玉米19,kD醇溶蛋白启动子克隆与植物表达载体构建

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摘要:从玉米自交系9801基因组DNA中克隆了玉米19 kD醇溶蛋白基因(ze19)启动子,将其连接到pMD18-T载体上。测序结果表明该序列与已报道序列同源性为94%,包含TATAbox、CAATbox启动子基本元件以及GCN4、skn-1、prolamin box、-300 element等参与调节玉米醇溶蛋白表达及活性的顺式元件。将克隆的ze19启动子取代质粒pBI121中的35 S启动子,成功构建了由ze19启动子驱动gus报告基因的植物表达载体pBIze19。利用土壤杆菌介导法将构建好的重组质粒pBIze19转入烟草中,为进一步研究该启动子组织特异性表达奠定了基础。

关键词:ze19启动子;土壤杆菌介导法;植物表达载体

中图分类号:Q785文献标识码:A文章编号:0439-8114(2011)13-2775-05

Cloning of 19 kD Zein Promoter from Maize and Construction of Plant

Expression Vector

LI Hui-lun1,2,WEI Yan-li2,LI Hong-mei2,HU Jin-dong2,LI Ji-shun2,YANG He-tong2

(1.School of Life Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong, China;

2. Biology Institute of Shandong Academy of Sciences/Key Laboratory for Applied Microbiology of Shandong Province, Jinan 250014, China)

Abstract: The 19 kD zein(ze19)promoter was amplified from the genomic DNA of maize inbred line 9801, and the sequence was linked to vector pMD18-T. Sequence analysis indicated that the cloned sequence shared 94% homology with the published sequence. The cloned promoter contains the two basic promoter element, TATA box and CAAT box, and several cis-regulatory elements, such as GCN4 motif, skn-1 motif, prolamin box,-300 element, which were necessity for mediating endosperm expression of maize zein. By replacing the 35 S promoter, ze19 promoter was inserted upstream of the β-glucuronidase (gus) reporter gene in plasmid pBI121; and the plant expression vector pBIze19 was constructed.Then tobacco were transformed via Agrobacterium tumefacients mediated procedure, thus a foundation for further research about tissue-specific expression of ze19 promoter was laid.

Key words: ze19 promoter; Agrobaterium tumefacients mediated procedure; plant expression vector

随着植物基因工程的不断完善,人们需要目的基因准确高效地在受体植物特定部位表达,但组成型启动子使基因表达分散而造成目标部位表达量不足,难以满足要求,因此克隆专一的组织特异性启动子成为目前植物基因工程研究的重点[1]。玉米醇溶蛋白是玉米种子贮藏蛋白的主要成分,占总蛋白的50%~60%。根据醇溶蛋白一级结构的相似性可分为α、β、γ、δ 4种,其中α-醇溶蛋白由25~50个基因组成的基因家族编码,包括19 kD和22 kD的醇溶蛋白。由于玉米醇溶蛋白基因的表达具有严格的时空特异性,在种子发育过程中,其表达严格限定在胚乳组织中,一般授粉后10~12 d开始表达[2],因此本实验从玉米基因组中克隆了19 kD醇溶蛋白基因(ze19)的启动子序列,对其结构和功能进行分析,以期构建种子特异性启动子,为玉米种子生物反应器的研究奠定基础。

材料与方法

1.1材料和试剂

玉米自交系9801、烟草(Nicotiana tabacum,WT)均来自山东省农业科学院高新技术中心。大肠杆菌TOP10、土壤杆菌LBA440、植物表达载体pBI121均由山东省科学院中日友好生物技术研究中心保存,克隆载体pMD18-T、各种限制性内切酶和T4 DNA连接酶购自Takara公司,其他化学试剂为国产分析纯,PCR引物由上海生工生物工程技术服务有限公司合成。

1.2启动子的PCR扩增与克隆

以玉米自交系品种9801幼苗为材料,利用CTAB法[3]提取玉米基因组DNA。根据Giovinazzo等[4]发表的ze19启动子序列(GenBank登录号为x63667),设计一对特异引物P1:5′ACGAAGCTTAA

CAGACCCGCCTCA3′(划线部分为引入的Hin d Ⅲ酶切位点);P2:5′ACGGGATCCATTGTTGGTACACT

A 3′(划线部分为引入的Bam HⅠ酶切位点)。以9801玉米基因组DNA为模板,扩增该基因起始密码子上游约1 400 bp的调控序列。PCR体系为50 μL,包括10×Buffer 5 μL,10 μmol/L P1 2 μL,10 μmol/L P2 2 μL,10 mmol/L dNTPs 1.2 μL,基因组DNA模板 1 μL,Taq酶 0.5 μL,ddH2O 38.3 μL。PCR反应程序为:94 ℃预变性,5 min;94 ℃变性1 min,50 ℃退火50 s,72 ℃延伸90 s,30个循环;72 ℃延伸10 min。

扩增产物经琼脂糖凝胶电泳分离纯化后,与克隆载体pMD18-T在T4 DNA 连接酶作用下16 ℃保温过夜,构建重组质粒pMD18-ze19。将连接反应产物转化大肠杆菌TOP10感受态细胞,提取质粒,经PCR、酶切鉴定后,将阳性转化子送上海生工生物工程技术服务有限公司测序,并保存菌种。

1.3ze19-gus融合表达载体的构建

将重组质粒pMD18-ze19和pBI121-gus分别用Hin dⅢ和Bam HⅠ进行双酶切,在T4 DNA连接酶作用下,16 ℃连接反应过夜,连接反应产物转化大肠杆菌TOP10感受态细胞,利用PCR及酶切方法筛选阳性转化子,并进行测序鉴定,得到植物表达载体pBI ze19-gus,表达载体构建过程如图1所示。

1.4土壤杆菌介导的烟草转化

采用液氮冻融法将重组植物表达载体pBI ze19-gus转入土壤杆菌LBA4404中,采用碱裂解法[5]提取重组土壤杆菌的质粒,PCR鉴定转化子。表达载体pBI 121-gus中gus基因上游含有35 S启动子,因此将其转入土壤杆菌,作为分析ze19启动子活性时的阳性对照,设计gus部分基因(约500 bp)的引物(P1:5′GGGATCCATCGCAGCGTAATG3′;P2:5′GCCGACAGCAGCAGTTTCATC3′)对其进行PCR鉴定。

挑取土壤杆菌阳性重组子于含抗生素(50 mg/L Kan,50 mg/L Str)的2 mL YEB液体培养基中,28 ℃过夜培养,转接到20 mL YEB培养基中,28 ℃继续培养至OD600为0.6左右,用刀片将烟草无菌苗叶片边缘部分切去并弃中脉,切成约1 cm2大小作为土壤杆菌侵染外植体,在土壤杆菌菌液中侵染5~10 min,其间不断摇动,侵染后的外植体用无菌滤纸吸干菌液置于MS分化培养基上(2.0 mg/L 6-BA+0.1 mg/L NAA),28 ℃暗培养2 d,转入MS筛选分化培养基(50 mg/L Kan,200 mg/L Carb,2.0 mg/L 6-BA+0.1 mg/L NAA)中。25 ℃光照培养约2周后,将烟草愈伤组织及部分抗性芽转入新鲜培养基中继代培养,待抗性芽长至2 cm左右切下转入MS生根培养基(50 mg/L Kan,200 mg/L Carb,0.5 mg/L IAA)中。待根系发育良好进行室内移栽,随机选取12株长势良好的植株提取其叶片总DNA,PCR和琼脂糖凝胶电泳检测其是否含有ze19启动子,并设立阴性对照(野生型烟草基因组DNA)、阳性对照(构建的重组质粒pBIze19)。

2结果与分析

2.1ze19启动子的扩增、克隆和序列分析

以玉米自交系9801基因组DNA为模板,根据所设计的引物进行PCR扩增,可特异地扩增到约

1 400 bp的条带(图2),与目的片段大小一致。将ze19启动子PCR纯化产物连接到pMD18-T上得到重组质粒pMD18-ze19,进行Hin dⅢ和Bam HⅠ双酶切鉴定,可切出大小约1 400 bp的条带(图3),与ze19启动子片段大小一致,证明ze19 PCR产物已连接到pMD18-T,将重组质粒送往上海生工生物工程技术服务有限公司测序。

测序结果表明得到的启动子长度为1 425 bp,与报道序列同源性为94%,其3′末端紧邻该基因起始密码子AUG,与报道序列相比缺失了20 bp,缺失序列位于启动子的可变区,不属于保守序列,不同玉米品系之间均有差异[4];另外整个序列有22个碱基发生了改变,包括12个碱基的突变和10个碱基的插入或缺失。采用Neural Network Promoter Prediction启动子数据库进行功能预测,结果表明该序列存在2处核心启动子区域(表1),并且得分较高(总分为1分),初步判断此克隆序列具有启动子结构。

为了分析序列差异是否发生在启动子功能元件和重要调控区域,通过PLACE和PLANTCARE数据库对启动子进行顺式调控元件分析。发现该序列含有TATA box和CAAT box启动子核心元件,属于典型启动子。该启动子序列中还具有胚乳表达特异性元件,如GCN4、skn-1、prolamin box、-300 element等参与调节玉米醇溶蛋白表达及活性的顺式元件(表2)。序列分析结果表明,在TATA box和CAAT box以及ze19启动子调节基因特异表达的调控区域没有发生碱基的变化。此外,该序列中还发现了调节植物生长发育的一些应激元件,例如光反应元件I-box、CATT-motif、GT1-motif、Sp1、GA-motif、G-box、GATA-motif、GAG-motif;抗氧化元件ARE;抗逆反应顺式作用元件MBS、LTR;代谢调控元件O2-site等顺式元件,这些元件可能在植物的生长发育和器官发育中起重要作用。

2.2含ze19启动子的植物表达载体

构建的植物表达载体pBIze19-gus经PCR扩增得到片段大小约为1 400 bp的产物(图4),通过

Hin dⅢ与Bam HⅠ双酶切后琼脂糖凝胶电泳检测,也得到大小约为1 400 bp的启动子片段(图5),与预期结果相符。表明ze19启动子已插入到表达载体pBI121中,测序结果也显示重组表达载体pBIze19-gus已构建成功。

将重组载体pBIze19-gus与阳性对照质粒pBI121-gus通过冻融法转化土壤杆菌,PCR鉴定转化子。结果表明,在转pBIze19重组质粒的土壤杆菌中扩增到了约1 400 bp的片段(图6),说明pBIze19-gus已经成功转化土壤杆菌;而在转pBI121-gus质粒的土壤杆菌中扩增到了约500 bp的gus片段(图7),表明pBI121也已经成功转化土壤杆菌。

2.3转基因烟草的获得

烟草叶盘经土壤杆菌侵染1周后,外殖体迅速生长,周围已经开始形成愈伤组织;而没有经土壤杆菌侵染的阴性对照,在含相同浓度卡那霉素的筛选培养基上叶盘没有长大,叶盘周围也没有愈伤组织形成(图8)。

连续继代培养4~5周以后,外殖体分化出大量的愈伤组织及抗性芽(图9),结果表明,筛选分化培养基中抗生素和生长素的浓度及其配比可以满足烟草叶盘选择分化的需要。将抗性芽转入生根培养基中,一个月后根系发达(图10),可以进行室内移栽。

随机选取12株生长良好的植株提取其叶片总DNA,以基因组为模板利用ze19启动子的特异引物进行PCR扩增,经检测12株转pBIze19-gus的烟草抗性苗有10株是阳性植株,转化率达到83%,而阴性对照没有扩增到条带(图11)。

3讨论

玉米醇溶蛋白的表达具有严格的组织特异性,被严格限定在种子胚乳中,是研究组织特异性启动子的良好材料。根据19 kD玉米醇溶蛋白启动子保守序列,设计特异引物从玉米9801自交系中扩增启动子片段,扩增到长约1 400 bp的片段。将该片段连接克隆载体并测序后,该序列与报道序列同源性为94%。通过生物信息学方法对该序列进行序列分析和功能预测,该序列具有两处核心启动子区域,一个位于转录起始位点上游-49 bp位置,另一个位于-1 189 bp位置,区域得分分别为0.92、0.93,这与Giovinazzo等[4]的报道一致。在序列结构上,克隆序列含有GCN4、Skn-1、Prolamin box、-300 element等多个种子或胚乳表达特异性调控元件。因此,在理论上,所克隆启动子序列具有种子特异性启动子的潜在功能。

实验选用pBI121质粒作为基本载体,用ze19置换表达载体pBI121中的35 S启动子,构建植物表达载体pBIze19,因为质粒pBI121的35 S启动子下游连接报告基因gus,gus基因在很多植物中没有内源活性,并且其检测方法灵敏、快速、稳定、线性好,方便下一步对启动子表达情况的研究。构建好的表达载体pBIze19可以用于下一步植物转化和再生,研究启动子活性,也可以用于其他转基因植物研究。

玉米醇溶蛋白基因启动子在外源植物中的表达调控是个很复杂的问题,还需要利用克隆的玉米19 kD醇溶蛋白基因启动子对其表达部位、表达周期以及表达强度进行研究。相对于组成型启动子而言,种子贮藏蛋白基因启动子具有很强的组织和发育特异性[11],可避免外源基因在转基因宿主植株中非特异表达所造成的能量负荷和物质浪费[12]。因此,利用种子特异性的启动子来启动外源基因以保证外源基因的高效表达,可用于改良农作物品种和性状以提高产品质量,目前人们已经开始利用转基因植物作为新型的生物反应器(Bioreator)来生产有意义的次生代谢物、蛋白质、糖类和脂类等[13]。

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