 0.0 4 2.9
g + + + 0 1 2.8 1 0 2.9 1 0 2.5 0 0 0.0 3 2.2
h – + + 0 0 0.0 1 0 2.9 1 0 2.5 2 0 7.1 4 2.9
总数
Total
— — — 21 15 — 23 11 — 23 17 — 20 8 100 138 —
剪接方式的“+”代表在 cDNA上存在这段序列; “–”代表在 cDNA上不存在这段序列。CS:中国春; Ma:Marquis。F:各转录重
组质粒出现的频率; N:各转录本重组质粒的数目。
+: sequences present, –: sequences absent. CS: Chinese Spring; Ma: Marquis. F: frequencies of combination plasmid of each transcript.
N: number of combination plasmid.
中它们只占 6%。从不同的光周期处理来看, 在全日
照条件下, a型和 d型频率最高, 均为 27.8%, 其中 a
型在中国春中出现数量更多。长日照条件下, c型出
现频率最高(44.1%), 其次是 d 型(26.5%), 两者在中
国春中数量一样多, 但 Marquis 中主要以 c 型为主;
另外, a和 b型都比较少, 都只有 8.8%。短日照条件
下, d型较多, 占 32.5%, 而且主要是在Marquis中出
现频率高, 中国春中 4种正常型出现频率差异不大。
在黑暗处理下, d型总频率最高(46.4%), 其中在中国
春中为 35.7%, 而 Marquis 中为 10.7%, 与 a 型的频
率相同(表 1)。从以上分析知, 8种转录本在不同材料
中的出现频率不同, 并且在不同光周期处理下出现
频率也不同, 所以 Ppd-B1不同转录本的表达差异受
到材料光周期反应特性和不同光处理的影响。
3 讨论
目前, dbEST/cDNA与基因组 DNA序列比对是
选择性剪接研究的主要方法。随着高通量测序技术
发展成熟, EST数据库逐日增大, 覆盖的组织类型更
为丰富, 生物信息学的发展使植物基因选择性剪接
的研究逐步兴起和深入。模式作物水稻和拟南芥中
大于 20%的基因可选择性剪接[37-39], 但是对于基因
组庞大的小麦来说, 不但全基因组没有完全被测序,
而且可以利用的 EST/cDNA 数量很有限, 更无法涵
盖到一些特殊组织、发育过程、胁迫处理等特异表
达的 ESTs, 所以目前还无法利用生物信息学手段对
整个小麦基因的选择性剪接进行研究 , 只能通过
RT-PCR实验方法, 对单个基因进行研究。本研究通
过全长 cDNA 与基因组 DNA 序列比对发现 Ppd-B1
基因可选择性剪接, 通过 3 个位点的不同剪接产生出
8 种不同形式的转录本, 翻译出 4 种正常功能的蛋
白。由于本试验所使用样品的组织、发育阶段和取
样时间的局限性, 所以不能完全排除 Ppd-B1还存在
其他转录本的可能。
现有研究证明植物基因的选择性剪接受生物或
非生物逆境胁迫的影响 [25,40-44]。拟南芥抗病基因
RPS4选择性剪接产生多种转录本, 被认为是通过改
变各转录本间的表达水平比例来调节基因的活性 ,
以减少活性 RPS4 蛋白产生的损害[45]。小麦 DREB2
基因 (Wdreb2)是各种非生物胁迫响应的转录因子 ,
通过不同剪接产生 3 种表达量不同的转录本, 而且
发现选择性剪接受到 ABA 依赖途径(干旱和盐胁迫
响应)和非 ABA依赖途径(低温胁迫响应)的调控[22]。
小麦的生育期主要受春化基因(Vrn)、光周期基因
(Ppd)和早熟基因(Eps)互相作用的遗传控制。Shindo
等[46]通过 QTL分析, 发现没有经过春化在短日照下
不能检测到 Ppd-B1位点的存在, 推断可能有两种类
型的 ppd-B1光周期敏感基因, 即春化处理依赖型和
非春化处理依赖型。此外, 如胁迫条件(如干旱、盐
碱、营养缺乏、病害)、植物激素、水杨酸、碳水化
合物、Ca2+浓度等也制约小麦发育, 多种不同的信号
互相作用形成互相联系的信号网络共同调控小麦的
发育过程。本研究发现 Ppd-B1具有不同的剪接方式,
这可能是光周期基因经过长期进化形成的一种对不
第 10期 郭志爱等: 小麦光周期基因 Ppd-B1的选择性剪接分析 1769
同环境因子适应的结果。在不同光周期反应特性的
材料间以及不同光周期环境下, Ppd-B1 不同转录本
的表达有差异, 但不同转录本与环境的具体关系还
需进一步深入研究, 这也是小麦光周期促进开花途
径关键的一部分。
4 结论
小麦光周期基因 Ppd-B1 是可选择性剪接基因,
存在 3个选择剪接位点, 分别是外显子增加、5剪接
位点改变和内含子保留 3种形式; Ppd-B1基因具有 8
种不同形式的转录本, 其中 4 种能够翻译产生完整
的蛋白序列, 另外 4 种表达丰度很低, 而且不翻译
或翻译时被提前终止形成非正常的冗余蛋白 ;
Ppd-B1不同转录本的表达差异受材料光周期反应特
性和外界光周期环境的影响。
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