全 文 :雪里蕻非特异脂质转运蛋白基因的克隆与分析*
田爱梅
(西安文理学院生物技术学院, 陕西 西安摇 710065)
摘要: 非特异脂质转运蛋白是植物生命活动中一类重要的活性蛋白, 这类蛋白在植物的抗性和防御中行使
着重要的功能。 近年来研究发现这类蛋白还与植物的有性生殖密切相关。 通过已得到的普通白菜的脂质转
运蛋白基因 BcMF15 的核苷酸序列, 在其基因全长两侧设计引物, 从雪里蕻中克隆得到该类活性蛋白基
因, 命名为 BjLTP (登陆号: EU082009)。 该基因全长 650 bp, 不含内含子。 不同组织的表达特征分析发
现, BjLTP在雪里蕻的花蕾、 开放的花中特异表达, 推测 BjLTP可能与花粉的发育有关。 蛋白质特征预测
及蛋白序列结构分析发现 BjLTP是一个跨膜蛋白, 具有显著的疏水区。 序列同源比对表明该基因与白花芥
蓝、 拟南芥等的脂质转运蛋白基因有很高的相似性, 证明 BjLTP是 LTP家族的成员之一。
关键词: 雪里蕻; 脂质转运蛋白; 基因
中图分类号: Q 943. 2摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码: A摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号: 2095-0845(2013)05-563-06
Isolation and Molecular Characterization of nsLTP鄄Like Gene
from Brassica juncea var. multiceps (Cruciferae)
TIAN Ai鄄Mei
(College of Biological Technology, Xi爷an University of Arts and Science, Xi爷an 710065, China)
Abstract: Non鄄specific Lipid transfer proteins ( nsLTPs) were a group of important active proteins in in higher
plants. Their function has been suggested to have a role in plant resistance and defense response. According to re鄄
cent studies, LTPs play an important role in plant reproduction and development. In this study, BjLTP was cloned
from Brassica juncea var. multiceps based on BcMF15 from Brassica campestris ssp. chinensis var. communis BjLTP
was 650 bp (EU082009) in length with no intron. RT鄄PCR analysis showed that BjLTP was expressed in flower buds
and open flower but not other tissues. The gene may act as nsLTPs involving in pollen development. Protein charac鄄
teristics and sequence structure were predicted, that it was a transmembrane protein with obvious hydrophobic re鄄
gion. BjLTP was identified as a Lipid transfer protein gene according to its high identity with Brassica oleracea
(MF15bh) and Arabidopsis thaliana LTP.
Key words: Brassica juncea var. multiceps; Lipid transfer proteins; Gene
摇 脂质转运蛋白 (lipid transfer proteins, LTPs)
是植物生命活动中一类重要的活性蛋白, 这类蛋
白在植物的抗性和防御中行使着重要的功能。 在
体外能够可逆地结合和转运多种脂质分子, 大多
数 LTPs结合脂质是非特异的, 因而又称为非特
异脂质转运蛋白 (ns LTPs)。 其显著的结构特征
是分子内有一个疏水穴, 在 N 端具有典型的信
号肽结构。 近年来研究发现, 这类蛋白不仅在植
物的抗性和防御中行使重要功能, 而且参与植物
的授粉、 受精及生殖发育过程 (刘群等, 2009;
刘梅等, 2011)。 花粉发育在植物生殖发育过程
中是一个研究热点, 许多与花粉发育相关基因的
植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 2013, 35 (5): 563 ~ 568
Plant Diversity and Resources摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 DOI: 10. 7677 / ynzwyj201312150
* 基金项目: 国家自然科学基金 (31372083)
收稿日期: 2012-11-13, 2013-02-04 接受发表
作者简介: 田爱梅 (1972-) 女, 博士, 副教授, 主要从事植物生物技术方面的研究。 E鄄mail: tianaimei@ 126. com
功能也相继被报道 (刘志勇等, 2011)。 Crossley
等 (1995) 对百合绒毡层特异的 cDNA文库进行
差异筛选, 分离出 16 个花药发育特异的 cDNA
片段, 分析发现在这些绒毡层特异表达蛋白中存
在有非特异性 LTP。 在油菜中绒毡层和小孢子特
异表达的 LTPs 可能参与了雄性生殖器官中沉积
花粉壁发育所需物质的功能。 Ariizumi 等 (2002)
发现拟南芥 LTP12 表达在花粉发育的单核和二
核花粉阶段, 并进一步定位在绒毡层, 它的功能
被认为在花粉发育过程中从绒毡层到花粉外壁传
递脂质 (Park等, 2000; 田爱梅和曹家树, 2008;
Chae等, 2009)。
摇 摇 本实验室在对矮脚黄普通白菜 (Brassica
campestris L. ssp. chinensis Markino var. communis
Tsen et Lee) 小孢子发育的研究中, 发现一个脂
质转运蛋白基因 BcMF15 ( GenBank accession:
EF600901), 并证实它在白菜两用系的可育株系
中特异表达, 而在不育系的相应部位不表达。 功
能验证研究发现 BcMF15 与白菜花粉发育密切相
关 (Tian等, 2009)。
摇 摇 雪里蕻 (Brassica juncea Coss. var. multiceps
Tsen et Lee) 属于十字花科芸苔属芥菜种, 是分
蘖芥的一个变种, 具有多种功效, 可以开胃消
食、 解毒消肿, 并且还有着抗癌的功效, 同时它
还是一种生命力强、 生长周期短的芸薹属植物
(虞慧芳等, 2007; 高乃波等, 2009), 适宜作为
转基因的材料。 本实验室已经建立了成熟的菜心
遗传转化体系, 并成功用于多种基因的转基因实
验。 为探讨脂质转运蛋白基因参与调控植物的花
粉发育的机理, 本研究从芥菜属的雪里蕻中首次
克隆出该类蛋白的 LTP 基因, 并对其序列特征、
时空表达和系统进化进行了初步分析, 为下一步
在雪里蕻中进行 BjLTP转基因研究提供支持。
1摇 材料与方法
1. 1摇 材料
以浙江大学蔬菜研究所细胞及分子生物学实验室保
留的雪里蕻种子为材料, 播于蔬菜研究所试验田, 按常
规进行田间管理。 在苗龄 40 d 时, 随机选单株, 每株取
2 ~ 3 片鲜嫩叶片, 并用 75%的酒精棉擦洗干净、 做好标
记、 用纱布包好, 立即投入液氮中, -75 益保存备用。
1. 2摇 主要试剂
TrizolR购自 Life Technologies 公司。 Taq DNA 聚合酶
和 DNA Ladder 购自北京鼎国生物技术有限公司生产。
cDNA合成试剂盒 SMARTTM PCR cDNA Synthesis Kit购自
美国 Clontech 公司。 EcoR玉、 DEPC、 IPTG、 X鄄gal 等购
自上海生工生物程技术有限公司。 T4 DNA 连接酶、
pGEM鄄T鄄easy鄄vector购自美国 Promega 公司。 大肠杆菌
(Escherichia coli) DH5琢菌株为本实验室保存。
1. 3摇 DNA提取、 RNA分离及 cDNA的合成
DNA提取参照 CTAB 法进行。 RNA 分离参照 Life
Technologies公司 TrizolR 的说明书进行。 RNA 沉淀用
DEPC水溶解, - 75 益 保存备用。 用分光光度计测定
OD260 和 OD280。 根据 OD260 值计算 RNA 的产量; 根
据 OD260 / OD280 值判断 RNA的质量。 RNA 甲醛变性凝
胶电泳检测 RNA 的质量参照 《分子克隆》 中的方法进
行。 cDNA第 1 链和第 2 链的合成参照 SMARTTM PCR cD鄄
NA Synthesis Kit User Manual进行。
1. 4摇 引物合成
根据 BcMF15 的 DNA 序列设计上下游引物 P1, P2
扩增目的基因的 DNA和 cDNA全长序列。 引物序列为:
P1: 5忆-CGAAGCTAATTATCACGAGAACTAC-3忆
P2: 5忆-CACCAACTTTATGCGTAATAAGCATG-3忆,
引物序列委托上海生物工程技术有限公司合成。
1. 5摇 目的基因的 PCR扩增、 克隆和测序
以雪里蕻总 DNA以及双链 cDNA为模板, 扩增基因
全长和 cDNA全长。
PCR反应总体积 25 滋L, 包括 DNA 模板 (20 ng
滋L-1) 1 滋L, 10* PCR 反应缓冲液 2. 5 滋L, dNTP (10
滋M) 0. 5 滋L, 上下游引物 (10 滋M) 各 0. 5 滋L, Taq 酶
(5 U·滋L-1) 0. 5 滋L, 反应条件为 94 益预变性 3 min; 94
益变性 30 s, 56 益退火 45 s, 72 益延伸 1 min, 30 个循
环; 72 益延伸 8 min。 扩增产物用 1. 0%的琼脂糖凝胶电
泳检测其大小、 纯度。 扩增结果用 INVITROGEN 公司的
DNA凝胶回收试剂盒回收, T4 连接酶 4 益连接过夜, 转
入 DH5a大肠杆菌中。 在含有 IPTG 和 X鄄gal 的氨苄青霉
素 LB培养基上挑选白色重组克隆。 挑取单个白色菌落,
以碱裂解法抽提质粒, 用 EcoR I进行单酶切鉴定和 PCR
鉴定后, 送上海生物工程有限公司测序。
1. 6摇 BjLTP基因的时空表达分析
分别用雪里蕻不同大小的花蕾、 开放花、 嫩角果、
茎和叶片进行取材, 液氮速冻, - 75 益保存备用。 总
RNA 提取与 cDNA第 1 链合成同 1. 3, 采用 茁鄄actin (Gen鄄
Bank accession number: EU012495) 作为参照, P1: 5忆鄄
TCTCTATGCCAGTGGTCGTA鄄3忆; P2: 5忆鄄CCTCAGGACAAC
GGAATC鄄3忆。 反应体系如下: cDNA 模板 0. 3 滋L, 10*
PCR缓冲溶液 2 滋L, 25 mmol·L-1的Mg2+ 1. 6 滋L, 1 引物
465摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 35 卷
P1 (20 滋M) 0. 5 滋L、 引物 P2 (20 滋M) 0. 5 滋L、 10 mmol
·L-1 dNTPs 0. 4 滋L、 Taq酶 (5 U·滋L-1) 0. 2 滋L, 加水到
总体积 20 滋L。 PCR程序: 94 益预变性 3 min; 94 益变性
30 s, 53 益退火 45 s, 72 益延伸 1 min, 25 个循环; 72 益
延伸 7 min, 4 益保存。 RT鄄PCR 产物经测序进行验证。
1. 7摇 核酸序列及编码蛋白的特征分析
利用 DNAStar 软件对从雪里蕻中得到的 BjLTP 核苷
酸序列进行分析, 包括序列的开放阅读框的查找、 氨基
酸序列的翻译。 预测蛋白质特征及蛋白序列结构分析通
过蛋白质专家分析系统 (http: / / ca. expasy. org) 进行。
1. 8摇 同源比对和系统树构建
根据已经分离的 BjLTP氨基酸序列及 LTP 家族的部
分成员, 参考王玲平等 (2005) 和陈玲 (2012) 的分析
方法, 利用 Clastal X 1. 83 软件进行多序列对齐和排序,
其结果用MEGA 3. 1 软件用 NJ法 (Neighbor Joining Meth鄄
od) 构建进化树。
2摇 结果与分析
2. 1摇 BjLTP基因 DNA全长和 cDNA全长的获得
分别以以雪里蕻 DNA 及 cDNA 为模板, 以
P1、 P2 为引物扩增获得 BjLTP 全长和 cDNA 全
长。 PCR扩增结果表明 (图 1), BjLTP 的 DNA
全长及 cDNA 全长均在约 650 bp 左右, 表明
BjLTP的 DNA序列中不含有内含子。 对所获 cD鄄
NA和 DNA扩增序列进行回收、 连接、 转化以及
测序。 测序结果表明: BjLTP 基因 DNA 及 cDNA
全长均为 650 bp, 将该序列递交 NCBI数据库
图 1摇 BjLTP基因 PCR扩增结果
泳道 1. 3 kb核酸分子量标记; 泳道 2. 以雪里蕻 DNA为模板
扩增结果; 泳道 3. 以雪里蕻 cDNA为模板扩增结果
Fig. 1摇 Amplication results of BjLTP
Lane 1, 3 kb DNA marker; Lane 2, amplified product with Brassica
juncea Coss. var. multiceps DNA as template. Lane 3, amplified
product with Brassica juncea Coss. var. multiceps cDNA as template
(GenBank accession: EU082009)。
2. 2摇 BjLTP序列特征分析
利用 DNAStar软件分析 BjLTP基因最大开放
阅读框为 312 bp, 编码 103 个氨基酸 (图 2),
对 BjLTP编码蛋白质的特征分析表明, 该基因编
码的氨基酸序列的分子量为 11. 36 kDa, 等电点
为 8. 577, pH=7 时的电荷为 5. 970。
含有碱性氨基酸 (K、 R) 12 个, 酸性氨基
酸 (D、 E) 6 个, 疏水氨基酸 (A、 I、 L、 F、
W、 V) 41 个, 极性氨基酸 (N、 C、 Q、 S、 T、
Y) 27 个。 通过 Prosite 数据库分析, 发现 BjLTP
编码的蛋白包含有多个生物活性位点 (图 2),
如信号肽 (1 ~ 22)、 酰胺化位点 (43 ~ 46)、 酪
蛋白激酶 II磷酸化位点 (99 ~ 102) 等。 通过蛋
白质专家分析系统 http: / / ca. expasy. org) 分析
结果表明 BjLTP编码了一个跨膜蛋白, 具有显著
的疏水区 (图 3)。
2. 3摇 BjLTP基因的时空表达分析
分别用雪里蕻不同发育阶段的花蕾、 开放花、
嫩角果、 茎和叶片的 cDNA为模板, 用 BjLTP 的
全长引物 P1、 P2 进行 RT鄄PCR 分析 (图 4) 表
明, BjLTP在小、 中、 大花蕾和开放的花中持续
表达, 而在嫩角果、 花茎、 叶片中都没有表达。
因此推测该基因可能与花粉的发育有关。
2. 4摇 BjLTP同源比对和系统树构建
把 BjLTP的 cDNA在 GenBank数据库用 blast
软件进行同源性搜索, 结果发现 BjLTP与白花芥
蓝 MF15bh (GenBank accession: EU082008) 有
92%的相似性, 与拟南芥的脂质转运相似蛋白
(lipid transfer protein, LTP) (GenBank accession:
EF182851) 有 88% 的相似性。 说明该基因是
LTP家族的成员之一。
用 MEGA3. 1 软件对蛋白序列构建进化树,
建树的蛋白序列来自玉米 (GenBank accession:
CAB65538, ACG24419, ACG33643 )、 拟 南 芥
( GenBank accession: AEE84633, AEE74544,
EF182851, AEE78898, BAD43566 )、 筷 子 芥
( GenBank accession: EFH47517 )、 蒺 藜 苜 蓿
(GenBank accession: AES79384 )、 大麦 ( Gen鄄
Bank accession: AAB47967 )、 芥蓝 ( GenBank
accession: EU082008) 及雪里蕻 ( GenBank ac鄄
cession: EU082009)。
5655 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 田爱梅: 雪里蕻非特异脂质转运蛋白基因的克隆与分析摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 BjLTP的序列分析结果。 单下划线部分表示扩增时的引物序列; 起始密码子和终止密码子加框表示; 阴影区是
该基因的 ORF; 双下划线部分表示酰胺化位点; 点划线表示磷酸化位点; 波浪线表示跨膜区
Fig. 2摇 The structure analysis of BjLTP. Single underline is sequences of primers; Initiation and stop code are shown in framing.
Shadow is open reading frame of BjLTP. Double Underlined is amidation site. Dot dash line is Casein kinase II
phosphorylation site. Wave line is transmembrane domain
图 3摇 BjLTP序列跨膜区的预测
Fig. 3摇 Prediction of transmembrane region
with ProtParam tool software
摇 摇 从进化树上 (图 5) 可以看出 BjLTP与白花芥
蓝 (Brassica oleracea) (MF15bh) 亲缘关系较近,
其次为拟南芥 (EF182851) 和苜蓿 (AES79384),
而与大麦 ( AAB47967 ) 和玉米 ( CAB65538,
ACG24419, ACG33643) 的亲缘关系较远。 LTP
蛋白属于一个大的蛋白家族, 在不断地进化过程
图 4摇 BjLTP在雪里蕻中的表达。 B1 代表小花蕾 (直径小于 2. 2
mm; B2 代表中花蕾 (直径在 2. 2 mm ~ 3. 4 mm 之间; B3 代表
大花蕾 (直径大于 3. 4 mm); F代表开放的花; Q代表嫩角果;
S代表花茎; L代表叶片。 茁鄄actin作为内参对照
Fig. 4摇 RT鄄PCR analysis of the spatial and temporal expression pat鄄
tern of the BjLTP in different tissues of Brassica juncea Coss. var.
multiceps. B1-B3, indicate small flower buds ( with bud diameters
less than 2. 2 mm), middle flower buds (with buds diameters approxi鄄
mately at 2. 2 mm-3. 4 mm) and big flower bud (with diameters grea鄄
ter than 3. 4 mm), respectively. F, indicate open flowers. Q, indicate
germinal siliques. S, indicate scapes. L, indicate leaves of seedling.
Transcripts for the ubiquitously expressed 茁鄄actin
were used as controls in RT鄄PCR
中, 逐渐形成不同的类别, 反映了这些物种进化
的规律, 其主要的三个分支和传统分类学吻合。
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图 5摇 基于推测的 BjLTP编码蛋白的氨基酸序列构建的 NJ系统进化树
Fig. 5摇 Phyiogenetic tree based on putative BjLTP protein and other LTP Proteins using NJ method
3摇 讨论
LTPs 基因属于一个多基因家族, 不同的
LTPs基因编码相似的蛋白质, 同一家族不同的
成员具有不同的表达模式, 同时每个基因的表达
模式受植物的生长发育阶段、 解剖结构、 生物或
非生物胁迫的影响 (Ei鄄Shesawi 等, 2011)。 植
物 LTPs一级结构在不同物种间的同源性相差较
大, 氨基酸序列同源性在 30% ~70%之间, 如水
稻 LTPs与其他单子叶作物的 LIPs 相比较, 同源
性高的可达 71% (玉米), 低的仅 43% (大麦)。
在本研究中我们也发现 BjLTP 与拟南芥 LTP 家
族不同成员间的亲缘关系存在较大的差异, 如
BjLTP与拟南芥 (GenBank accession: EF182851)
同源性相差较小, 而与拟南芥 (GenBank acces鄄
sion: AEE84633) 却表现出较低的同源性。 尽管
在 LTPs家族中存在这种多态性, 但它们都具有
LTPs的结构特点和特性 (郜刚等, 2008; 蒋倩
等, 2012)。 BjLTP与白菜的 BcMF15 基因的相似
性极高 (编码框内仅有 1 个核苷酸的差异), 都
属于脂质转运蛋白基因。 RT鄄PCR 分析结果证明
了 BjLTP在花粉发育过程中持续表达, 可能与花
粉的育性和花粉管的伸长有密切的关系。 我们已
对 BcMF15 的功能进行了分析发现: BcMF15 与
小孢子发育密切相关。 近年来, 相继有了关于
LTPs参与小孢子及花粉发育的研究报道 (Hang
等, 2009; Kato 等, 2010; Zhang 等, 2010), 因
此推测雪里蕻中的 BjLTP在花粉发育中必定起到
关键作用, 本课题组已在雪里蕻中进行转基因试
验, 深入探讨该基因的功能, 为进一步阐释 LTPs
在植物生殖发育方面的作用提供线索。
也参摇 考摇 文摇 献页
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