花生種皮中一種NBS類抗病基因的克隆與序列分析

石運慶 陳 高 孫 兵 單世華 陳 靜 苗華榮 胡曉輝

摘 要:利用植物抗病基因核苷酸結合位點(NBS)的保守區設計一對特異引物,以抗、感黃曲霉病花生品種J11和金花1012的種皮基因組DNA和RNA為材料進行DNA-PCR和RT-PCR擴增,經克隆、測序,得到一條504 bp的目的片段pnbs1,在GenBank上的登錄號為GQ199610。Blast和Blastx分析發現pnbs1核苷酸序列與C8V1G10F 抗性蛋白的核苷酸序列的同源性為89%,與抗性蛋白PLTR的氨基酸序列同源性為59%。該片段的氨基酸序列中含有抗病基因NBS區域的3個保守模體:GPGGVGKTT、KKFFIVLDDVW和STILLTTR,推測pnbs1可能是花生NBS類抗性基因的核心區域。

關鍵詞:花生種皮;NBS類抗病基因;克隆;序列分析

中圖分類號:Q785 文獻標識號:A 文章編號:1001-4942(2009)12-0001-06

花生(Arachis hypogaea L.)是我國重要的油料作物和經濟作物,為我國提供了豐富的花生制品和油脂[1]。雖然我國的花生產業在世界上占有非常重要的地位,總產、單產和出口量均居世界首位,但也面臨著諸如黃曲霉毒素污染、青枯病、褐斑病、葉斑病等問題[2,3],嚴重影響著我國花生產業的可持續發展。通過化學藥劑防治植物病害,會帶來病原物抗性和環境污染問題,其應用受到越來越多的限制。篩選和培育抗病品種是最經濟、有效、安全的防御病害的途徑,但傳統的抗病育種方法周期長、效率低[4]。利用分子標記、轉基因等生物技術可以大大縮短選育抗病品種的時間,提高選育效率。

圖位克隆法和轉座子標簽法為經典的植物抗病基因分離方法,適用于基因組較小的植物(如擬南芥、番茄等),對小麥、大豆、花生等植物則不適合[5]。已克隆的植物抗病基因在氨基酸水平上表現出了一定程度的相似性,在一些區段高度保守,如核苷酸結合位點(nucleotide binding site, NBS)、亮氨酸拉鏈(leucine zippers, LZ)、富含亮氨酸重復序列(leucine-rich repeats, LRR)、絲氨酸/蘇氨酸激酶(serine-threonine kinase, STK)、跨膜結構域(transmembrane domain, TM)及Toll白介素-1區域(Toll-interleukin-1 region, TIR)等。其中以NBS結構域為主,它能夠結合ATP或GTP,在植物抗病反應中起重要作用[6,7]?？共』虻谋Ｊ匦允沟猛葱钥寺〕蔀榭赡?。同源克隆技術是近年來興起的基因分離技術,目前已應用于植物抗病基因及其同源物的分離,且已利用其從擬南芥、水稻、小麥、大麥、大豆、玉米、甘薯、黃瓜、番茄和香蕉等植物中分離了許多抗病基因同源片段[5～9,11～18]。

花生基因組較復雜且花生栽培種是異源4倍體,遺傳背景不清楚,與其它作物相比,花生抗病基因的分離相對滯后,但也已得到了一些抗性基因同源片段。Yuksel等(2005)[22]根據已知的抗病基因保守區設計了4對兼并引物(PLTR、PNTR、PCF、PRGA)和2對特異引物(PCRE、PPTO),利用PLTR引物,獲得179個片段,經Blast分析后只有95個片段有完整的開放閱讀框, 43個片段含有1個或多個終止密碼子。晏立英等(2007)[23]利用已克隆的植物抗病基因的NBS區域設計兼并引物或特異引物,從花生栽培種中花6號幼葉中獲得了5條具有連續ORF的抗病基因類似物(Resistance gene analogs, RGAs)序列。本研究根據已知的抗病基因NBS保守區設計一對特異引物,采用同源克隆技術,試圖從抗、感黃曲霉病花生品種的種皮中分離出花生抗黃曲霉基因,進而對該基因的組織結構和表達特性進行分析研究,為功能性花生抗病基因的分離和遺傳轉化奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 植物材料

抗黃曲霉病花生品種J11和感病品種金花1012種植于日光溫室中,在莢果充實期取樣,以兩品種的種皮作為試驗材料。

1.2 試劑

PCR反應所需試劑,各種限制性內切酶,凝膠回收試劑盒等,購自TIANGEN公司和TaKaRa公司。

1.3 方法

1.3.1 花生總DNA和總RNA提取

利用改良的SDS法[21]提取兩花生品種的種皮基因組DNA;采用TIANGEN公司的植物RNA提取試劑盒分別提取兩花生品種的種皮總RNA。

1.3.2 DNA-PCR擴增

根據抗病基因產物的保守NBS結構域設計并合成以下引物:

正向Pf: GGACCTGGTGGGGTTGGGAAGACAAC;

反向Pr: CAACGCTAGTGGCAATCC。

DNA-PCR反應條件:30 μl反應體系包含10×buffer 3.0 μl,25 mmol/L MgCl2 2.0 μl,2.5 mmol/L dNTP 1 μl,(10 μmol/L)Pf 1 μl, (10 μmol/L)Pr 1 μl, 50 ng/L DNA模板1 μl。

反應程序:94℃預變性5 min;94℃變性55 s,45～60℃退火45 s,72℃延伸1 min,35個循環;72℃后延伸10 min,4℃保存。

1.3.3 RT-PCR擴增

引物同上。反應條件:使用TaKaRa公司的RT-PCR試劑盒,50 μl體系,10×One Step RT-PCR Buffer 5 μl,One Step Enhancer Solution 1 μl, dNTP Mixture (均10 mmol/L)2 μl,RNase Inhibitor (40 U/μl) 1 μl,PrimeScriptTM RTnase (for 1 step) 0.5 μl,TaKaRa Ex TaqTM HS(5 U/L)1 μl,上游引物(10 μmol/L)1 μl,下游引物(10 μmol/L)1 μl,Total RNA 1 μl。

反應程序:50℃ 30 min;94℃ 2 min,94℃ 30 s,55～65℃ 30 s,30 循環;72℃ 1 min。

1.3.4 PCR產物的克隆

使用1.2%瓊脂糖凝膠電泳分離PCR產物,用BioFlux公司的凝膠回收試劑盒回收目的帶,連接到pBS-T載體上,轉化TOP10感受態細胞,藍白斑篩選,挑取陽性單菌落(白斑)搖菌培養,用TIANGEN公司的質粒小量提取試劑盒提取質粒,用HindⅢ和EcoRⅠ進行酶切。

1.3.5 序列測定和分析

測序委托TIANGEN公司和三博遠志公司完成。序列分析用BLAST和DNAMAN等軟件,所用數據庫為GenBank。

2 結果與分析

2.1 花生中NBS類抗病基因同源片段的分離

以抗黃曲霉病花生品種J11和感病品種金花1012的種皮基因組DNA為模板,經PCR擴增后在兩材料上出現一條與預期大小相符的500 bp左右的條帶(圖1),以及2條分子量較小的條帶。以兩品種種皮RNA為模板,經RT-PCR擴增后在兩材料上都僅得到一條500 bp左右條帶(圖2)。

含有目的帶的重組子經HindⅢ和EcoRⅠ雙酶切后出現兩條帶,分別為目的帶和載體帶(見圖3)。

2.2 同源片段的核苷酸序列分析

從重組子中任意挑選5個測序。經測序發現,目的片段長504 bp,命名為pnbs1,GenBank登錄號為GQ199610。經Nucleotide blast分析發現pnbs1核苷酸序列與野生種Arachis cardenasii C8V1G10F的抗性蛋白假基因的核苷酸序列的同源性為89%(圖4),推測pnbs1可能是花生抗性基因的部分序列。

2.3 同源片段的氨基酸序列分析

Blastx分析發現pnbs1與抗性蛋白PLTR的氨基酸序列同源性為59%,在NBS保守區域和疏水結構域氨基酸序列基本相同(圖5)。

2.4 同源片段的NBS保守區域分析

根據核苷酸序列推導的pnbs1氨基酸序列中含有抗病基因NBS區域的3個保守模體:磷酸結合環(p-loop)GPGGVGKTT,激酶2a KKFFIVLDDVW,激酶3a STILLTTR(圖6)。同時將pnbs1的這3個保守區與大豆的SR1基因、煙草的N基因、亞麻的L6基因和擬南芥的Rps2的保守區進行比對分析,結果見表1。

3 討論

黃曲霉毒素是黃曲霉菌(Aspergillus flavus)侵染花生等作物后產生的對人體有極強致癌作用的次生代謝物質,黃曲霉毒素污染一直是制約我國花生出口增長的重要因素。選育抗黃曲霉菌的花生品種是最經濟有效的途徑?；ㄉN皮是抵抗黃曲霉侵染的天然屏障,種皮的完整性有利于提高黃曲霉抗性[25]。單世華等(2007)[26]利用基因芯片技術進行了抗、感黃曲霉菌差異基因表達分析研究,發現在種皮發育階段抗、感花生種皮中存在大量的差異表達基因。

本研究根據已知抗性基因的保守區設計引物,從花生的種皮中獲得了一條抗性基因片段pnbs1,經Nucleotide blast分析發現pnbs1核苷酸序列與Arachis cardenasii 的C8V1G10F核苷酸序列的同源性為89%。Blastx分析發現pnbs1與抗性蛋白PLTR的氨基酸序列同源性為59%,該抗性片段的氨基酸序列中含有已知抗病基因NBS區域的3個保守模體磷酸結合環(p-loop)、激酶2a和激酶3a,另外,C-末端還有疏水結構域。因此,推測pnbs1很可能就是花生的NBS類抗性基因的核心區域。

本試驗利用設計的特異引物,從花生種皮的DNA和RNA中都獲得了一條目的帶,經測序后發現兩條序列完全相同,證明pnbs1序列中沒有內含子;該基因的核心片段在抗黃曲霉病花生品種和感病品種中完全相同。pnbs1核苷酸序列推導的氨基酸序列的3個保守區與大豆的SR1基因、煙草的N基因、亞麻的L6基因和擬南芥的Rps2的保守區比對分析,發現它們具有很大的同源性。推測,NBS類抗黃曲霉病基因可能是一類組成型表達的基因[27],以多基因家族的形式存在于染色體上[6],在抗病品種染色體上的拷貝數多于在感病品種上的拷貝數;或此基因可能是非抗黃曲霉病的NBS類抗性基因,這需要通過RACE技術獲得全長序列后進行原核表達或轉基因試驗進一步驗證。

參 考 文 獻:

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