蘋果梨果實CHI基因cDNA克隆及表達分析

孫百靈 曲柏宏 楊宏霞 鹿艷新 王雪 曹麗

摘要 以蘋果梨果實為試驗材料，克隆得到CHI基因cDNA序列（片段），GenBank登錄號：JN120854，其長度為444 bp，推斷其編碼148個氨基酸序列。生物信息學分析結果表明，該氨基酸序列與其他植物CHI氨基酸序列的同源性在90%左右，與砂梨CHI氨基酸序列聚類關系最近，該CHI基因cDNA序列含有常用的限制性內切酶BamHI的識別位點。半定量RTPCR分析結果表明，隨著果實的成熟，套袋果與未套袋果CHI基因的表達量都不斷增加，但套袋果在果實成熟期的表達量明顯高于未套袋果。

關鍵詞 蘋果梨;果實;花青苷;CHI;表達分析

中圖分類號 S661.2 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12043-03

Molecular Cloning and Expression Analysis of Chalcone Isomerase Gene from Pingguoli Fruit

SUN Bailing1， QU Baihong2，YANG Hongxia2， CAO Li2* et al

（1. Vocational and Technical Education of Weichang ManMeng Nationality Autonomous County， Chengde， Hebei 068451; 2. Agricultural College of Yanbian University， Yanji， Jilin 133002）

Abstract Pingguoli fruit was used as material in the experiment， CHI gene cDNA sequence （fragment） was cloned， accession number： JN120854， partial sequence was 444 basepair， coding 148 amino acids. Bioinformatics analysis results show that CHI amino acid sequence homology is 90% with other plant， and CHI amino acid of the Pingguoli had closer relationship with Shali， there was a commonly used restriction enzyme site for BamHI from CHI gene cDNA sequence. The semiquantitative RTPCR technique showed that as fruit mature， expression of CHI gene is increasing constantly about bagged fruit and not bagged fruit， but bagged fruit of expression obviously higher than not bagged fruit in the fruit mature.

Key words Pingguoli; Fruit; Anthocyanin; CHI; Expression analysis

果實的顏色主要取決于果實下表皮細胞中的葉綠素、類胡蘿卜素、類黃酮以及花青素的含量。這幾種色素在果實不同發育階段含量不同，紅色品種從生長期過渡到成熟階段，果實的底色由綠變黃，同時在底色的基礎上著生紅色或紫紅色。底色的變化是由于葉綠素的分解和類胡蘿卜素含量的增加，而紅色的產生是由于花青苷的合成[1]。

花青苷是植物體內的一類次生代謝物質，是苯丙氨酸代謝的產物，目前對花青苷形成機制和影響因素已有詳細的報道[2-3]，甚至有人對花青苷生物合成的遺傳和發育調控也進行了研究[4-5]。花青苷在多種酶的催化作用下合成，其中查爾酮異構酶（CHI）在花青苷合成途徑中非常重要，在CHI缺乏的玉米突變體中，會出現查爾酮積累而使子粒呈古銅色。因此，筆者對蘋果梨果實CHI基因的cDNA克隆及表達分析進行研究，從分子生物學角度探討蘋果梨果實著色的生理機制，為進一步探明梨果實著色的分子機理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料。

采用延邊華龍集團果樹場綠色蘋果梨示范基地的蘋果梨果實，取樣后，果皮用錫箔紙包好，液氮速凍后，保存在-80 ℃冰箱中備用。

1.1.2 菌株和載體。

大腸桿菌DH5α為延邊大學農學院生物技術實驗室保存。pMD18T載體購自寶生物工程（大連）有限公司（Takara）。

1.1.3 酶和生化試劑。

EX Taq酶、普通Taq酶、反轉錄酶（MMLV）、dNTPs、凝膠回收試劑盒等均購自寶生物工程（大連）有限公司（Takara），引物由北京英駿生物技術有限公司合成。

1.2 試驗方法

1.2.1 套袋處理及取樣時期。

套袋種類選擇單面蠟質的洛川雙層紙袋。套袋時期為盛花后4～5周。在采前18 d進行解袋處理（雙層袋，先除去外層紙袋，3～5 d后除去內層袋）。分別在果實膨大期、著色期（前期、中期、后期）、成熟期取樣，未套袋的作為對照（CK）。

1.2.2 蘋果梨果皮總RNA的提取及cDNA合成。

采用改良的CTAB法提取果皮總RNA，該方法分別參考Zeng等[6]、王西成等[7]、Bekesiova等[8]和Porebski等[9]的核酸提取方法改進而成。將RNA溶于30 μl的DEPCH2O中，在1.2%的瓊脂糖凝膠上電泳檢測總RNA的完整性，電壓為5 V/cm，并用紫外分光光度計測定總RNA的A260、A280，其余置于-80 ℃冰箱中保存備用。

用寶生物工程（大連）有限公司（Takara）MMLV（RNase H-）反轉錄酶合成cDNA第一鏈，以Oligo（dT）18為反轉錄引物，起始RNA為3 μl 總RNA。

1.2.3 蘋果梨果實CHI基因的RTPCR擴增。

對NCBI上已登錄的西洋梨和砂梨栽培品種的CHI核苷酸進行多序列比對，利用Oligo 6軟件設計一對特異引物，對蘋果梨果實CHI基因進行RT-PCR擴增，引物序列：

上游引物5′ATGGCTCCACCACCATCGCTCGCT3′;

下游引物5′CGGTGGGAAGTTTTGATCTTTGAA3′。

PCR反應體系：25 μl 總反應體積中含模板第一鏈 cDNA 1 μl，上下游引物各1 μl（20 μmol/L），dNTP Mixture 1.5 μl（2.5 mmol/L），MgCl21.5 ?μl （25 mmol/L），Ex Taq DNA 聚合酶0.2 μl（5 U/μl），10×Buffer 2.5 μl，其余用重蒸餾水補充。

PCR反應條件：94 ℃ 5 min;94 ℃ 45 s，59 ℃ 45 s，72 ℃ 1 min，35個循環;72 ℃延伸5 min。PCR產物在1.2%瓊脂糖凝膠電泳觀察特異擴增片段。

1.2.4 PCR產物純化回收及測序。

參照TaKaRa Agarose Gel DNA Purification Kit Ver.2.0說明書進行PCR產物純化回收，于克隆載體pMD18T連接，連接產物轉化DH5α感受態細胞，經藍白斑篩選及PCR鑒定陽性克隆后，送北京英駿生物技術有限公司測序。

1.2.5 生物信息學分析。

同源性分析：借助DNA Star軟件，對所得序列與Genbank上有關序列進行同源性分析，挑選典型物種序列進行多序列比對，Gene doc生成比對結果，并利用該軟件對比對結果構建系統發育樹，進行系統發育分析。

利用DNA Star軟件確定CHI基因序列的酶切位點。

1.2.6 蘋果梨CHI基因的半定量RTPCR分析。

18SrRNA進行RTPCR可以被擴增出來，且經常用作內參基因[10]，反轉錄后根據18SrRNA基因的表達量確定不同處理cDNA模板的相對含量，根據18SrRNA基因的擴增量，調整各處理樣品的cDNA模板的絕對含量一致。對西洋梨和砂梨栽培品種的18SrRNA核苷酸進行多序列比對，設計一對特異引物，引物序列為：

上游引物5′GACTGTGAAACTGCGAATGGCTCA3′;

下游引物5′ACTATCCTACCATCGAAAGTTGAT3′。

PCR反應體系同CHI基因的RTPCR擴增。

PCR反應條件：94 ℃ 5 min;94 ℃ 45 s，54.8 ℃ 45 s，72 ℃ 1 min，35個循環;72 ℃延伸5 min。PCR產物在1.2%瓊脂糖凝膠電泳觀察特異擴增片段。

2 結果與分析

2.1 蘋果梨果皮總RNA完整性檢測

從圖1可以看出，改良的CTAB法提取的蘋果梨總RNA出現明顯的28 s、18 s、5 s 3條帶，帶型規則整齊，且28 s的條帶亮度是18 s的2倍，說明所提取RNA基本沒有降解，結構較為完整。

2.2 蘋果梨果皮總RNA的提取純度

通過A260與A280的比值可以判斷RNA的純度，高質量RNA的A260/A280應在1.8～2.0。改良的CTAB法提取RNA的A260/A280均介于1.8～2.0（表1），說明所提取的總RNA純度較高，濃度也較高，無蛋白質、DNA、多糖等物質的殘留。

2.3 蘋果梨CHI基因cDNA片段的克隆

由圖2可知，將提取的蘋果梨果皮總RNA反轉錄為cDNA，以cDNA為模板

注：1.果實膨大期;2.果實著色前期;3.果實著色中期;4.果實著色后期;5.果實成熟期。

圖1 不同時期取樣的套袋蘋果梨果皮總RNA電泳圖譜

表1 改良CTAB法提取總RNA紫外分光光度計分析結果

取樣時期A260A280A260/A280

果實膨大期0.0780.0411.897 6

果實著色前期0.0670.0351.932 4

果實著色中期0.0620.0321.961 8

果實著色后期0.0820.0431.909 8

果實成熟期0.0590.0311.871 4

進行RTPCR反應，用1.2%的瓊脂糖電泳檢測PCR產物，發

現擴增出一條444 bp的片段，與預測目的片段的大小一致。

圖2 蘋果梨CHI基因的RTPCR擴增

2.4 蘋果梨CHI基因多序列比對及其系統發育分析

蘋果梨CHI基因片段cDNA序列經Blast比對，發現與大多數已登錄的其他植物的CHI基因序列同源性在90%左右，其中與西洋梨有95%的相似度，說明已成功克隆出蘋果梨CHI基因片段。將該片段cDNA對應的氨基酸序列在NCBI上運行blastp，比對結果見圖3。由圖3可知，它與多種植物的CHI氨基酸序列具有較高的同源性，特別是與砂梨、西洋梨的同源性分別達到95%、93%。

圖3 蘋果梨和其他植物的CHI氨基酸序列比對結果

利用DNA Star軟件，對蘋果梨CHI氨基酸序列及從GeneBank中獲取的其他植物CHI氨基酸序列進行系統進化分析。從圖4可以看出，蘋果梨與砂梨CHI氨基酸序列聚類關系最近，預示植物CHI基因在進化過程中維系著較為保守的結構和功能。

2.5 CHI基因cDNA序列酶切位點

利用DNA Star軟件確定CHI基因cDNA序列的酶切位點，結果見圖5。由圖5

可知，所克隆的CHI基因cDNA序列富含多酶切位點，其中

含有常用的限制性內切酶BamHI的識別位點。

圖4 蘋果梨與砂梨、西洋梨、蘋果、桃、甜櫻桃CHI基因序列的系統進化樹

圖5 蘋果梨果實CHI基因序列的酶切位點

2.6 蘋果梨CHI基因的半定量RTPCR分析

應用半定量RTPCR研究了CHI在不同取樣時期的蘋果梨果皮中的表達，結果見圖6。由圖6可知，套袋果與未套袋果CHI基因在果實膨大期、著色期（前期、中期、后期）、成熟期均能檢測到，隨著果實的成熟，CHI基因的表達量不斷增加，但套袋果在果實成熟期的表達量明顯高于未套袋果。

注：1.果實膨大期;2.果實著色前期;3.果實著色中期;4.果實著色后期;5.果實成熟期。

圖6 不同取樣時期套袋與未套袋果實CHI基因的表達

3 討論

查爾酮異構酶是花青苷合成途徑中至關重要的酶，其作用主要是催化查爾酮環的閉合，因此，該基因的克隆對于花青苷合成的研究非常重要。該研究首次從蘋果梨果皮中克隆了CHI基因（片段），并通過半定量RTPCR技術對該基因的表達進行了分析，結果表明，套袋果在果實成熟期的表達量明顯高于未套袋果，這也是利用套袋技術來促進果實著色的原因，同時，也說明CHI基因是形成蘋果梨紅色果皮的關鍵基因之一。

通過在Genebank上檢索與蘋果梨近緣物種的CHI基因序列，結果發現蘋果梨CHI基因序列與西洋梨有95%的相似度，說明基因克隆成功。進一步對CHI基因進行多物種間親緣進化關系的比較發現，CHI基因在不同科植物間有較大的差異性，而在同一科CHI基因的保守性很高，因此可以利用CHI基因保守性強的原理進行同一科屬間基因的克隆，對于提高基因克隆的成功率具有重要意義。

42卷34期

孫百靈等 蘋果梨果實CHI基因cDNA克隆及表達分析

參考文獻

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