全 文 :Vol. 30 , No. 4
pp. 299~303 Apr. , 2004
作 物 学 报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 30 卷 第 4 期
2004 年 4 月 299~303 页
来自中间偃麦草基因组的类反转录转座子片段的克隆及其特征分析
马有志1 富田因则2 曹丽霞1 李连城1 安室喜正2 Ξ
(1 中国农业科学院作物育种栽培研究所 ,农业部作物遗传育种重点开放实验室 ,北京 100081 ; 2 鸟取大学农学部植物遗传育种实验室 ,日本鸟
取市 680)
摘 要 中间偃麦草[ Thinopyrum intermedium , (Host) Barkworth and Dewey]是普通小麦 ( Triticum aestivum L1) 遗传改良的
重要基因源 ,已有许多重要基因导入普通小麦。本研究从中间偃麦草基因组克隆到一个类反转录转座子片段 ,命名为
pTi28。该序列高丰度存在于中间偃麦草基因组 ,低丰度 (寡拷贝)存在于普通小麦及其近缘种属硬粒小麦 ( T1 durum) 、黑
麦 ( Secale cereale) 、小黑麦和簇毛麦 ( Hynaldia villosa)基因组 ,是中间偃麦草专化重复序列。序列对比分析结果显示 ,pTi28
与大麦、小麦反转录转座子 BARE 1 和 Wis2221A 的同源性分别为 6218 %、7018 %。Southern 及原位杂交结果表明 ,pTi28 属
散在型重复序列 ,可以做为检测中间偃麦草染色质的分子标记。
关键词 中间偃麦草 ;普通小麦 ;反转录转座子 ;原位杂交
中图分类号 : S512
Isolation and Characterisation of a Retrotransposon2like Sequence Derived from
Thinopyrum intermedium
MA You2Zhi 1 , TOMITA Motonori 2 , CAO Li2Xia 1 , LI Lian2Cheng 1 , YASUMURO Yoshimasa 2
(1 Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding , Ministry of Agriculture , Institute of Crop Breeding and Cultivation , CAAS , Beijing 100081 , China ;2 Faculty of
Agriculture , Tottori University , Koyama Tottori 680 , Japan)
Abstract Thinopyrum intermedium is an important source for improving the genetic variability of Triticum aestivum , and
many useful agronomic traits have been introduced into T1 aestivum1In this study , a retrotransposon2like sequence was iso2
lated from Th1 intermedium and designated as pTi281This sequence was abundant in Th1 intermedium genome but rare in
T1 aestivum genome and its relatives1Sequence similarity analysis indicated that pTi28 was 7018 % similar to Wis2221A , a
wheat retrotransposon2like element and 6218 % identical to BARE 1 element from barley ( Hordeum vulgare) , respective2
ly1Southern blots and in situ hybridization results showed that pTi28 was an interspersed repeated DNA sequence and could
a useful molecular marker for detection of Th1 intermedium chromatins in wheat background1
Key words Thinopyrum intermedium ; Triticum aestivum ;Retrotransposon ; In situ hybridization
反转录转座子 (retrotransposon) 广泛存在于高等
植物中 ,是植物基因组的重要组成成分 ,它的结构与
反转录病毒相似 ,其转座是以反转录酶为主导的反
转录反应 ,以 DNA2RNA2DNA 方式进行[1 ] 。研究发
现 ,小麦基因组的 90 %[2 ] ,玉米基因组的 50 %[3 ] ,水
稻基因组的 17 %[2 ]是反转录转座子序列。SanMiguel
等[3 ]发现玉米核基因组的基因间区域都是反转录转
座子。因此 ,根据其两翼序列设计特异引物能有效
筛选基因的分子标记。此外 ,反转录转座子的插入
可导致基因失活 ,而位于其调控区域的增强子和启
动子也可以激活基因的表达。因此 ,反转录转座子
的研究对了解基因组的功能和进化具有重要意义。
中间偃麦草 [ Thinopyrum intermedium , ( Host )
Barkworth and Dewey , Elytrigia intermedium ( Host )
Nevski , Agropyrum intermedium ( Host) Beauvoir ]为异
源六倍体种 (2 n = 6 x = 42 , E1 E1 E2 E2 StSt) ,具有许
多有益基因 ,如抗黄矮病基因[4 ,5 ] , 抗叶锈、条锈、秆
锈病基因[6 ,7 ] ,抗小麦花叶病毒基因[8 ] ,以及耐低温、
耐旱、耐盐基因[9 ,10 ] 。由于它与普通小麦易于杂交 ,
多年来 ,一直是普通小麦遗传改良的重要基因源。
迄今 ,已创造出一批部分双二倍体、附加系[7 ,11 ,12 ] 、代Ξ基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (30170575) 。
作者简介 :马有志 (1963 - ) ,男 ,研究员 ,从事小麦生物技术研究。
Received(收稿日期) :2003206204 , Accepted(接受日期) :20032112151
换系[13 ]和易位系[14 ,15 ] ,并育成了许多新品种在生产
上应用。
我们在鉴定中间偃麦草有益基因分子标记的研
究中 ,发现一个属反转录转座子的中间偃麦草专化
重复序列 ,本文报道该序列的克隆及其特征。
1 材料与方法
111 供试材料
供试材料包括中间偃麦草、普通小麦 ( T1 aes2
tivum) 品种中国春、小麦2中间偃麦草附加系 B[16 ] 、
黑麦 ( S1 cereale) 、小黑麦和簇毛麦 ( H1 villosa) ,由中
国农业科学院作物育种栽培研究所小麦生物技术课
题组提供。硬粒小麦 ( T1 durum) 由中国农业科学院
品种资源研究所提供。
112 中间偃麦草基因组专化重复序列的克隆
提取中间偃麦草及中国春基因组总 DNA。利
用限制性内切酶 Mbo Ⅰ消化中间偃麦草基因组总
DNA ,酶切片段连接到质粒 pUC19 的 BamH Ⅰ位点
后 ,转化 E1 coli JM109 ,构建了中间偃麦草 Mbo Ⅰ基
因组文库。为了筛选中间偃麦草基因组专化重复序
列 ,分别以中间偃麦草及中国春基因组总 DNA 为探
针 ,进行点杂交。
113 Southern 杂交分析
提取中间偃麦草、小麦品种中国春、硬粒小麦、
黑麦、小黑麦和簇毛麦基因组 DNA。经 EcoO109 Ⅰ、
Hind Ⅲ酶切后 , 转至 Hybond + 尼龙膜。分别用
[α232 P]标记筛选到的专化序列 ,进行 Southern 杂交。
探针标记及检测采用 Segal 等人的方法[17 ] 。
114 测序及基因数据分析
采用 Thermo SequenaseTM fluorescent labelled prim2
er cycle sequencing 试剂盒 (72deaza2dGTP 标记引物
M13 forward ,Cy5 标记引物 M13 reverse) ,在 ALF ex2
pressTM DNA Sequencer ( Pharmacia Biotech) 上进行测
序。测序结果分析采用 DNASIS 软件 ( Hitachi Soft2
ware Engineering Co1 , Ltd) ,同源性比较采用 BLAST
分析程序 ( http :ΠΠwww1ncbi1nlm1nih1govΠentrezΠnucle2
otide1html) 。
115 中间偃麦草类反转录转座子的扩增
根据本研究克隆的类反转录转座子部分序列及
植物反转录转座子结构特征 ,设计 5′端引物 P1 (5′2
GTGG CAT CAA GAG CCG T23′) 、3′端引物 P2 (5′2TGT
AGG GTA ACG AG CA23′) (图 2) ,利用 LA Taq DNA
聚合酶 (宝生物工程有限公司) 进行 PCR ,扩增中间
偃麦草类反转录转座子。扩增条件 : 94 ℃, 30 s ;
57 ℃,30 s ;72 ℃,6 min ,30 循环。
116 原位杂交
中间偃麦草及小麦2中间偃麦草附加系 B 的染
色体标本制作参照 Fukui [18 ] 的 EMA (enzymatic macer2
ationdrying)法 ,采用随机引物法以生物素 (biotin2162
dUTP)标记探针。杂交前 ,染色体标本用 1 mgΠmL 的
RNase A ( Sigma) 37 ℃处理 1 h , 2 ×SSC 中洗涤 5
min ,70 %、95 %、99 %乙醇逐级脱水。杂交液 (50 %
甲酰胺 ,2 ×SSC ,410~510μgΠmL 探针和 500μgΠmL
鲑鱼精子 DNA) 经 95 ℃、10 min 变性、冰水处理 10
min 后 ,每张染色体标本滴加 15μL 杂交液 ,80 ℃、6
min 变性处理 ,在 Thermal cycler 杂交过夜。杂交后 ,
在 40 ℃的 2 ×SSC、50 %甲酰胺Π2 ×SSC、4 ×SSC 中依
次洗涤 1 次 ,每次 10 min。杂交信号的检测参照
Fukui 等[19 ]的方法。
2 结果与分析
211 中间偃麦草基因组专化重复序列的克隆
经点杂交筛选中间偃麦草 Mbo Ⅰ2基因组文库 ,
获得一个与中间偃麦草基因组 DNA 有强烈杂交信
号 ,与普通小麦品种中国春只有微弱信号的重复序
列 ,并将其命名为 pTi28。
测序结果表明 ,pTi28 长度为 126 bp , G + G平均
含量是 4817 %。利用 GenomeNet BLAST软件进行同
源性比较分析 ,发现 pTi28 包含反转录转座子的 52
LTR ( long terminal repeats , 1~ 88 bp ) , PBS (primer
binding site ,89~97 bp) 及核心蛋白基因 ( gag) 的部
分序列 (ORF of gag ,108~126 bp) (图版 Ⅰ21) 。与来
自小麦反转录转座子 Wis2221A[20 ] 的 1670~1783 bp
片段的同源性为 7018 % ,与大麦 ( Hordeum vulgare)的
反转录转座子BARE 1[21 ]的 2050~2175 bp 片段的同
源性为 6218 % ,与水稻 ( Oryza sativa) 的反转录转座
子 RIRE21[22 ]的 1430~1558 bp 片段有 6115 %的同源
性。植物反转录转座子的 PBS 具有很高的保守性。
将 pTi28 的拟 PBS 分别与 BARE 1、Wis2221A 以及烟
草反转录转座子 Tnt221、水稻的反转录转座子 Tos321
的 PBS序列进行比较分析 ,发现与这些序列都有很
高的同源性 (图版 Ⅰ22) 。因此 ,推测 pTi28 是中间偃
麦草的一个类反转录转座子片段。
反转录转座子 ORF 两翼的 LTR 为同向重复序
列 ,根据这一结构特征 ,我们在 PBS 区域内设计了
一条 5′端引物 P1 ,在LTR 区域设计了一条 3′端引物
003 作 物 学 报 30 卷
P2 ,通过LA2PCR 方法 ,期待扩增出一个接近全长的
反转录转座子 ,结果获得一条近 8 kb 的扩增产物
(图版 Ⅰ23) ,由此可以推测该类反转录转座子的全
长在 8 kb 左右。
212 Southern 杂交分析
以 pTi28 为探针 ,与 EcoO109 Ⅰ、Hind Ⅲ酶切的
中间偃麦草、普通小麦、硬粒小麦、黑麦、小黑麦和簇
毛麦基因组 DNA 进行 Southern 杂交。pTi28 与 Hind
Ⅲ酶切的中间偃麦草基因组 DNA 在大约 715 kb 处
出现一条明显的杂交带 ,在相同位置 ,普通小麦也出
现一条较弱的杂交带 ,而硬粒小麦、黑麦、小黑麦和
簇毛麦没有杂交带 (图版 Ⅰ24A) 。pTi28 与 EcoO109
Ⅰ酶切的中间偃麦草基因组 DNA 在大约 715 kb、
610 kb 处出现二条明显的杂交带 ,在 210 kb、114 kb
及 0194 kb 处呈现出较弱的杂交带 ;普通小麦、硬粒
小麦、黑麦、小黑麦和簇毛麦没有杂交带 (图版 Ⅰ2
4B) 。说明 pTi28 是一个中间偃麦草基因组专化重
复序列。
213 原位杂交分析
为了明确 pTi28 在中间偃麦草染色体上的分布
特征 ,以生物素 (biotin2162dUTP)标记的 pTi28 片段为
探针与中间偃麦草的有丝分裂中期染色体进行了原
位杂交。如图版 Ⅰ25 所示 ,pTi28 散在分布于中间偃
麦草各染色体 ,一些染色体的着丝点区域及个别染
色体中间区域 (interstitial regions) 无杂交信号或杂交
信号很弱。
以 pTi28 片段为探针与小麦2中间偃麦草附加系
B 染色体的原位杂交结果显示 ,有一对染色体的两
端出现明显的杂交信号 ,臂间也出现较弱的杂交信
号 ,明显不同于其他染色体 (图 6) 。说明这对染色
体是来自中间偃麦草的附加染色体 ,根据杂交信号
的强弱 ,可以鉴定导入小麦的中间偃麦草染色体。
3 讨论
中间偃麦草是普通小麦品种改良的重要基因源
之一。本研究为了获得能够检测导入小麦遗传背景
中的中间偃麦草染色质的分子标记 ,克隆了中间偃
麦草基因组专化重复序列 pTi28。
Southern 杂交结果表明 ,pTi28 呈高丰度存在于
中间偃麦草基因组 ,在普通小麦及其近缘种属硬粒
小麦、黑麦、小黑麦和簇毛麦基因组中为寡拷贝。原
位杂交结果显示 ,pTi28 呈散在型分布在中间偃麦草
大部分染色体区域 ,虽然在普通小麦的个别染色体
上杂交信号微弱 ,但仍可根据杂交信号的强度准确
地在小麦遗传背景中鉴定出中间偃麦草染色体。因
此 ,在利用中间偃麦草有益基因创造小麦新种质的
研究中 ,pTi28 可以做为分子标记 ,通过 Southern 或
原位杂交分析鉴定中间偃麦草染色质。我们曾报道
过从中间偃麦草基因组克隆到 St 基因组专化重复
序列 pTA100[23 ] ,该序列呈串联型分布在染色体的端
部。呈散在型分布的中间偃麦草基因组专化重复序
列的克隆为首次报道。
序列比较分析结果表明 ,pTi28 是类反转录转座
子片段 ,包含 5′2LTR 部分区段、PBS 及核心蛋白基
因 ( gag)的部分序列。反转录转座子的长度变化较
大 ,有数百碱基的 ,也有超过一万碱基以上的。根据
LA2PCR 的结果 ,推测该类反转录转座子的长度为 8
kb 左右。由于反转录转座子对于植物基因组的结
构、功能及其进化都有极其重要的意义 ,近年来 ,相
关方面的研究非常活跃 ,许多植物反转录转座子被
相继发现 ,如大麦 ( Hordeum vulgare)的BARE 1[21 ] ,小
麦 ( T1 aestivum)的 Wis2221A[20 ] ,水稻 ( Orzya sativa) 的
RIRE[22 ] ,烟草 ( Nicotiana tabacum) 的 Tnt1 家族[24 ] ,燕
麦 ( Avena sativa ) 的 OARE21[25 ] ,拟南芥 ( Arabidopsis
thaliana)的 AtRE1 和 AtRE2[26 ]等。
反转录转座子是植物基因组的重要组成部分 ,
多数以多拷贝形式存在 ,例如 ,大麦的 BARE1 有
50 ×103 个拷贝[27 ] ,小麦的 Wis2A21 具有 740 ×103
个拷贝 ,占基因组的 314 %[28 ] ,燕麦的 OARE21 有 10
×103 个拷贝[25 ] 。在基因组较小的拟南芥中发现的
反转录转座子的拷贝数都很低 ,如 Tat1[29 ] 有 10 拷
贝 ,Athila[30 ] 有 30 拷贝 , Kuwahara 和 Komeda[26 ] 克隆
的 AtRE1 和 AtRE2 只有 1~2 拷贝。这些单拷贝或
低拷贝成分可以用于反转录转座子的转座机制及功
能基因组研究。本文发现的中间偃麦草的反转录转
座子属于多拷贝类型 ,Southern 杂交结果发现它主要
分布在中间偃麦草基因组 ,而小麦的近缘种属基因
组都以单拷贝或低拷贝形式存在 ,说明这类反转录
转座子家族是在 6 倍体的中间偃麦草基因组形成以
后演化而成的。
染色体原位杂交实验结果表明 ,高等植物的反
转录转座子分布在染色体的常染色质区域 ,通常着
丝点、核仁组织区和异染色质区域杂交信号较
弱[28 ] 。中间偃麦草 C2带以端带为主 ,其中 ,附加系
B 的中间偃麦草染色体无明显 C2带 (未发表) 。那些
显 C2带的区域通常是异染色质区域。以 pTi28 为探
103 4 期 马有志等 :来自中间偃麦草基因组的类反转录转座子片段的克隆及其特征分析
针的染色体原位杂交结果表明 ,pTi28 以散在型分布
于中间偃麦草染色体区域 ,着丝点区域无杂交信号 ,
它的分布特征与报道的反转录转座子相似。
对于中间偃麦草的反转录转座子的研究尚无报
道 ,目前 ,我们正在对发现的类反转录转座子的结构
特征进行研究。
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203 作 物 学 报 30 卷
图 版 说 明
图 1 pTi28 与 BARE21 序列同源性比较
图 2 反转录转座子的 PBS序列比较 (Bare21、Tnt221、Tos321、WIS2 分别是来自大麦、烟草、水稻和小麦的反转录转座子。)
图 3 A1 反转录转座子的结构图 (LTR :长末端重复序列 ,PBS:引物结合位点 , gag :核心蛋白基因 ,pol :多酶基因 ,PPT:多嘌呤序列。) ;
B1 pTi28 在反转录转座子所处的位置 (虚线 :未知部分序列 ,P1、P2 :根据 pTi28 序列设计的引物。) ;
C1 以 P1、P2 为引物 ,中间偃麦草基因组 DNA 为模板的扩增结果 (1、2 列) (M:分子量标记 (λΠ EcoR Ⅰ+ Hind Ⅲ ) ,箭头所示为 8 kb 的扩
增片段。)
图 4 以 pTi28 为探针的 Southern 杂交分析 (1 :簇毛麦 ;2 :黑麦 ;3 :小黑麦 ;4 :硬粒小麦 ;5 :中间偃麦草 ;6 :普通小麦。A : Hind Ⅲ酶切产物 ;B :
EcoO109 Ⅰ酶切产物。)
图 5 生物素标记的 pTi28 与中间偃麦草染色体的原位杂交
图 6 生物素标记的 pTi28 与小麦2中间偃麦草染色体附加系 B 染色体的原位杂交 (箭头所示附加系中的中间偃麦草染色体。)
Explanation of Plate
Fig. 1 Sequence alignment of pTi28 with BARE21 (LTR : 1 - 88 bp , PBS: 89 - 107 bp , ORF of gag : 108 - 126 bp . )
Fig. 2 Comparisons of PBS sequences of retrotransposons(Bare21 , Tnt221 , Tos321 and WIS2 are retrotransposons from barley , tobacco , rice and wheat respec2
tively. )
Fig. 3 A1 General structure of retrotransposon(LTR : Long terminal repeats , PBS: Primer Binding Site , gag : group specific antigen , pol : Polyprotein , PPT:
Polypurine trarct1) ;
B1 Ti28 site in retrotransposon(The dotted regions : unknown sequence ; P1 , P2 : primers designed according to the sequence of pTi28. ) ;
C1 PCR products of retrotransposon from Th. intermedium genome with P1 and P2 primers (Line 1 , 2) (M: Molecular marker , Arrow shows the 8 kb
fragment from PCR. )
Fig. 4 Southern hybridization of genomic DNA probed by pTi28(1 : H. villosa , 2 : S . cereale , 3 : Triticosecale , 4 : T. durum , 5 : Th. intermedium , 6 : T.
acstivum . The genomic DNA were digested with Hind Ⅲ (A) and EcoO109 Ⅰ(B) , respectively. )
Fig. 5 In situ hybridization of the biotin2labeled pTi28 on Th . intermedium chromosomes
Fig. 6 In situ hybridization of the biotin2labeled pTi28 to chromosomes of wheat2Th . intermedium addition line B (Arrow shows the added chromosome of Th .
intermedium in the addition line B. )
马有志等 :来自中间偃麦草基因组的类反转录转座子片段的克隆及其特征分析 图版 Ⅰ
MA You2Zhi et al : Isolation and Characterisation of a Retrotransposon2like Sequence Derived from
Thinopyrum intermedium Plate Ⅰ
303 4 期 马有志等 :来自中间偃麦草基因组的类反转录转座子片段的克隆及其特征分析