全 文 :丹参功能基因组学研究Ⅳ———丹参乙烯应答因子
(ERF)基因的分析
胥彬1,2,黄璐琦1,崔光红1,毛莹1,张辉2
(1.中国中医科学院 中药研究所,北京 100700;
2.长春中医药大学,吉林 长春 130117)
[摘要] 目的:获得丹参乙烯应答因子结合蛋白基因序列,并进行生物信息学分析和初步的表达特性研究。方法:利用
cDNA芯片技术,从不同时期毛状根中获得目的基因。利用BLAST进行序列比对,ORFfinder寻找开放读码框,Prosite分析蛋
白质的基本结构域。用半定量RTPCR检测其在丹参组培苗根、茎、叶中的表达情况。结果:得到1个乙烯应答因子结合蛋白
基因全长序列,全长952bp,具有1个699bp的开放读码框和87bp的5′非编码区、166bp的3′非编码区,推测的氨基酸序列
中含有1个高度保守的AP2/ERFDNA结合域,GenBankEF667000,命名为SmERF。半定量RTPCR表明,SmERF基因在丹参
组培苗根、茎、叶中均有转录水平的表达,根中表达量高于茎和叶中的。结论:首次得到丹参乙烯应答因子结合蛋白基因,为
其功能研究提供了基础。
[关键词] 丹参;乙烯应答因子结合蛋白;序列
[收稿日期] 20090302
[基金 项 目] 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (973)项 目
(2006CB504700);国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 (863)项 目
(2007AA02Z104)
[通信作者] 崔光红,Tel:(010)640144112956,Email:guang
hongcui@163.com
乙烯应答因子(ethyleneresponsivefactor,ERF)
属于AP2/ERF转录因子家族,是植物所特有的一类
转录因子[1],最早作为烟草中与PR基因启动子中顺
式作用元件GCC盒的结合蛋白分离得到[2],主要参
与调控植物对乙烯、干旱、高盐和低温等胁迫应答反
应[3]。近来的研究表明它不仅调控植物病害相关的
应答,还参与了植物渗透胁迫应答、ABA应答、生长发
育以及不同信号途径间相互作用等的调控[4]。
本研究通过不同时期丹参 Salviamiltiorhiza毛
状根的cDNA芯片杂交试验,得到1个丹参乙烯应
答因子结合蛋白基因的全长 cDNA序列,对其进行
详细的生物信息学和在丹参组培苗根、茎、叶中的表
达分析,为进一步深入研究ERF基因在丹参中的功
能和调控机制奠定基础。
1 材料和方法
1.1 ERF基因的克隆 采用 cDNA芯片技术克隆
ERF基因[56]。流程为 CTAB法提取丹参根总
RNA,采用Pharmacia公司 QuichprepTM MicromRNA
PurifiCationKit分离mRNA后,通过在cDNA分子两
端加上 EcoRⅠ/NotⅠ接头,在 T4多核苷酸激酶的
作用下磷酸化,与表达载体 λZAPExpressPrediges
tedVector连接,然后用包装蛋白在体外包装连接产
物,感染E.coliXL1BlueMRF'构建成 cDNA文库。
挑取分离良好的噬菌斑进行PCR扩增,经过电泳检
测、纯化、再次电泳检测后得到4354个克隆用于芯
片点制。以丹参 actin基因作为阳性对照,不含
DNA的点样液和PolyA为阴性对照。取6,7V固体
培养基上生长 45,60d的丹参毛状根进行芯片杂
交,探针标记采用间接标记法,芯片用 LuxScan1/A
双通道激光扫描仪进行扫描,用 GenePixP40图像
分析软件对芯片图像进行分析,数据用 Lowess方法
进行归一化。采用2倍差异标准结合 Ttest方法来
确定差异表达基因。
1.2 ERF生物信息学分析 差异基因经单侧测序
后,经过gap4软件进行拼接聚类形成 Unigene后进
行BLASTX,BLASTN比对分析,并对不同物种来源
的ERF基因用 DNAMAN进行多序列同源性分析。
采用NCBI的开放读码框寻找程序(ORFfinder)确
定该基因的开放读码框。通过 Prosite数据库(ht
tp://us.expasy.org/prosite/)分析 SmERF蛋白的结
构位点。
1.3 SmERF基因表达分析 用半定量 RTPCR检
·4652·
第34卷第20期
2009年10月
Vol.34,Issue 20
October,2009
测SmERF基因在丹参组培苗根、茎、叶中的表达情
况。取60d的丹参根、茎、叶,按 TRizol试剂盒(In
vitrogen公司产品)说明书操作提取总RNA,取1μg
总RNA模板按 RT试剂盒(Takara公司)说明书反
转录得到 cDNA。SmERF引物为 ERF111:5′
CGATTCTTCAAATGATGTCC3′, ERF310: 5′
GCGTGTTAAAGGTTCCGAGC3′,扩增 ERF编码区
220bp片段。内参 actin引物根据 NCBI网站上公
布的丹参 actin编码区 mRNA序列(DQ243702)设
计,actin101:5′CTGGCTTACATTGCTTTGG3′,ac
tin488:5′AGGAACCACCGATCCAGACA3′,扩 增
actin编码区内 408bp的片段。反应体系为 2μL
cDNA产物,2μL10×ExBufer,1μLdNTP,05μL
引物,03μLExTaq酶,终体积为20μL。反应条件
为94℃预变性5min,然后进行27个循环94℃ 30
s,54℃ 30s,72℃ 1min,循环结束后72℃延伸5
min。取5μL反应产物在含 EB的15%的琼脂糖
凝胶上电泳,用SYNGENE型凝胶成像系统照像,以
220bp和 408bp条带吸光度之比作为 ERF基因
mRNA的相对表达量。
2 结果
2.1 基因芯片杂交结果 通过cDNA芯片杂交、差
异基因测序、序列拼接及 BLAST比对分析,1个
Unigene被注释为乙烯应答因子结合蛋白基因,该基
因包含4条EST,在60/45d,即在60d材料中的表
达量明显低于45d中的表达量(表1)。由于45d
时为丹参毛状根的快速生长期,而60d时为次生代
谢产物的快速积累期[6],提示该基因可能与丹参的
生长发育相关。
2.2 丹参 ERF基因序列分析 该基因 cDNA全
长952bp,命名为 SmERF,并提交到 GenBank,注
册号为 EF667000。SmERF具有 1个 699bp的
开放读码框和87bp的5′非编码区、166bp的3′
非编码区,编码1个具有 232个氨基酸残基的多
肽,相对分子质量约为 263,等电点为 806。
Prosite在线分析表明在 71~128位氨基酸的 58
个氨基酸为高度保守的 AP2/ERFDNA结合域,
该结合域富含碱性氨基酸,是许多转录因子 DNA
结合域的典型特征[2]。SmERFDNA结合域与马
铃薯 Solanum tuberosum、棉 花 Gossypium barba
dence、拟南芥 Arabidopsisthaliana等植物 ERF结
合域的一致性很高,与马铃薯的相似性最高
(897%)。但全从序列来看,它们之间的一致性
比较低,与棉花的相似性最高503%。
表1 SmERF基因的cDNA芯片杂交
EST
基因表达量
1 2 3 4 5 6 7 8
平均值 标准差
chip25a04 04140 03722 03832 04210 04297 05578 04628 05480 044861) 00701
chip26h08 04245 04749 04218 05205 03973 04091 04228 03565 042841) 00496
chip15c03 03203 03292 03262 03836 04790 04437 04095 04992 039881) 00708
chip05a09 04397 03298 05137 03071 03659 05548 05445 05957 045641) 01114
注:1~8.60d与45d的芯片杂交结果;1)单样本t检验在99%水平上为极显著差异。
2.3 SmERF在丹参植株不同部位中的表达 以引
物ERF111和 ERF310对丹参组培苗的根、茎、叶
等组织的总 RNA进行半定量 RTPCR分析。结果
表明,SmERF在丹参组培苗根、茎、叶等组织中均有
转录水平的表达(图1)。SmERF与 actin面积的比
值分别为根078,茎056,叶029,可见该基因在根
中的表达量显著高于茎和叶的表达量,暗示 SmERF
在转录水平具有组织特异性。
3 讨论
植物体内存在大量的转录因子[2]。根据 DNA
结合域的不同,其被划分成很多家族,如参与植物防
卫与胁迫反应的转录因子家族主要有 AP2/ERF,
1.根;2.茎;3.叶。
图1 SmERF在丹参不同组织中的表达情况
bZIP,MYB/MYC和 WRKY家族等[7]。植物 AP2/
ERF超家族根据 AP2/ERF结构域的不同可分为3
个家族,AP2家族含有 2个重复的 AP2/EFR结构
域,ERF家族含有1个 AP2/ERF结构域,RAV家族
除含有1个AP2/ERF结构域外,还含有1个 B3结
·5652·
第34卷第20期
2009年10月
Vol.34,Issue 20
October,2009
构域[8]。本研究克隆的丹参 ERF基因具有1个由
60个左右氨基酸残基组成的非常保守的 AP2/ERF
结合域,属于AP2/ERF超家族中的ERF家族基因。
SmERF在丹参不同生长阶段的表达量具有显著的
差异,表明其可能在丹参的生长发育中起着重要的
作用,在植株中的表达分析表明它具有组织表达特
异性,该基因的克隆对于研究丹参的生长发育和对
各种胁迫反应的应答机制具有重要的意义。
[参考文献]
[1] RiechmannJL,RatclifeOJ.Agenomicperspectiveonplant
transcriptionfactors[J].CurOpinPlantBiol,2000,3(5):423.
[2] OhmeTakagiM,ShinshiH.EthyleneinducibleDNAbindingpro
teinsthatinteractwithethyleneresponsiveelement[J].Plant
Cel,1995,7(2):173.
[3] RiechmannJL,HeardJ,MartinC,etal.Arabidopsistranscrip
tionfactors:genomewidecomparativeanalysisamongeukaryotes
[J].Science,2000,290(5499):2105.
[4] ChalQavarthyS,TuoriRP,D'AscenzoMD,etal.Thetomato
factorPti4regulatesdefenserelatedgenesexpressionviaGCCbox
andnonGCCboxciselements[J].PlantCel,2003,15(12):
3033.
[5] 崔光红,黄璐琦,唐晓晶,等.丹参功能基因组学研究Ⅰ———
cDNA芯片的构建[J].中国中药杂志,2007,32(12):1137.
[6] 崔光红,黄璐琦,邱德有,等.丹参cDNA芯片构建及表达谱的
研究Ⅱ———毛状根不同时期基因表达谱分析[J].中国中药杂
志,2007,32(13):1267.
[7] EulgemT,RushtonPJ,RobatzekS,etal.TheWRKYsuperfam
ilyofplanttranscriptionfactors[J].TrendsPlantSci,2000,5
(5):199.
[8] SakumaY,LiuQ,DubouzetJG,etal.DNAbindingspecificity
oftheERF/AP2domainofArabidopsisDREBs,transcriptionfac
torsinvolvedindehydrationandcoldinduciblegeneexpression
[J].BiochemBiophysResCommun,2002,290:998.
FunctionalgenomicsofSalviamilitiorrhizaⅣ———Analysisof
ethyleneresponsiveelementbindingproteingene
XUBin1,2,HUANGLuqi1,CUIGuanghong1,MAOYing1,ZHANGHui2
(1.InstituteofChineseMateriaMedical,ChinaAcademyofChineseMedicinalSciences,Beijing100700,China;
2.ChangchunUniversityofTraditionalChineseMedicine,Changchun130117,China)
[Abstract] Objective:TostudytheethyleneresponsiveelementbindingproteingenesofSalviamiltiorhizathroughbioinfor
maticsandcharacterizationofitstissueexpressioninregeneratedplantlets.Method:Theethyleneresponsiveelementbindingprotein
geneswereobtainedbycDNAmicroarayanalyze.BLASTwasusedforalignment,ORFfindersoftwarewasusedtofindopenreading
frame,Prositedatabasewasusedtoanalyzetheprotein.SemiquantitativeRTPCRmethodwasusedtodetectthegeneexpressionlev
el.Result:Oneethyleneresponsiveelementbindingproteinwasobtained,namedasSmERF.SmERFhadanopenreadingframeof
699bpwith5′URT87bpand3′URT166bp.TheputativeproteinSmERFcontainsahighlyconservedERF/AP2domain.Semi
quantitativeRTPCRilustratedthatSmERFwasexpressedinaltissuessuchasroot,stemandleafinregeneratedshoots,whilethe
expressionlevelwashigherinrootthaninstemandleaf.Conclusion:ItwasthefirsttimetoobtainERFgeneinS.miltiorhizaand
setagoodfoundationforitsfurtherfunctionalstudy.
[Keywords] Salviamilitiorhiza;ethyleneresponsiveelementbindingprotein;sequence
[责任编辑 吕冬梅]
·6652·
第34卷第20期
2009年10月
Vol.34,Issue 20
October,2009