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Differentially expressed gene of indica/ javanica recombinant inbred line in rice at early stage of PEG stress

水稻籼爪重组自交系PEG胁迫早期基因差异表达分析



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 30(4):538—543 2010年 7月
水稻籼爪重组自交系 PEG胁迫
早期基因差异表达分析
樊庆鲁 一,肖国樱
(1.中国科学院 亚热带农业生态研究所,长沙 410125;2.中国科学院 研究生院,北京 100049)
摘 要 :把从籼爪重组自交系中筛选出的最耐旱材料(47—274)和最敏感材料 (47—299)在五叶一心时用 2O
PEG处理 6 h,取叶片进行 mRNA差异显示分析,获得 1O个差异表达的 cDNA片段。利用反式 Northern斑
点杂交法去除 6个假阳性片段 ,对 4个阳性片段(DT-DF1、DT-DF2、DT-DF3、DT-DF4)测序后进行同源性分
析,发现DT—DF3的蛋白产物与核酸结合位点和富亮氨酸重复结构域类蛋白B高度同源,DT—DF2与L哥L酸
氧化酶部分序列有同源性,DT-DF1没有找到同源蛋白质序列,DT—DF4与一个假设蛋白高度同源。
关键词:水稻;籼爪重组 自交系;PEG;干旱胁迫;差异表达基因
中图分类号 :Q786 文献标识码:A 文章编号:1000~3142(201o)o4—0538—06
Differentially expressed gene of indica/
iavanica recombinant inbred lin,in1 m n 13 e
rice at early stage of PEG stress
FAN Qing-LuI,2.XIAO Guo—YingI
(1.Institute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125,China;
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract:The drought tolerant line and drought sensitive line screened from the population of indica/Yavanica re—
combinant inbred line were stressed with 20 PEG(Polyethyleneglyco1)for 6 h at five-leaf stage of rice.Ten of cD-
NA fragments were isolated by mRNA diferentialy display reverse transcription PCR(DDRT-PCR),but only four
fragments were approved truth by reverse Northern dot bloting.These fragments named as DT-DFI,DT-DF2,DT-
DF3 and DT-DF4 were sequenced and then analyzed by Blast program.The putative protein of DT-DF3 was highly
homologous with NBS-LRR-Iike protein B and that of DT-DF2 was homologous with L-lactate oxidase.The putative
protein of DT-DF1 was not found homologous protein,and that of DT-DF4 was highly homologous with a hypothet—
ical protein.
Key words:rice;indica/javanica recombinant inbred line;PEG;drought stress;diferentialy expressed gene
中国是一个水资源短缺的国家,全球每年平均
降水量 800 rnm,中国仅为 630 1Tim,比全球的平均
数约少 2O 。中国人均水资源占有量仅为 2 400
IT1。
,是世界人均占有量的 1/4,被联合国列为 13个
贫水国之一(邱福林等,2000;廖显辉,2002)。干旱
在我国普遍发生,每年由于缺水造成国民经济损失
达 2 000多亿元(xg楠,1999)。据气象专家预测,到
2050年前,我国将处于一个大范围干旱频数显著增
多的时期。干旱缺水是 21世纪我国面临的最严重
的问题之一(章基嘉等,1990)。
收稿日期;2008—09—14 修回日期:2009-06—09
基金项目;国家科技支撑计划项目(2007BAD77B03);中国科学院知识创新工程重大项目(KSCX1一YW-03)[Supported by National Key Technology
Research and Development Program(2007BAD77B03);Key Project of Knowledge Innovation Program of Chinese Academy of Sciences(KSCX1一YW-03)]
作者简介:樊庆鲁(1980一),男,山东郓城人,在读硕士研究生,主要从事水稻耐早性研究,(E-mail)fanqinglu2007@126.corn。
通讯作者(Author for correspondence,E-mail:xiaoguoyin~r@isa.ae.cn)
4期 樊庆鲁等:水稻籼爪重组自交系 PEG胁迫早期基因差异表达分析 539
干旱是影响植物生长发育最主要的逆境 因子,
在过去十几年里植物逆境应答基因的功能及表达调
控受到广泛重视并得 到深入的研究 。利用 mRNA
差别显示技术已成功分离出水稻抗铝、抗盐、抗病、
耐淹涝、抗低温 、抗紫外线等多种逆境响应基因(张
立平等,1997;董海涛等,1998;周建明等,1999;Li
等 ,1999;黄旭等,2000;丁秀英等,2001;曾建敏等 ,
2003;Watanabe等,2004;陈永华等,2006;赵莉等,
2006;Liu等,2006;Tyagi& Chandra,2006)。但利
用 mRNA差别显示技术分离水稻耐旱基因的报道
很少,Tyagi Chandra(2006)对基 因型为 N22的
耐干旱水稻及其对照进行差异显示研究,得到一个
差异显示 cDNA片段,Northern blotting验证表 明
这一片段与干旱胁迫有关,数据库对比发现该片段
与编码 DI蛋白的 psbA基因同源。本研究对从籼
爪重组自交系群体中筛选出的最耐旱材料(47—274)
和最敏感材料(47—299)进行干旱早期差异表达基因
分析,以期为揭示耐旱机理提供信息、为耐旱基因的
进一步利用提供基础。
1 材料与方法
1.1材料处理与取材
以 2O 的 PEG-6000作渗透介质在芽期从水稻
籼型光温敏核不育 系准 S(43S)/爪 哇稻改 良品 系
770的重组自交系群体“准 7RIL”(270个株系)中筛
选出8个耐旱株系和 42个敏感株系(樊庆鲁等,
2008),把筛选出的材料经过苗期反复干旱后筛选出
最耐旱的株系 47—274和干旱最敏感的株系 47-299
供本实验使用。
取耐旱株系 47—274和敏感株系 47—299的种子
进行水培 ,待材料 长到五 叶一 心时 ,用 2O PEG-
6000(渗透势为一5.9 bar)水溶液处理 6 h,取叶片放
于一7O℃冰箱里保存备用。
1.2总 RNA提取与反转录
总 RNA使用 TRIZOL试剂盒(Invitrogen公司)
提取,反转录锚定引物由上海 Sangon公司合成。
物编号及序列为 M1:5 一
M2:5
TTTTTGA-3 ;M4:5 一

3 ;
A_C一3 ;M3:5-TTTTTTT
锚定引物和 1O个随机引物组成的引物对进行。随
机引物由上海 Sangon公 司合成 ,引物编号及序列
为 S1:5 一TCGGGGCATC-3 ;S2:5 一CTGAGGTC—
CT一3 ;S3:5-CTACGGCTGC_3 ;S4:5-AGCAG
GTGGA一3 ; S5: 5-ACTGCCCGAC一3 ; S6: 5 一
CCCCTCAGAA一3 ;S7:5-CTGGTGCTGA一3 ;S8:
5-TGGAGAGCAG- 3 ;S9:5-ACAACGCCTC-3 ;
$10:5-GAACACTGGG- 3
。 PCR反 应体 积为 2O
L,包括反转录产物 2 L,1O×PCR bufer 2 L,
锚定引物 1 L(100 ng/,uL),随机引物 1,uL(100
ng/taL),dNTP 1 L(各 2.5 mmol/L),Taq DNA
聚合酶 0.5 uL(2.5 U/uL),ddH2O 12.5 L。PCR
反应程序为 94℃ 5 min,(94℃ 1 min-40℃ 1 min一
72℃ 1 rain)×40,72℃延长 8 min。
1.4聚丙烯酰胺凝胶 电泳与银染
PCR扩增产物在 10 的变性聚丙烯酰胺凝胶
上电泳 3 h(电压为 800 V),凝胶的制备与银染参照
陈永华等(2006)所用的方法进行。
1.5差异片段的回收、重扩增
利用煮沸法(李拥军等,2005)从凝胶上回收差
异表达片段,用相同引物对回收产物进行 PCR重扩
增。重扩增产物经 1 琼脂糖凝胶电泳后,用琼脂
糖凝胶回收试剂盒(TaKaRa公司)回收纯化,用于
反式 Northern斑点杂交及克隆测序。
1.6差异片段的反式 Northern斑点杂交
在两张尼龙膜的相同位置上样 2 L同一差异片
段回收产物,8O℃真空烘烤 2 h固定后作为杂交受
体。将PEG处理 6 h的耐旱材料和敏感材料的RNA
分别反转录后用地高辛 DNA随机标记试剂盒(深圳
依诺金公司)对其进行标记。杂交信号检测使用地高
辛化学显色杂交检测试剂盒(深圳依诺金公司)。
1.7阳性片段的克隆测序
将反式 Northern斑点杂交检测为阳性的片段
与 pMD18一T载体(大连宝生物)1 L连接,转化大
肠杆菌DH5a菌株。把通过氨苄青霉素筛选和质粒
PCR鉴定为阳性的克隆接种至含氨苄青霉素的 LB
液体培养基上培养,取 1.5 mL菌液送上海 Sangon
公司测序。
GC-3 。使 2 结果与分析
用反转录试剂盒(Fermentas公司)进行反转录。
1.3反转录产物的 PCR扩增 2.1 PEG处理后差异表达基因分析
反转录产物的 PCR扩增使用与反转录相同的 40对引物扩增产物经 1O 聚丙烯酰胺凝胶电泳,
540 广 西 植 物 3O卷
回收后共得到 4个差异表达片段。其中 4个见图 1。
2.2反式 Northern斑点杂交结果
对获得的 lO个差异显示片段纯化后进行反式
Northern斑点杂交鉴定,得到 4个 阳性片段。图 2
表示在两张尼龙膜的相同位置上样 2 L相同的电
泳回收后 的纯化 产物 ,A膜 与干旱敏感 材料 (47一
B膜
2—■
7
S T
S T
299)PEG处理 6 h标记探针进行杂交,B膜与耐旱
材料(47—274)PEG处理6 h的eDNA标记探针进行
杂交。A膜无信号,B膜出现 4个信号,表明这 4个
片段受干旱胁迫诱导表达且只存在于耐旱株系中,4
个阳性片段分别命名为 DT—DF1、DT-DF2、DT—DF3
和 DT—DF4。
5
8
S T
S T
图 1 差异显示结果
Fig.1 The result of DDRT-PCR
S;敏感材料;T:耐旱材料,箭头所示为差异表达片段
S:Drought sensitive plant~T:Drought tolerant plant.The arrow marks the differential expressive band
图 2 反式 Northern斑点杂交结果
Fig.2 The result of reverse Northern dot blotting
A膜与干旱敏感材料用 PEG处理6 h叶片的eDNA标记探针杂交;B膜与耐旱材料用PEG处理6 h的叶片cDNA
标记探针杂交。DT-DF1、DT-DF2、DT-DF3、DT-DF4为 4个阳性片段。
2.3阳性片段的测序结果
对4个阳性片段进行克隆测序,测序结果如图3。
2.4序列分析及相似性比较
克隆的 4个 cDNA 片段序列用 Blast程序进行
同源性分析,发现它们位于水稻不同染色体上,核苷
酸相似性至少达到 98 ,说明它们确实是水稻基因
组的序列(表 1)。
DT—DF1的高度同源序列位于水稻第 3号染色
体上,.Blast X查询无相应蛋白序列与其推导蛋白产
物同源,推测其为新的基因片段。
DT—DF2位于水稻第 6号染色体上且与水稻
Os06g0133800 tuRNA 序 列 (登 录 号:NM 一
001063246.1)高度同源,其推导的蛋白质产物与 L_
乳酸氧化酶(登录号:MGAS618O)部分同源,但相似
性不高(27 )。
DT—DF3的高度同源序列位于水稻第 11号染
色体上且与水稻 NL—A,NL—B,NL—C和 NL-D基因
序列(登录号:AY518220.1)高度同源,其推导的蛋
白质 产物与 NBS—LRR—like protein B(登录号:
AAR99708.1)有 99 的同源性。
DT-DF4的高度同源序列位于水稻第 2号染色
体上,且与水稻 Os02g0557700 mRNA序列(登录号:
NM o01053676.1)高度同源,其推导的蛋白质产物与
假设蛋白OSL007525(登录号:EAY86292.1)有 99
4期 樊庆鲁等 :水稻籼爪重组 自交系 PEG胁迫早期基因差异表达分析 541
DT_DF1 1 CACGCTAGCTAGCTACTCGATCCACTTCATTATTACTTATCTTGTTTCTTCTCATATAATCTTGCTGCTAATTA
TTTCTTCCATATATTAATTCCCTATATATATGTATATATACTCGATCGTACTATATTTGTATACATCATCAATTACTTG
TAACTTCAATTAATCCTAGCTACATCGAAGAGGCAGGCGGCCCTAGTTAGTTTTCCTGTACTAGAAGCTAGTTAATTTT
CCTCTATGGAGTGTTATTATGAGTTGATTGAGTCGGGCAGTA (274 bp)。
D1 DF2:CGGGGCATCACCGCGGAGAACGTCATCGCAACAGCAAAGAGCCTGTAAGATTCAAACCGCGCGTTTTGAGTTT
TTGTCATCGTTGATGCCAAGGAACAGTATACATGAAGCCATGAAGGTCTTGTGCCCAAAGCTTGGAATAATGAAGGGA
GAGGGATGCCTGCATTGGAGCGTGAGTGGTATTTTAGGCCTGTAATAAGCACTGCTTTTCCATTTACGTTTGTTTTGT
TGGATCACTCCTTAGATGATTCATCAAGTTGAGCCTGATTCAATTGGG (277 bp)。
DT-DF3:AGCTTGCATGCCTGCAGGTCGACGATTACAACGCCTCAACATGCCTCAAATTGGGGCAGACATTTACACGCAGC
TCTCTCACTTGGGGAAGGTTGGAGATCCTCTCCAGGCCTTCGCATCCTTCAACTAAAAGGCAACCAGAGAGGAATGGGA
GGTCCTCCACCGTCTTCAAGCAACTTGTGTATCTTATCGAGAACTCCTTCAAGTTGGTGGCCTGCTGTCCAAGCTGTGG
TGGGAGAGCCCTCAGCTTGGGGCAGTTCAAAAGTTCCAACCTTGTCAAACAAGGCAGCAGCCACGACGACCTTGGAGTT
GGAGACAGGGCTTCTT AAGCAGCAGTTCCATCCT GGCTGCTGCAGCTGCTTCC
TCCTCCTGCACCTCTTCTTCTTCTTCAACAAAGGACCACTCTTCCCAGTTGGGCATATCCTCGATGATCAACAATTCAAG
CTTGGGGAAAGCAATTGTCTCTGTGGATCTGAGATTACCCTCCCAGGAGCCAACGAATTCGGGTCCAATCTTGGTGATT
GAACTTGCTCCCTTAATTTTCAAGTATTTCAAGTTTGGTATCTGTCCGATTGGTGGAAGCTGCAAGCAGGATTTGCAA
TCTGTGAGTTTCAAATATGTCAGTGAAGATAATTGGGAAGTACTAAGCCAGGTGGGGAATCTACAACAAAGGAAATT
CCCAACAAAAAGATCTTCTAAGTTGTGTGGAGGCGTTGAACCTGCTTGGACGAGGCGTTGTAATCTCTAGAGGATCCCC
GGGTACCGAGCTCGAATTCGTAATCATGGTCATAGCTGTTTCCTGTGTGAAATTGTTATCCGCTCACAATTCCACACAA
CATACGAGCCGGAAGCATAAAGTGTAAAGCCTGGGGTGCCTAATGAGTGAGCTAACTCACATTAATTGCG (934 bp)。
D_r_DF4:ATCGGTACCCGGGGATCCTCTAGAGATTGAACACTGGGCACCCAAGGCAGCTACGATGATACTAAGCCTTGGC
CTAGACGACAATGGCTCATCGCTCACCGTATGATGCTGTAGCAAATCTATATGCCGAACTAATCTCTGATGTATTGAG
TTGTAGTCCTTAACTTTGAACTGTTGTGCAACATTATGTTGTAGTTAGATCGAATCGACAGTGCGCTAATGGCTGTA
GCTGTGCGTACTGCTGGTTCGCTATCTCACAGTGATTCTGTACCGTATATTGATGATGATGATGAAACTGTGAATGG
GCAAAAAAAAAAAAAATCGTCGACCTGCAGGCATGCAAGC (345 bp)。
图 3 DT_DFI、DT—DF2、D DF3和 DT_DF4阳性片段克隆测序结果
表 1 DDRT-PCR法分离的 cDNA特征
Table 1 Characteristics of the eDNAs isolated bv DDRT—PCR
的同源性,其功能有待进一步的研究证明。
3 讨论
由于 mRNA差异显示技术具有快速、灵敏、简
单、可同时分析多个材料和所需起始材料量低等优
点(陈永华等,2005),自1992年创立以来,很快成为
研究基因表达以及克隆新基因的重要技术(谢晓东
等,2003;孟凡荣 等,2005;张海英等 ,2005)。目前 ,
国内大多实验室都采用常规的银染法,该方法的缺
点是银染时间太长。我们实验室采用的快速银染法
只需 30 rain,本实验和陈永华等(2006)的研究均证
明可以取得较好的实验效果。
对 DT—DF2进行 Blast X 比较 ,发现与 L--~L酸
氧化酶的部分序列同源。乳酸氧化酶能催化乳酸氧
化成丙酮酸,主要是在微生物和动物体内发现,植物
中的菠菜乙醇酸氧化酶属于乳酸氧化酶蛋白家族中
的一个成员(谷劲松等,2003)。乙醇酸氧化酶是植
物光呼吸过程中的关键酶之一 ,可以催化 乙醇酸氧
化成乙醛酸(晋剑锋等,2002)。推测 DT-DF2可能
与水分胁迫时光呼吸过程的某些 生理生化过程有
关,但由于只有 27 的蛋白质相似性,这种推测还
有待进一步证实。
DT—DF3位于水稻基因组的第 11号染色体上,
542 广 西 植 物 3O卷
对DT—DF3进行Blast X比较发现与核酸结合位点
(Nueleotide binding site,NBS)和富亮氨酸重复结
构域(Leucine—rich repeat,LRR)类蛋白B高度同
源。NBS-LRR类蛋白是植物中最多的一类抗病基
因编码的蛋白,NBS—LRR类基因编码的 NBS结构
域具有保守的基序 ,NBS结构域可能参与了抗病信
号的传递(Elis等,2000)。郭继虎等(2003)以小麦
旱选 10号为材料,利用 DDRT—PCR技术研究了种
子芽期水分胁迫处理和对照材料在 mRNA表达上
的差异,找到与编码 LEA蛋 白的 Em基因同源的基
因,说明小麦芽期对水分胁迫的应答方式之一也是
积累LEA蛋白,还有一个与热胁迫有关的 EST序
列。从转录水平上证明了植物对水分胁迫与热胁迫
应答的相似性。郭宾会等(2003)以小麦幼苗为材
料,对经过用 16 PEG溶液处理不同时间而诱导表
达的小麦基因进行 分离 ,在 GenBank查询发现 l1
个 eDNA片段分别与小麦、大麦、高粱等在旱、盐、
冷、病胁迫及 ABA处理诱导表达的已知序列有较
高的同源性,说明植物在受到水分胁迫时产生的应
答与在受到其它逆境胁迫的应答有内在的相关性,
即植物的交叉适应现象。
本研究通过 DDRT—PCR的方法分离得到了 4
个差异条带 ,是水稻受到干旱胁迫产生应激反应 的
基因表达情况或者是在植株受到干旱后启动特异或
相应的基因进行表达来抵御外界胁迫。这些片段中
有通过同源比较后可以推测其功能的基因序列,也
有功能未知的基因,这些基 因有的可能直接参与了
水稻耐旱的信号传递过程,有的则可能与信号传递
后水稻相应的生理生化变化过程有关,对这些基因
的克隆和功能分析将有助于从分子水平了解水稻对
干旱抗性的信号传导过程及其生理生化变化,为探
讨水稻耐旱机理并通过分子育种培育耐旱的水稻新
品种做出贡献 。
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