小黑楊玃sneIF5A2/4基因植物表達載體的構(gòu)建及在煙草中的轉(zhuǎn)化研究

趙思雯　 鄭唐春　 臧麗娜等

摘要 [目的]研究楊樹eIF5A基因的功能，為林木抗性育種研究提供參考。[方法]構(gòu)建植物表達載體，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化煙草葉盤，并對轉(zhuǎn)基因煙草進行分子水平鑒定。[結(jié)果]楊樹eIF5A基因已經(jīng)整合入煙草基因組中，且轉(zhuǎn)基因煙草比野生型煙草葉片抗重金屬能力提高。[結(jié)論]楊樹eIF5A基因能促進轉(zhuǎn)基因煙草的抗脅迫能力，為林木抗逆育種機理奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 楊樹（Populus spp.）；eIF5A；煙草；脅迫

中圖分類號 Q786；S718.46 文獻標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）08-02286-05

Construction of Plant Expression Vector Containing PsneIF5A2/4 Genes of Populus simonii×Populus nigra and Its Genetic Transformation in Tobacco

ZHAO Siwen，QU Guanzheng et al （State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract [Objective] To find the gene functions of eIF5A of Populus simonii×Populus nigra and to lay the theoretical foundation for resistant breeding of forest trees. [Method] The eIF5A genes were constructed in plant expression vector and transformed into tobaccos using agrobacteriummediated procedure. Then， the transgenic tobaccos were identified by PCR. [Result] The eIF5A genes were integrated into the genome of tobacco and the transgenic tobaccos all improved viability under heavy metal stress when comparing with the wild type tobacco. [Conclusion] The eIF5A genes have a potentiality to improve viability under a biotic stresses in transgenic plants， and they lay the theoretical foundation of tree breeding for stress tolerance.

Key words Populus spp.； eIF5A； Tobacco； Stress

真核生物的翻譯起始因子5A（Eukaryotic translation initiation factor 5A，eIF5A）是一種高度保守的蛋白質(zhì)，在真核細胞內(nèi)普遍存在，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的惟一一個含有hypusine殘基的蛋白質(zhì)。eIF5A蛋白對hypusine的修飾是其發(fā)揮功能、細胞存活和增殖所必須的[1-2]。eIF5A在蛋白質(zhì)合成起始起作用，通過促進一些特異mRNA 的轉(zhuǎn)移及相關(guān)特異基因的表達來促進細胞的增殖、衰老、死亡，或者產(chǎn)生環(huán)境脅迫的應(yīng)答和抵抗能力[3]。例如，Liu等發(fā)現(xiàn)擬南芥eIF5A1對木質(zhì)部形成有促進作用，轉(zhuǎn)基因擬南芥木質(zhì)部比對照含量高出1倍[4]；而擬南芥eIF5A2是引起細胞程序死亡的信號傳導(dǎo)途徑的一個關(guān)鍵因素，擬南芥eIF5A2能夠調(diào)控由有毒力的Pst DC3000侵染所引起的細胞程序死亡[5]。從目前的研究來看，大多數(shù)的eIF5A主要克隆于模式植物（如擬南芥）和其他甜土植物（如水稻、玉米和小麥等），而克隆于木本植物的eIF5A基因研究鮮有報道。

楊樹（Populus spp.）是一種分布廣、適應(yīng)強、周期短和需求大的重要經(jīng)濟樹種，不僅是發(fā)展人工林是解決木材短缺的重要途徑之一，同時也是木本轉(zhuǎn)基因植物中的模式植物[6]。課題組前期已經(jīng)對毛果楊中4個eIF5A基因的生物信息學(xué)進行了分析，并且利用釀酒酵母初步研究轉(zhuǎn)小黑楊eIF5A基因酵母在不同非生物脅迫下的抗性[7-8]。筆者通過構(gòu)建植物表達載體，利用農(nóng)桿菌侵染煙草，獲得轉(zhuǎn)基因煙草植株，并進行重金屬離子脅迫，以期為進一步開展楊樹eIF5A基因在逆境脅迫中的作用和利用基因工程手段提高重要經(jīng)濟林木抗性奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究對象。楊樹，采自東北林業(yè)大學(xué)校園多年生小黑楊雄株；野生型煙草（Nicotiana tabacum），由實驗室保存。

1.1.2 主要試劑。植物表達載體prok II質(zhì)粒，由山東師范大學(xué)張慧教授惠贈；質(zhì)粒提取和膠回收試劑盒，購自O(shè)MEGA公司；PrimeScriptTM RT reagent Kit、DNA marker、PCR相關(guān)試劑、限制性內(nèi)切酶和T4 DNA ligase，購自TaKaRa公司；pEasyT1載體和EasyPure Plant RNA Kit，購自全式金公司；其他試劑為進口或國產(chǎn)分析純，市售。

1.1.3 供試菌種。大腸桿菌DH5α感受態(tài)，購自天根生化科技有限公司；農(nóng)桿菌菌株EHA105，實驗室保存。

1.2 小黑楊PsneIF5A基因的克隆 用EasyPure Plant RNA Kit試劑盒提取小黑楊幼葉的總RNA，檢測純度和濃度后，以0.5 μg總RNA為起始材料，采用PrimeScriptTM RT reagent Kit試劑盒進行cDNA合成。以單鏈cDNA為模板，利用表1中克隆基因的引物進行PCR 擴增。

1.3 植物表達載體的構(gòu)建及轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌 通過表1中構(gòu)建載體的引物擴增目的片段，連接pEasyT1載體后，送華大公司測序。測序成功后，分別利用限制性內(nèi)切酶Xba I、Sac I雙酶切pEasyT1PsneIF5A2、pEasyT1PsneIF5A4和prok II質(zhì)粒，分別回收目的片段后，利用T4DNA連接酶連接后從而得到prok IIPsneIF5A2和prok IIPsneIF5A4植物表達載體，提取質(zhì)粒送北京華大公司測序。測序成功后，采用液氮凍融法將prok IIPsneIF5A2和prok IIPsneIF5A4質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)化入農(nóng)桿菌EHA105感受態(tài)細胞，挑取單克隆經(jīng)菌液PCR驗證陽性轉(zhuǎn)化子。

1.4 煙草的遺傳轉(zhuǎn)化 參考律鳳霞和趙勤的煙草轉(zhuǎn)化方法[9-10]：①無菌操作下，將菌液（OD600=0.6）轉(zhuǎn)入離心管中離心5 min（3 000 r/min），棄去上清液，將收集到的菌體用無菌水稀釋至終濃度的OD600在0.2～0.3，即可作為侵染用菌液；②無菌操作下，將切成長寬1.0 cm大小的煙草葉片，在侵染液中浸泡2～3 min，輕輕搖晃侵染液，然后用無菌濾紙吸去多余菌液；③將侵染過的葉片在不含抗生素的分化培養(yǎng)基（MS+0.5 mg/L 6BA+0.05 mg/L NAA）上培養(yǎng)，（25±2）℃暗培養(yǎng)條件下共培養(yǎng)2 d；④將共培養(yǎng)的葉片在含有200 mg/L的頭孢霉素溶液中清洗3～5 min，用無菌濾紙吸干多余水分后，將葉片放在含有相應(yīng)抗生素的分化培養(yǎng)基（MS+0.5 mg/L 6BA+0.05 mg/L NAA+50 mg/L卡那霉素+500 mg/L頭孢霉素）上培養(yǎng)。第1周每隔2 d脫菌1次，之后每7 d脫菌1次，直至分化出小芽；⑤待抗性芽長成葉片后，將葉片切下在含有抗生素的分生培養(yǎng)基上培養(yǎng)進行2次篩選分化；⑥待2次分化的不定芽長到1.0 cm左右，切下，移入含抗生素的生根培養(yǎng)基上，進行生根培養(yǎng)（MS+0.25 mg/L NAA+50 mg/L卡那霉素+500 mg/L頭孢霉素）。

1.5 轉(zhuǎn)基因植株的PCR檢測 CTAB法提取篩選后的煙草株系葉片DNA，進行PCR檢測，篩選陽性株系。利用表1中prok II通用引物進行PCR擴增。反應(yīng)程序如下：94 ℃預(yù)變性4 min，94 ℃變性30 s，58 ℃退火30 s；72 ℃延伸45 s，共35個循環(huán)；再于72 ℃再延伸7 min，PCR結(jié)束后取3 μl反應(yīng)產(chǎn)物，進行1%瓊脂糖凝膠電泳分析。

1.6 轉(zhuǎn)基因煙草株系耐重金屬Cd2+試驗 選取經(jīng)PCR初步檢驗的陽性轉(zhuǎn)基因植株，切取長勢相同的轉(zhuǎn)基因與野生型煙草葉片，放置在含有300 μmol/L的CdCl2的MS分化培養(yǎng)基上培養(yǎng)，觀察煙草葉片對重金屬離子的耐受性。每個處理3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小黑楊PsneIF5A基因的克隆 圖1A表明，利用RNA提取試劑盒，從小黑楊組培苗中成功提取總RNA，經(jīng)檢測濃度及質(zhì)量均可用于下一步試驗。圖1B表明，以花芽總RNA反轉(zhuǎn)錄的cDNA為模板，成功克隆到2條eIF5A基因序列，暫時命名為PsneIF5A2（GenBank No.KC521463）和PsneIF5A4（GenBank No.KC521464）。通過對核酸序列分析發(fā)現(xiàn)，這2條同源基因的開放閱讀框（ORF）均為483 bp，共預(yù)測編碼160個氨基酸。通過ExPASY網(wǎng)站（http：//www.expasy.org/tools/pi_tool.html）在線分析，預(yù)測2條同源基因編碼蛋白的分子量大約為17.5 kDa，等電點pI為5.60。

2.2 植物表達載體的構(gòu)建及驗證 利用限制性內(nèi)切酶Xba I、Sac I雙酶切pEasyT1PsneIF5A2、pEasyT1PsneIF5A4和prok II質(zhì)粒，分別回收目的片段后，利用T4DNA連接酶連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌，從而得到prok IIPsneIF5A2和 prok IIPsneIF5A4重組質(zhì)粒（圖2 A～B）。分別挑取3個單克隆進行初步的質(zhì)粒PCR檢測，獲得700 bp左右目的條帶（圖2 C）。抽提質(zhì)粒送公司測序結(jié)果顯示，小黑楊PsneIF5A基因分別整合到植物表達載體prok II中，未發(fā)生堿基突變，至此植物表達載體構(gòu)建完成。采用液氮凍融法將prok IIPsneIF5A2和 prok IIPsneIF5A4質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)化入農(nóng)桿菌EHA105感受態(tài)細胞，隨機挑取6個單克隆經(jīng)菌液PCR驗證，結(jié)果顯示均為陽性轉(zhuǎn)化子（圖2 D）。

2.3 轉(zhuǎn)基因植株的獲得及驗證 用含有prok IIPsneIF5A的農(nóng)桿菌EHA105轉(zhuǎn)化煙草葉片后，經(jīng)4～5周的選擇培養(yǎng)，從葉片周圍的愈傷組織分化出綠色或淡綠色的抗性芽。將抗性芽分割后培養(yǎng)，繼而獲得大量從生芽（圖3 A）。待叢生芽長出葉片后，將葉片切下在含有抗生素（50 mg/L卡那霉素）的分化培養(yǎng)基上進行2次篩選（圖3 B）。將2次分化獲得的芽在生根培養(yǎng)基中進行生根定植，獲得完整轉(zhuǎn)基因煙草植株（圖3 D）。提取生根植株煙草葉片基因組DNA，利用載體prok II的通用引物進行PCR反應(yīng)。結(jié)果表明，在檢測的6株抗性煙草植株中，均擴增出了大小為700 bp左右片段，而以野生型煙草為對照的反應(yīng)，未擴增出條帶，因此推測外源基因已經(jīng)整合入煙草基因組中（圖3 C）。

2.4 轉(zhuǎn)基因煙草的耐重金屬Cd2+試驗 挑選長勢相同的轉(zhuǎn)基因及野生型煙草進行Cd2+脅迫試驗，同時選取多個轉(zhuǎn)基因株系，每個株系重復(fù)3盤以上。當(dāng)Cd2+脅迫濃度為600 μm/L時，轉(zhuǎn)基因煙草與野生型煙草均在培養(yǎng)1 d后，葉片均失綠、透明化，并死亡（數(shù)據(jù)未展示）。當(dāng)Cd2+脅迫濃度為300 μm/L時，在培養(yǎng)后的第3天，野生型煙草葉片出現(xiàn)傷口損傷加重，葉片稍微透明化等現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)基因葉片則能正常的吸收水分，葉片膨大（圖4 A）；在培養(yǎng)后的第5天，野生型煙草葉片失綠、透明化嚴(yán)重，并死亡，而轉(zhuǎn)基因葉片僅僅表現(xiàn)為稍微變黃，仍能進行分化生長（圖4 B）。上述結(jié)果表明：轉(zhuǎn)基因煙草比野生型煙草的耐重金屬Cd2+能力提高。

3 結(jié)論與討論

研究表明，植物eIF5A基因在植物生長發(fā)育中發(fā)揮著的重要作用[11-12]。先前已有研究報道，水稻eIF5A基因受鹽脅迫誘導(dǎo)高表達[13]，檉柳eIF5A基因在轉(zhuǎn)基因酵母中對鹽及滲透脅迫具有抗性[14]。初步說明，eIF5A基因與非生物脅迫有關(guān)。前期的研究也表明，楊樹eIF5A基因轉(zhuǎn)酵母對鹽和滲透脅迫并未表現(xiàn)出明顯差異，而是在Cu2+、Cd2+、Zn2+等重金屬離子脅迫下差異明顯，這說明該基因在植物體內(nèi)可能參與多種非生物脅迫響應(yīng)途徑[8]。試驗將楊樹eIF5A轉(zhuǎn)化煙草，證明轉(zhuǎn)eIF5A基因煙草在Cd2+脅迫下，具有明顯差異。對其他非生物脅迫的試驗正在有序的驗證中，但結(jié)果和在酵母體內(nèi)驗證存在一定的差異，這可能是因為物種不同造成的。在植物中，已有文獻表明eIF5A基因具有多種異構(gòu)體，各種異構(gòu)體分別承擔(dān)不同的生物學(xué)功能，共同完成調(diào)控生物生長發(fā)育、衰老及環(huán)境適應(yīng)等的功能[15-16]。試驗克隆出的2條小黑楊eIF5A基因，通過NCBI數(shù)據(jù)庫的序列比對分析表明這2條基因也僅有3個氨基酸上的差異，推測這2條基因在楊樹中高度保守，且在功能上存在互補作用。根據(jù)這2條基因在轉(zhuǎn)基因煙草中的對重金屬離子的耐受性結(jié)果也表明，這2條基因在功能讓存在冗余，這可能是因為楊樹基因組形成時的局部加倍造成的。

為緩解重金屬造成的污染，研究人員已開始利用植物基因工程進行植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，以期提高植物的耐重金屬能力。試驗通過研究楊樹eIF5A基因在煙草中的耐重金屬離子脅迫，發(fā)現(xiàn)該類基因能提高轉(zhuǎn)基因植株的耐受性，這具有重要的應(yīng)用價值，為后期的林木優(yōu)良基因的鑒定奠定理論基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]

CARAGLIA M，MARRA M，GIUBERTI G，et al.The role of eukaryotic initiation factor 5A in the control of cell proliferation and apoptosis[J].Amino Acids，2001，20（2）：91-104.

[2] GORDON E D，MORA R，MEREDITH S C，et al.Eukaryotic initiation factor 4D，the hypusine containing protein，is conserved among eukaryotes[J].Biological Chemistry，1987，262（34）：16585-16589.

[3] 雙寶，韓英鵬，李明，等.真核細胞翻譯起始因子5A（eIF5A ）研究進展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，41（8）：156-160.

[4] LIU Z D，DUGUAY J，MA F S，et al.Modulation of eIF5A1 expression alters xylem abundance in Arabidopsis thaliana[J].Journal of Experimental Botany，2008，59（4）：939-950.

[5] HOPKINS M T，LAMPI Y，WANG T W，et al.Eukaryotic translation initiation factor 5A is involved in pathogen-induced cell death and development of disease symptoms in Arabidopsis[J].Plant Physiology，2008，148（1）：479-489.

[6] 張紅梅，夏新莉，尹偉倫.毛果楊的組織培養(yǎng)與快速繁殖[J].植物生理學(xué)通訊，2009，45（1）：53.

[7] 邵龍婷，鄭唐春，臧麗娜，等.毛果楊Eukaryotic translation initiation factor 5A （eIF5A） 同源基因的生物信息學(xué)分析[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，41（1）：141-149.

[8] 曹鳳娟，鄭唐春，趙思雯，等.小黑楊eIF5A2/4基因的克隆及其增強酵母對非生物脅迫抵抗能力[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，42（4）：16-20.

[9] 律鳳霞.根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)外源基因轉(zhuǎn)化煙草體系的優(yōu)化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（19）：10065-10066.

[10] 趙勤.根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)煙草K326遺傳轉(zhuǎn)化體系優(yōu)化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（8）：4436-4437，4449.

[11] MA F，LIU Z，WANG T W，et al.Arabidopsis eIF5A3 influences growth and the response to osmotic and nutrient stress[J].Plant Cell Environment，2010，33（10）：1682-1696.

[12] LATHA R，SALEKDEH G H，BENNETT J，et al.Molecular analysis of a stress-induced cDNA encoding the translation initiation factor，eIF1，from the salt-tolerant wild relative of rice[J].Functional Plant Biology，2004，31（10）：1035-1041.

[13] MEHTA A M，SAFTNER R A，MEHTA R A，et al.Identification of Posttranslationally Modified 18-kilodalton Protein from Rice as Eukaryotic Translation Initiation Factor 5A[J].Plant Physiology，1994 ，106（4）：1413-1419.

[14] WANG L，XU C，WANG C，et al.Characterization of a eukaryotic translation initiation factor 5A homolog from Tamarix androssowii involved in plant abiotic stress tolerance[J].BMC Plant Biology，2012，12：118.

[15] CHAMOT D，KUHLEMEIER C.Differential expression of genes encoding the hypusine-containing translation initiation factor，eIF-5A，in tobacco[J].Nucleic Acids Research，1992，20（4）：665-669.

[16] 周建平，楊足君，白麗莉，等.小麥蛋白翻譯起始因子5A （eIF5A） 表達載體構(gòu)建及原核表達[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2007，13（3）：301-303.