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Cloning and Mapping of a New MYB Transcription Factor (GhTF1) in Cotton

一个新的棉花MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析


MYB类转录因子是指含有MYB结构域的一类转录因子, 广泛参与植物发育和代谢调节。含2个MYB结构域的R2R3类MYB转录因子在植物体内主要参与次生代谢的调节和控制细胞的形态发生。从优质材料7235不同发育时期的棉纤维混合cDNA文库中克隆了一个棉花MYB转录因子基因GhTF1(GenBank登录号: EF651783)。该cDNA序列长1 115 bp, 其开放读码框长度为771 bp, 编码256个氨基酸。表达特征分析表明, 该基因在陆地棉7235不同组织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前1 d, 开花后8 d和11 d的纤维细胞中优势表达。该基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中开放读码框区的序列较保守, 但在非编码区差异较大, 在内含子区存在大片段插失和碱基替换现象。Southern杂交结果表明该基因在陆地棉基因组中存在2个拷贝, 推测A、D亚组中各有1个拷贝。利用海7124和TM-1两亲本配置的BC1作图群体, 将GhTF1定位在染色体10上。

Plant MYB transcription factors are characterized by containing a structurally conserved MYB domain, they play important roles in the regulation of plant development and metabolism. Of them, the R2R3 MYB proteins with two MYB domains are involved in regulating secondary metabolism and cellular morphogenesis. Cotton fibers are single-celled seed trichomes. So far, the molecular process of fiber initiation is poorly understood. However, some transcriptional factors such as MYB genes are responsible to fiber cell initiation. Just like in Arabidopsis, leaf trichome formation is mediated through positive and negative regulators such as GL1 and GL2 encoding MYB transcription factors.
In cotton, several MYB transcription factors have been cloned. Expression of type I genes (GhMYB1, 2, and 3) was detected in all tissues tested, while type II genes (GhMYB4, 5, and 6) process involving many other pathways such as signal transduction and transcriptional regulation. Moreover, GhMYB109, a gene encoding a R2R3 MYB transcription factor, was expressed specifically in fiber initials and elongating fibers. And over-expression of GaMYB2 complemented gl1 phenotype as well as induced seed trichome development in Arabidopsis, suggesting a role of MYB-like transcription factors in cotton fiber cell differentiation. The objective of the study was to clone new MYB genes, further put a foundation to illustrate these genes function in cotton fiber developmental stages. In this paper, a MYB transcription factor gene, GhTF1 was isolated from developmentally different cotton fiber pools of elite material 7235 library. GhTF1 (GenBank No.: EF651783) is a 1 115 bp cDNA, its open reading frame is 771 bp, and encodes a polypeptide containing 256 amino acids. GhTF1 was expressed constitutively in every tissue with different expression levels, e.g. with higher levels in fiber cells at initiation and elongations stages. GhTF1 had conserved coding region in A and D diploid cotton species, G. herbaceum and G. raimondii, however, there existed a large DNA fragment insertion/deletion and base substitutions in their corresponding intron region. Southern blotting analysis showed that there were two copies of GhTF1 in the genome of upland cotton, deducing that the sub-genome A and sub-genome D contain each of them. Using the BC1 mapping population derived from the hybridization between the upland cotton standard line TM-1 and G. barbadense cultivar Hai7124, and TM-1 as recurrent parent, GhTF1 was located on the chromosome 10.


全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(2): 207−211 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家自然科学基金项目(30471104); 国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目(2002CB111303); 教育部新世纪优秀人才支持计划
项目(NCET-04-0500); 教育部长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0432)
作者简介: 房栋(1981– ), 男, 硕士。
* 通讯作者(Corresponding author): 郭旺珍。E-mail: moelab@njau.edu.cn
Received(收稿日期): 2007-05-14; Accepted(接受日期): 2007-08-17.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00207
一个新的棉花MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析
房 栋 吕俊宏 郭旺珍* 张天真
(南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室, 江苏南京 210095)
摘 要: MYB类转录因子是指含有MYB结构域的一类转录因子, 广泛参与植物发育和代谢调节。含 2个MYB结构域
的R2R3类MYB转录因子在植物体内主要参与次生代谢的调节和控制细胞的形态发生。从优质材料 7235不同发育时
期的棉纤维混合cDNA文库中克隆了一个棉花MYB转录因子基因GhTF1(GenBank登录号: EF651783)。该cDNA序列长
1 115 bp, 其开放读码框长度为 771 bp, 编码 256个氨基酸。表达特征分析表明, 该基因在陆地棉 7235不同组织中均
表达, 但表达量不同, 特别在开花前 1 d, 开花后 8 d和 11 d的纤维细胞中优势表达。该基因在二倍体棉种非洲棉和雷
蒙德氏棉中开放读码框区的序列较保守, 但在非编码区差异较大, 在内含子区存在大片段插失和碱基替换现象。
Southern杂交结果表明该基因在陆地棉基因组中存在 2个拷贝, 推测A、D亚组中各有 1个拷贝。利用海 7124和TM-1
两亲本配置的BC1作图群体, 将GhTF1定位在染色体 10上。
关键词: 棉花; MYB基因; 克隆; 表达; 基因定位
Cloning and Mapping of a New MYB Transcription Factor (GhTF1) in
Cotton
FANG Dong, LÜ Jun-Hong, GUO Wang-Zhen*, and ZHANG Tian-Zhen
(State Key Laboratory of Crop Genetics & Germplasm Enhancement, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China)
Abstract: Plant MYB transcription factors are characterized by containing a structurally conserved MYB domain, they play
important roles in the regulation of plant development and metabolism. Of them, the R2R3 MYB proteins with two MYB domains
are involved in regulating secondary metabolism and cellular morphogenesis. Cotton fibers are single-celled seed trichomes. So
far, the molecular process of fiber initiation is poorly understood. However, some transcriptional factors such as MYB genes are
responsible to fiber cell initiation. Just like in Arabidopsis, leaf trichome formation is mediated through positive and negative
regulators such as GL1 and GL2 encoding MYB transcription factors.
In cotton, several MYB transcription factors have been cloned. Expression of type I genes (GhMYB1, 2, and 3) was detected
in all tissues tested, while type II genes (GhMYB4, 5, and 6) process involving many other pathways such as signal transduction
and transcriptional regulation. Moreover, GhMYB109, a gene encoding a R2R3 MYB transcription factor, was expressed specifi-
cally in fiber initials and elongating fibers. And over-expression of GaMYB2 complemented gl1 phenotype as well as induced
seed trichome development in Arabidopsis, suggesting a role of MYB-like transcription factors in cotton fiber cell differentiation.
The objective of the study was to clone new MYB genes, further put a foundation to illustrate these genes function in cotton fiber
developmental stages. In this paper, a MYB transcription factor gene, GhTF1 was isolated from developmentally different cotton
fiber pools of elite material 7235 library. GhTF1 (GenBank No.: EF651783) is a 1 115 bp cDNA, its open reading frame is 771 bp,
and encodes a polypeptide containing 256 amino acids. GhTF1 was expressed constitutively in every tissue with different expres-
sion levels, e.g. with higher levels in fiber cells at initiation and elongations stages. GhTF1 had conserved coding region in A and
D diploid cotton species, G. herbaceum and G. raimondii, however, there existed a large DNA fragment insertion/deletion and base
substitutions in their corresponding intron region. Southern blotting analysis showed that there were two copies of GhTF1 in the
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genome of upland cotton, deducing that the sub-genome A and sub-genome D contain each of them. Using the BC1 mapping
population derived from the hybridization between the upland cotton standard line TM-1 and G. barbadense cultivar Hai7124, and
TM-1 as recurrent parent, GhTF1 was located on the chromosome 10.
Keywords: Gossypium; MYB gene; cloning; expression; gene tagging
高等植物基因的表达是一个精确调控的过程 ,
转录水平的调节是很多基因表达调控的主要方式 ,
转录因子(transcription factor, TF)作为植物中一类重
要的调节基因, 在这个阶段起重要的作用。转录因
子也称为反式作用因子, 是能够与真核基因启动子
区顺式作用元件 (cis-acting factor)特异性结合的
DNA结合蛋白。它通过与靶基因的互作以及和其他
相关蛋白的联系, 来调节基因表达的强度,应答激素
刺激和外界环境胁迫 ,或控制基因的时空特异性表
达[1]。
MYB蛋白是转录因子中非常重要的一类, 而且
是植物转录因子中最大的家族之一。MYB类转录因
子家族是指含有MYB结构域的一类转录因子。MYB
结构域是一段约 51~52 个氨基酸的肽, 包含一系列
高度保守的氨基酸残基和间隔序列, 每隔约 18个氨
基酸分布的色氨酸(W)残基 , 参与空间结构中疏水
核心的形成。高等植物中, 数量最大、功能多样的
是含有 2个MYB区(R2和R3)的MYB蛋白, 仅在拟南
芥中就有 125 种之多, 估计在其他高等植物中也会
有相应的甚至更大数量的R2R3 类MYB 转录因子
[2]。
棉花是重要的经济作物。目前在 NCBI 数据库
登陆的从棉花(Gossypium)中克隆到的全长 MYB 转
录因子基因已有 17 个 , 即 : GhMYB1(L04497);
GhMYB2(AF034130); GhMYB3(AF034131); GhMYB4
(AF034132); GhMYB5(AF034133); GhMYB6 (AF034
134)[3−4]; GhMYB7(AY518319); GhMYB9 (AY51832
0)[5]; Ghmyb9(AF336286); Ghmyb10(AF336282); Ghm-
yb25(AF336283); Ghmyb36(AF336284); BNLGHi233
(AF336278); Ghmyb38(AF336285); Ghmyb109 (AJ54
9758); GaMYB2(AY626160); GaMYB109 (AY63355 9)。
它 们 的 功 能 已 初 步 明 确 , 如 Ghmyb25[6] 、
GhMYB109[7]、GaMYB2(Fif1)[8]被认为与棉纤维发育
有着密切的关系。本文对陆地棉(Gossypium hirsutum
L.) 优质品系 7235 不同棉纤维发育时期的混合
cDNA文库随机测序, 筛选获得了一个新的MYB类
cDNA克隆, 对其进行了结构、表达特征分析及染色
体定位研究。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 植物材料 包括陆地棉高品质纤维种质
系 7235, 陆地棉遗传标准系TM-1 和海岛棉海 7124
及其 140 个BC1群体 ; A组二倍体棉种非洲棉 (G.
herbaceum vs africanum); D组二倍体棉种雷蒙德氏
棉(G. raimondii)。雷蒙德氏棉材料来自海南野生植
物种植园, 其余材料均种植于南京农业大学网室。
1.1.2 试剂和菌种 选用 Promega 公司的
T-Easy Vector 连接试剂盒, 质粒提取试剂盒为浙江
V-gene 生物技术有限公司产品, PCR 产物回收试剂
盒购自北京天为时代公司。Southern杂交采用 Roche
公司的 DIG High Prime DNA Labeling and Detection
Starter Kit I, 硝酸纤维素膜也来自 Roche公司产品,
选用QIAGEN公司QIAquick Nucleotide Removal Kit
纯化探针。大肠杆菌(Escherichia coli)DH5α 为本实
验室保存。
1.2 方法
1.2.1 unigene 获得及序列分析 通过构建陆地
棉优质材料 7235开花后 5、8、11、14、17、20、23、
25 d 等不同纤维发育时期混合 cDNA 文库, 随机挑
取 6 000余个克隆进行 5端测序分析, 获 1 056个非
冗余 contig并对其功能初步预测。根据功能分类, 选
取与MYB基因功能相关的 cDNA克隆, 对插入片段
进行全序列测定。利用 DNAMAN软件完成 ORF预
测, 在 GenBank 数据库进行核酸和蛋白的 Blast 比
对。应用 DNASTAR软件包和 Clustal X软件进行棉
花不同 MYB 基因保守序列的相似性比较, 结构特
点分析及分子聚类研究。
1.2.2 总RNA提取 采收萌发 10 d后的陆地棉
7235幼苗根、茎、嫩叶; 开花后(DPA) −1、1、3、5 d
的胚珠和纤维混合物以及开花后 8、11、17 d的纤维
细胞。采用本实验室研发的CTAB-酸酚法[9]提取不同
组织的总RNA。采用CTAB法提取棉花叶片DNA[10],
PCR步骤, 扩增产物的琼脂糖电泳、回收、测序方法
参照Guo[11]等。
1.2.3 引物设计 GhTF1 基因全长 ORF 的
5RACE获得, 全长ORF的扩增和 RT-PCR分析所需
第 2期 房 栋等: 一个新的棉花 MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析 209


同源, 其 3非翻译区有加尾信号 TCCAAA和 Poly(A)
结构, 以此判断 3端已经完整。通过 5RACE将序列
向 5端方向延伸, 拼接得到长 1 115 bp的 cDNA序列,
最大的 ORF 为 771 bp, 编码 256 个氨基酸(图 1)。
BLASTx 结果显示该基因翻译的氨基酸序列第
23~125 处是由两个 MYB-DNA 结合位点组成的
R2R3 MYB结构域, 由于目前棉花MYB类基因的命
名还没有一个统一的规则, 该基因暂定名为 GhTF1
(GenBank登录号: EF651783)。
的特异性引物设计遵循引物设计原则。利用引物设
计软件 Primer5 进行设计, 由上海英俊生物技术有
限公司合成。5RACE 的特异性引物分别为 GSP1:
5-CTCCTCCTTTGAAGATGT-3, GSP2: 5-CAGGG
GTGTCTGGTTTTTGTAA-3, GSP3: 5-TCAGTTCT
TCCAGGCAATCT-3; 扩增 GhTF1 全长 ORF 的特
异引物: F: 5-TGGTTGGAGTTGATTGGTGTAA-3;
R: 5-GAAAGATTTGGGTGTGGATGCT-3; 用于检
测 GhTF1基因表达的 RT-PCR引物 F: 5-GATGATG
GGAACTTGGGATT-3; R: 5-GGAAAGATTTGGGT
GTGGAT-3。同时为了校正 PCR 模板的相对浓度,
用组成性表达的 EF1α 引物 , 作为内标进行平行
PCR扩增。EF1α的特异引物为 F: 5-AGACCACCA
AGTACTACTGCAC-3和 R: 5-CCACCAATCTTGT
ACACATCC-3。
用 Expasy pI/MW 程序对其氨基酸序列进行了
一级结构的预测, 其理论上的等电点 pI 为 6.09, 分
子量 MW = 29.9 kD。将该基因氨基酸序列与棉花中
已报道的 MYB 类基因进行多序列比较和聚类分析
(图 2), 结果表明 GhTF1 与 GhMYB1、GhMYB6 和
Ghmyb9 属于同一分支, 但 GhTF1 位于该分支的最
外端, 与 GhMYB6、GhMYB1和 Ghmyb9的氨基酸同
源性分别为 41.9%、37.7%和 36.2%。因此, GhTF1
是一个新的棉花 MYB类基因。
1.2.4 基因的染色体定位 利用本实验室陆地
棉遗传标准系TM-1 和海岛棉海 7124 培育的 140 个
BC1作图群体 , 建立的四倍体栽培棉种的遗传连锁
图谱[12]作为骨架图谱。以TM-1、海 7124、F1和回交
群体的基因组DNA为模板, 检测亲本及分离群体中
的多态性, 将具有多态性的位点应用Joinmap 3.0 软
件[13]整合到上述图谱上。
2.2 GhTF1基因的表达
为研究 GhTF1在棉花中表达的时空特点, 对根、
茎、叶和不同时期棉纤维组织来源的 RNA 进行
RT-PCR分析。结果表明 GhTF1基因在陆地棉 7235不
同来源的组织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前
1 d, 开花后 8 d和 11 d的纤维细胞中优势表达(图 3)。
2 结果与分析
2.1 一个新的棉花 MYB类基因的克隆
2.3 GhTF1在二倍体祖先种中的序列变异 对从陆地棉优质材料 7235 棉纤维混合 cDNA
文库中获得的 1 056 个 uni-EST 序列进行功能预测, 利用扩增 GhTF1 全长 ORF 的特异引物扩增非
洲棉和雷蒙德氏棉的基因组 DNA, 获得的目标片段
长度分别为 1 481和 1 407 bp。
获得 1 个功能与 MYB 类基因相关的克隆。对插入
片段全序列测序得到长度为 982 bp 的 cDNA 序列,
通过与已知 cDNA序列比较, 发现 GhTF1基因 BLASTx 结果显示该序列与 MYB 类转录因子高度

图 1 GhTF1 cDNA的核苷酸及编码氨基酸序列
Fig. 1 Nucleotide sequence and deduced amino acid sequence of the full-length GhTF1 cDNA
上游同框终止子用方框表示。
A upstream in-frame stop codon is boxed.
210 作 物 学 报 第 34卷


图 2 棉花 MYB类基因的聚类分析
Fig. 2 Phylogenetic analysis of MYB genes in Gossypium hirsutum L.


图 3 GhTF1的表达
Fig. 3 The expression profile of GhTF1
1: 根; 2: 茎; 3: 叶; 4~7: 开花后 −1、1、3、5 d胚珠; 8~10: 分
别为开花后 8、11、17 d的纤维细胞; EF1α为内标。
Lane1: root; Lane 2: stem; Lane 3: leaf; Lane 4−7: ovules of −1, 1,
3, and 5 DPA; Lane 8−10: fiber cells of 8, 11, 17 DPA, respectively.
EF1α: control.

在非洲棉和雷蒙德氏棉中均存在一个内含子。二者
编码区序列长度一致 , 而差异主要存在于内含子
中。与非洲棉相比, 雷蒙德氏棉在内含子区缺失了
74个碱基。四倍体栽培种和 2个二倍体祖先种编码
区的单碱基突变(SNP)分析表明, 20处的 SNPs全是
碱基的替换。其中 15处单独发生在雷蒙德氏棉中, 4
处单独发生在陆地棉 7235中, 单独发生在非洲棉中
的碱基突变只有 1 处。这些碱基的变异导致该基因
在上述 3个物种中的氨基酸序列共产生了 11处变化,
有 7处为雷蒙德氏棉特有, 另 4处陆地棉 7235特有。
聚类分析结果(图 4)显示, 陆地棉 7235 中所克隆的
GhTF1基因与非洲棉的亲缘关系更近。
2.4 GhTF1基因组杂交分析
为分析GhTF1在陆地棉 7235中的拷贝数, 利用
Xba I, BamH I 和 Sac I 限制性内切酶消化基因组
DNA, 用 GhTF1 全长片段作为探针与之进行杂交,
获得的杂交带分别为 3, 2, 2 条(图 5)。通过比较
GhTF1来自非洲棉和雷蒙德氏棉的DNA序列, 发现
探针区域里 BamH I和 Sac I没有酶切位点, 而 Xba I
在 A 组中有一个酶切位点, 在 D 组中没有。因此,
GhTF1基因在陆地棉 7235材料中应该存在 2个拷贝,
一个来自 A亚组, 一个来自 D亚组。

图 4 不同品种 GhTF1序列的聚类分析
Fig. 4 Phylogenetic analysis of sequence of GhTF1 from dif-
ferent cotton species
Ghe: G. herbaceum; Gh: G. hirsutum; Gr: G. raimondii.


图 5 GhTF1的基因组杂交分析
Fig. 5 Genome blotting analysis of GhTF1 in G. hirsutum
箭头示 Southern杂交特征带。
Arrow shows the target bands from Southern hybridization analysis.

2.5 GhTF1基因的染色体定位
用GhTF1 基因的RT-PCR特异引物直接扩增本
实验室四倍体棉种BC1作图群体的亲本TM-1 和海
7124, 获得的PCR产物进行聚丙烯酰胺凝胶电泳 ,
发现目标扩增产物在双亲中有差异。进一步用该对
引物检测GhTF1 基因在BC1作图群体中的多态性 ,
获得其多态分离信息。利用Joinmap 3.0 作图软件
与我室的骨架标记相整合, 将GhTF1 基因定位于染
色体 10 上, 位于标记BNL256(1.3 cM)和ME8GA2
(2.9 cM)之间。由于异源四倍体棉种A、D亚染色体
组染色体的部分同源性, 推测GhTF1 的另一异位同
效基因应该位于染色体 20上。
第 2期 房 栋等: 一个新的棉花 MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析 211


3 讨论
MYB基因在植物中的作用广泛。含 2个MYB结
构域的MYB 转录因子在植物体内主要参与次生代
谢的调节和控制细胞的形态发生。已有研究表明拟
南芥中的MYB转录因子GL1[14]、WER[15]、TRY[16]等
在表皮细胞分化成为表皮毛的过程中起重要的调节
作用[1]。棉纤维是植物中最长的单细胞结构之一, 它
其实也是表皮毛, 因此MYB基因应该在棉纤维发育
的过程中扮演着重要的角色。本文新克隆到的基因
GhTF1 是一个MYB类转录因子, 该基因在不同来源
的组织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前 1 d,
开花后 8 d和 11 d的纤维细胞中优势表达。聚类分析
发现GhTF1 和GhMYB1、GhMYB6、Ghmyb9 的同源
关系较近, 在纤维发育器官中有相似表达(未发表资
料)。−1 DPA和 8 DPA分别是纤维发育的起始期和快
速伸长期, 这期间纤维细胞处于生理生化的活跃期,
因此推测这类MYB基因可能在调控纤维发育, 特别
在纤维伸长中行使相似的功能。同时GhTF1氨基酸序
列的C端存在一个高度保守的酸性氨基酸—甘氨酸,
也预示了其具有蛋白转录激活域的活性。
基因的染色体定位对了解目标基因的染色体分布
特点, 准确把握基因的结构、功能和进化关系, 加速遗
传图谱和物理图谱的整合进程有重要意义。由于棉花
的异源四倍体染色体组由A和D两个亚组组成, 2 个亚
组间存在许多异位同效基因, 相同基因的PCR扩增产
物常常表现一致[17]。而基于基因组水平上单个核苷酸
变异引起的DNA 序列多态性(SNPs)可有效区分不同
棉种或同一棉种不同亚基因组之间的差异。在本研究
中, 通过比较GhTF1 基因的目标扩增产物在作图亲本
TM-1 与海 7124 中的分子量大小差异, 进一步跟踪该
基因在海、陆BC1分离群体中的分离情况, 借助我室构
建的四倍体栽培棉种的遗传图谱将该基因定位在染色
体 10上。至于GhTF1相应的异位同效基因染色 体亚
组的定位有待于通过发掘其ORF两侧的SNP变 化, 进
一步通过检测其亲本及分离群体多态性来完成。
4 结论
从棉花优质材料 7235 不同发育时期的棉纤维
混合cDNA文库中分离出 1 个棉花MYB类相关的
cDNA克隆GhTF1。GhTF1开放读码框长度为 771 bp,
编码 256个氨基酸, 它在陆地棉 7235不同来源的组
织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前 1 d, 开
花后 8 d和 11 d的纤维细胞中优势表达。该基因在二
倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉基因组中表现序列长
度变异。二者在编码区较保守, 但内含子区变异大,
存在大片段插失和碱基替换现象。Southern杂交结果
表明该基因在陆地棉基因组中存在 2个拷贝。利用海
7124 和TM-1 两亲本配置的BC1作图群体, 将GhTF1
定位在染色体 10 上, 推测其另一异位同效基因应
该位于染色体 10的部分同源转化群染色体 20上。
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