地黃類RghBNG基因的克隆與生物信息學分析

摘要：RghBNG基因是一種地黃（Rehmannia glutinosa）響應(yīng)非生物脅迫和植物生長調(diào)節(jié)劑的基因。類RghBNG基因是一個與RghBNG基因核酸序列同源的地黃基因。克隆了地黃類RghBNG基因，預(yù)測其編碼蛋白質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能。用RNA提取試劑盒提取地黃總RNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA，根據(jù)已知地黃的RghBNG基因堿基序列設(shè)計上、下游引物，以cDNA為模板，利用PCR擴增產(chǎn)生包括RghBNG基因和類RghBNG基因在內(nèi)的5個cDNA片段，其中類RghBNG基因全長1 974 bp，包含一個486 bp的ORF，編碼161個氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì)；蛋白質(zhì)等電點為9.45，分子量為18.6 kDa， 二級結(jié)構(gòu)中延伸鏈占34.78%，無規(guī)則卷曲占33.54%，α-螺旋占21.74%，β-螺旋占9.94%，有兩個可能的跨膜區(qū)，參與翻譯和脂肪酸代謝。

關(guān)鍵詞：地黃（Rehmannia glutinosa）；RghBNG基因；類RghBNG基因；RT-PCR；生物信息學分析

中圖分類號：Q81 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）15-4014-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.054

Abstract： RghBNG gene is a novel abiotic stress and plant growth regulator-responsive gene from Rehmannia glutinosa，while RghBNGLgene is RghBNG-like gene homologous to RghBNG gene at the nucleotide level. RghBNG-like gene was successfully cloned from Rehmannia glutinosa，and predicted byabioinformatics softwares. The total RNA was extracted from Rehmannia glutinosa leaves with RNA extraction kit，and then used as reverse transcriptional template to clone RghBNG-like gene with the same primer pair as that for RghBNG gene. RghBNG-like gene was 1 974 bp long，including a 486 bp ORF，encoding for 161 amino acid residues. The protein isoelectric point and molecular weight are 9.45 and 18.6 kDa. Its secondary structure consists of 34.78% extended strand，33.54% random coil，21.74% alpha helix and 9.94% β-turn. It has two transmembrane helical segments and takes part in translation and fatty acid metabolism.

Key words： Rehmannia glutinosa； RghBNG gene； RghBNG-like gene； RT-PCR； bioinformatics analysis

地黃（Rehmannia glutinosa）是“四大懷藥”之一，為玄參科地黃屬多年生草本植物[1]，廣泛分布于河南、河北、山東、山西、湖南以及韓國、日本等地[2]。由于特有的土壤、氣候條件以及市場影響逐漸形成了以河南武陟、博愛、孟縣、溫縣為中心的黃河流域種植區(qū)，其中“懷地黃”（也稱“懷參”）最為著名[3]。按照其炮制方法的不同，可將其分為鮮地黃、干地黃與熟地黃，富含梓醇、糖類、生物堿、維生素、多種氨基酸以及鐵、磷等成分，可用于治療頭暈、糖尿病、貧血、便秘、泌尿系統(tǒng)等，還具有防癌、抗癌、增強免疫力、增強造血能力等功能[2，4]。同時地黃也有重要的經(jīng)濟價值[5]，在藥劑中，地黃的使用量占了很大的比重（如六味地黃丸、知柏地黃丸和杞菊地黃丸等）。在保健方面也已經(jīng)開發(fā)出了一些含有地黃成分的產(chǎn)品（如地黃精、地黃茶和地黃醋等）。

目前，有關(guān)地黃基因的克隆、功能分析與表達模式的研究已有報道，如采用RT-PCR方法克隆地黃的肌動蛋白基因片段[6]；采用SSH方法從地黃的塊根中克隆RgPR-10基因[7]；采用同源克隆的方法從地黃中分離得到4個不同的cDNA全長序列和5個cDNA序列片段，涉及脫落酸、赤霉素、水蘇糖、蔗糖合成和代謝的關(guān)鍵酶，并對這些基因進行了生物信息學分析[8]；用生物信息學技術(shù)、Solexa測序技術(shù)以及熒光定量PCR分析技術(shù)，成功地在正茬和重茬地黃中鑒定了89個miRNAs[9，10]。張永華[11]對地黃RgVP、RghKAT和RgKAT基因進行克隆和表達分析，表明地黃RghBNG基因（GenBank登錄號JX290370），全長548 bp，包含了282 bp的開放閱讀框，編碼93個氨基酸，與B12D蛋白質(zhì)同源。張喻[12]克隆了RghBNG的同源基因和啟動子序列，研究了RghBNG的亞細胞定位，分析了在非生物因素和植物生長調(diào)節(jié)劑下RghBNG基因的表達。類RghBNG基因是一個與RghBNG基因的核酸序列同源的地黃基因。本試驗對地黃類RghBNG基因進行克隆與生物信息學分析，預(yù)測其編碼蛋白質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能，為地黃遺傳改良奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 地黃 品種溫85-5，由溫縣農(nóng)業(yè)科學研究所提供。

1.1.2 試劑和儀器 大腸桿菌DH5α菌株、LA Taq DNA聚合酶、克隆載體pMD19-T Vector、RNA提取主要試劑、DNA凝膠回收試劑盒、DNA Marke、反轉(zhuǎn)錄試劑盒、胰蛋白胨、酵母提取物、瓊脂粉、NaCl、NaOH、氨芐青霉素、CaCl2、瓊脂糖甘油、SanPrep 柱式DNA膠回收試劑盒。滅菌鍋、天平、移液槍、水浴鍋、離心機、超微量分光光度計、PCR儀、電泳儀、電泳槽、凝膠成像分析系統(tǒng)、制冰機、蛋白電泳設(shè)備、超低溫冰箱、超凈工作臺、HZQ-X100型振蕩培養(yǎng)箱、LRH-250A型生化培養(yǎng)箱。

1.2 方法

1.2.1 引物設(shè)計與合成以及目的基因PCR 根據(jù)已經(jīng)報到的地黃RgBNG基因的堿基序列[11]，使用Primer 5.0軟件合成引物：上游引物F（5′-CGCGGATCCATAATGGCTTCATCCACC-3′），下游引物R （5′-CCGCTCGAGCAGTAAAGCATTCATCTC-3′），用RT-PCR技術(shù)擴增目的基因片段，DNA凝膠回收試劑盒對其進行回收和純化，測序工作由生工生物工程（上海）股份有限公司完成。

1.2.2 基因序列的生物信息學分析 基于克隆cDNA序列，利用NCBI的ORF Finder軟件（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html）分析基因的開放閱讀框，并進行蛋白質(zhì)翻譯；利用ExPASy軟件中的ProtScale（http：//web.expasy.org/protscale/）分析該基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸的組成、等電點、分子量、負電荷殘基、正電荷殘基等；利用SOPMA軟件（http：//npsa-pbil.ibcp.fr/cgi-bin/npsa automat.pl？page=NPSA/npsa sopma. html）進行該基因編碼蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測和分析；利用http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/進行該基因信號肽的預(yù)測；利用Profun 2.2 Server軟件（http：//www.cbs.dtu.dk/services/ProtFun）進行該基因蛋白質(zhì)功能的預(yù)測；利用TMpred工具（http：//www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html）預(yù)測跨膜區(qū)和跨膜方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 類RgBNG基因的RT-PCR擴增

利用RT-PCR技術(shù)擴增地黃類RgBNG基因，擴增產(chǎn)物經(jīng)過瓊脂糖凝膠電泳檢測，結(jié)果擴增出5條條帶（圖1）。

2.2 地黃類RghBNGL基因的克隆和測序

從圖1中回收和純化1、2條帶，與pMD19-T載體在4 ℃下連接過夜，連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到大腸桿菌DH5α感受態(tài)細胞中，經(jīng)過藍白斑篩選，挑取陽性單菌落進行PCR檢測。將檢測為陽性菌落的懸液送去生工生物工程（上海）股份有限公司測序，結(jié)果表明條帶1為大小為1 974 bp，命名為類RghBNGL基因，而條帶2大小為548 bp，為RghBNG基因。

2.3 地黃類RghBNGL基因的生物信息學分析

2.3.1 地黃類RghBNGL基因的ORF分析 利用ORF Finder軟件對地黃類RghBNGL基因1 974 bp的堿基序列進行分析，找到1個486 bp的開放閱讀框，編碼161個氨基酸（圖2）。

2.3.2 地黃類RghBNGL基因編碼氨基酸的一級結(jié)構(gòu)預(yù)測 利用ExPASy中ProtScale分析該基因編碼蛋白的氨基酸的組成、等電點、分子量、負電荷殘基等，并對其一級結(jié)構(gòu)進行預(yù)測，結(jié)果如表1所示。

利用SOPMA軟件進行該基因編碼蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測和分析（圖3、表2），結(jié)果顯示延伸鏈所占的比例最高為34.78%，其次是無規(guī)則卷曲，所占比例為33.54%，還有α-螺旋所占比例為21.74%，最低的是β-螺旋，所占比例為9.94%。

2.3.3 地黃RghBNGL蛋白質(zhì)疏水性/親水性分析 地黃RghBNGL蛋白質(zhì)疏水性/親水性的分析結(jié)構(gòu)如圖4所示。第71位具有最高分值，為3.512，疏水性最強；第129位具有最低分值，為-3.056，親水性最強。GRAVY值為0.242，所以推測地黃RghBNGL蛋白質(zhì)是一種疏水蛋白質(zhì)。

2.3.4 地黃RghBNGL蛋白質(zhì)的功能預(yù)測 地黃類RghBNGL蛋白的功能預(yù)測結(jié)果（表3）表明，該蛋白質(zhì)的最主要功能指向脂肪酸新陳代謝，也可能參與了翻譯等過程。

2.3.5 地黃類RghBNGL蛋白質(zhì)跨膜區(qū)分析 利用TMpred工具預(yù)測地黃類RghBNGL蛋白質(zhì)可能的跨膜螺旋區(qū)和跨膜方向，結(jié)果如圖5所示，有兩個可能的跨膜區(qū)，第一個模型是從外到內(nèi)的，氨基酸的起始位置分別為39、58、87，終止的位置分別為56、76、105，長度分別為18、19、19，分值分別為1 549、 2 107、999（圖5）。

3 小結(jié)與討論

分離與克隆功能基因是研究基因的結(jié)構(gòu)、功能、表達調(diào)控以及分子機理的基礎(chǔ)，也是生命科學研究的重點之一。RT-PCR是分離與克隆功能基因的有效方法，具有快速、簡便、特異性強等優(yōu)點。研究者采用RT-PCR技術(shù)已經(jīng)成功克隆了多種植物的多個基因[10，13，14]，比如侯嶸等[15]克隆了麻瘋樹鯊烯合酶基因SQS；徐大偉等[16]克隆了棉花八氫番茄紅素脫氫酶GhPDS1基因；任磊等[17]克隆了牡丹開花相關(guān)基因PsAP1；Padilla等[18]克隆了橄欖的6-脂氧合酶基因。本研究根據(jù)克隆的地黃類RghBNG基因序列設(shè)計引物，利用地黃RNA作模板，采用RT-PCR進行擴增，結(jié)果出現(xiàn)5條條帶，對其中最大條帶的類RghBNG基因生物信息學進行分析，發(fā)現(xiàn)其包含1個編碼161個氨基酸的開放閱讀框，為疏水性非分泌型堿性蛋白質(zhì)，參與脂肪酸新陳代謝和蛋白質(zhì)合成，為進一步研究其蛋白質(zhì)基因結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)控以及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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