CN101886079B - 含gcc盒的诱导型启动子及构建和在基因工程上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含GCC盒的诱导型启动子及构建和在基因工程上的应用，所述诱导型启动子至少含有SEQ ID No.1所示的核苷酸序列，构建方法是将双子叶植物拟南芥中鉴定的应答逆境胁迫的GCC盒与CaMV35S启动子核心序列融合构建成诱导型启动子。本发明的含GCC盒的诱导型启动子本底表达低、应答速度快、持续时间长、表达强度适中，该诱导型启动子在单子叶植物水稻抗病、虫基因工程中具有十分重要的应用价值，其转基因植物株系在诱导植物抗病的小分子化合物高通量筛选中也有重要的应用价值。

Description

含GCC盒的诱导型启动子及构建和在基因工程上的应用

技术领域   

本发明涉及一种诱导型启动子及构建和在基因工程上的应用，更具体地涉及了一种含GCC盒的诱导型启动子在单子叶植物水稻抗病虫基因工程中的应用，属于植物基因工程技术领域。

背景技术   

真菌、细菌、病毒等病原微生物的侵染常造成各种农作物产量和质量的下降。培育和推广抗病品种是防治作物病害、保证作物稳产高产最安全有效的途径。利用植物自身抗病基因，通过常规育种和分子标记辅助育种方法已培育了许多抗病新品种。然而，抗性基因在种属间利用具有一定的局限性。转基因方法可克服上述局限，为作物抗病育种开辟了一条新途径，也是植物种质创新的重要途径之一。目前，在转基因技术中所使用的启动子大多数为组成型启动子，如果使用植物组织特异性启动子或病原诱导的植物启动子不仅会获得目的产物、达到预定目标，而且也不会产生副作用。

植物基因启动子是位于结构基因5’端上游区、含有顺式作用元件的DNA序列，决定着下游基因转录的特异性、方向和效率，是转录调控的中心。高等植物启动子区域存在各种特征元件，包括转录起始位点、TATA盒、起始因子和不同的顺式作用元件等。其中，TATA框是依赖于RNA聚合酶II转录所必需的，决定着转录起始，并调控着上游激活蛋白的行为；起始因子的功能与TATA盒相似，可影响转录的方向和起始点的定位，但一般不能改变启动子内包含2个核心序列因子的TATA活性。植物的许多性状与启动子的结构及其调控方式密切相关。因此，研究启动子不仅可以为基因工程提供重要的调控元件，也可促进从遗传分子基础上发掘具有重要利用价值的植物新资源。

根据植物启动子的转录模式可将其分为组成型启动子、组织特异型启动子和诱导型启动子。

组成型启动子调控的基因表达不受时空限制和某种物质的诱导而在植物中表达出来。双子叶植物中常用的组成型启动子花椰菜花叶病毒(CaMV)35S启动子是目前植物基因工程中使用最多的启动子，它驱使转基因产生组成型表达。它是异源病毒型启动子，在转基因植物中具有较高的表达活性。组成型启动子可应用于评价一个基因的生物学功能、转基因表达数量及其活性，但在改良转基因作物的实际应用中的主要问题是：(1)组成型启动子驱动的基因在植物各组织中均有不同程度表达，它驱动外源基因在植物的各种组织和所有发育阶段都会表达，产生大量异源蛋白或代谢产物在植物体内积累，打破了植物原有的代谢平衡，增加了植株的代谢负担，有些产物甚至对植物的生长发育有毒，造成了物质和能量上的巨大浪费，同时还会改变植物的形态，影响植物正常的生长发育，甚至导致死亡；(2)植物所有细胞可能会全部进入防御模式，即使在无病原侵染时仍进行抗病反应；(3)组成型启动子调控表达的转基因产物可在人和动物食用的植物组织中积累，但是生物安全性要求不能有转基因产物。

如果用组织、器官特异型和病原诱导型启动子取代组成型启动子，使外源基因能够定时、定点、定量地在植物中表达，可以克服组成型启动子带来的问题。因此，组织特异型启动子和病原诱导型启动子的研究与应用是植物基因工程的重要内容和当今国内外研究的热点。利用启动子的最好方法可能是利用一个内源抗性基因启动子，这样既可以减少植物的代谢负担，又可以避免植物防御反应的假性激活。

比组成型表达和组织特异型表达更理想的表达模式是，只在需要的时间和地点表达而且仅在感染部位启动抗病相关基因表达。病原诱导型启动子能达到上述较为理想的结果，防止“逃离细胞死亡”现象出现，消除了对植物生长和发育影响的副作用。一种理想的病原诱导型启动子应迅速被广谱野生型病原侵染所激活，并有广谱抗病性。然而由于植物对不同病原菌采取了不同的防御机制，许多重要植物抗病分子机制尚不明确，所以，目前分离的大多数病原诱导型启动子很少能满足上述要求，仍然存在轻微的“逃离细胞死亡”的现象。因此，迫切需要分离或人工构建理想的病原诱导型启动子。植物抗病机制研究、转录组学和启动子克隆技术的发展，为人工构建新的病原诱导型启动子奠定了基础。

当前可使用的病原诱导型启动子缺乏的主要原因是分离各种天然的病原诱导型启动子较少。与天然病原诱导型启动子相比，人工构建病原诱导型启动子不仅更具有广谱性，而且可根据不同目的进行灵活选择，如消除启动子表达元件，可改变启动子的强度和病原诱导表达基因的数量和质量。研究发现，启动子元件在不同植物品种中防御信号是相对保守的。因此，通过收集各种植物启动子元件可以人工构建病原启动子。

启动子组件有许多不同的类型，包括病原诱导型作用元件、组织特异型作用元件、细胞特异型作用元件和人工组建启动子所需的最小启动子区段。其中病原诱导型作用元件在抗病方面是最重要的。已知的植物转录因子家族中有许多在抗病反应中起重要作用的成员，其中包括WRKYs、ERFs、bZIPs、Mybs、Dofs、bHLHs、Whirly、SR和DBP1等。这些转录因子与PR基因特异结合的位点即顺式作用元件，对于组建启动子作用元件是非常有用的。

在植物防卫反应相关基因的表达过程中，顺式作用元件通过与转录因子的互作发挥着重要调控作用：环境刺激经过一系列信号转导、传递后，激活防卫相关转录因子与特异顺式作用元件的互作，从而实现相关防卫功能基因的表达。目前，通过转基因技术提高植物的抗逆性已成为植物基因工程中重要的研究策略。鉴于顺式作用元件的上述重要调控作用，与早期的组成型表达的抗性基因的转基因应用相比，使用诱导型启动子介导的抗性基因无疑具有多方面的优势，因此鉴定抗性相关(特别是细菌性病原相关)诱导型启动子已成为目前植物分子生物学研究的热点。迄今，已经发现了几种受不同病原诱导的GCC box(AGC-CGCC)和受创伤、部分病原诱导的W box([T]TGAC[C/T]。在防御基因启动子区经常还含GCC box ，它与调控茉莉酸、激发子诱导表达的JERE元件(AGACCGCC)和调控真菌诱导表达的S box(AGCCACC)相似。GCC盒是一类乙烯应答的顺式作用元件，存在于众多PR基因的启动子序列中与EREBP家族转录因子结合调控与抵抗病原菌的侵染有关基因的表达，在植物抗性反应和生长发育中具有重要调控作用。

目前，使用组成型启动子的基因工程植物中，转入抗病相关基因的持续表达可能会引起无法控制的防御反应，例如“逃离细胞死亡”。利用转基因的方法来提高作物产量面临的另一个主要问题是启动子引起的背景表达，带有开关并在病原侵染位点能迅速短暂地诱导抗病基因表达的启动子是比较理想的启动子。另外，内源启动子的分离与利用可以减少背景表达，但是某些启动子的调控元件通常既调控病原诱导基因的表达又调控背景表达，因而，理想的病原诱导特异型启动子的分离迄今还比较困难。然而，随着对启动子作用元件和抗病调控机制研究的深入发展，成功地分离或人工构建更理想启动子的可能性会越来越大。

研究表明，将马铃薯、拟南芥、芫荽菜、长春花等双子叶植物中鉴定的GCC 盒与CaMV35S 核心启动子（-46～+8bp）融合所构建成的诱导型启动子能在烟草、拟南芥等原生质体中瞬间表达或在转基因植株中被病原菌或诱发子处理后驱动GUS 基因表达。该结果一方面表明GCC盒元件在诱导型防御反应中的重要作用，另一方面也说明该顺式作用元件的结合蛋白及其上游的信号传导途径在上述多种双子叶植物中具有保守性。但是，迄今仍缺乏在水稻以及单子叶植物中GCC盒等元件应答病原菌或激发子的直接证据。进一步在水稻中开展GCC盒应答病原菌、ET、JA 信号的鉴定和应用研究，具有十分重要的意义：（1）明确GCC盒介导的信号传递途径在水稻抗病虫等逆境防御反应中的作用；（2）探索GCC元件在构建用于水稻等单子叶植物基因工程的诱导型启动子构建中的应用价值。

发明内容  

本发明提供了一种含GCC盒的诱导型启动子及构建和在基因工程上的应用，将大力促进水稻抗病基因工程的发展与应用。

本发明的含GCC盒的诱导型启动子，其至少含有SEQ ID No.1所示的核苷酸序列。

构建方法如下：

将双子叶植物拟南芥中鉴定的应答逆境胁迫的GCC盒（其序列为AATCA GAAGCCGCCCCAGAAT）与CaMV35S启动子核心序列（-46～+8bp）融合，构建成诱导型启动子。所述CaMV35S启动子核心序列为TCGACCGCAAGACCC

TTCCTCTATATAAGGAAGTTCATTTCATTTGGAGAGGAC。

本发明的含GCC盒的诱导型启动子本底表达低、应答速度快、持续时间长、表达强度适中。将上述的诱导型启动子与抗病（虫）等基因结合，构建成转化载体转化水稻，可使获得的转基因水稻的外源抗性基因诱导表达，既发挥抗性基因在抗病（虫）中的作用，又可避免由于抗性基因过量表达导致的物质、能量的浪费和抗性基因表达产物对转基因植物细胞本身的不利影响。

本发明的显著优点：

该启动子在转基因水稻中可较好地应答水稻稻瘟病菌侵染、稻纵卷叶螟取食和机械损伤等生物与非生物胁迫。该诱导型启动子在单子叶植物水稻抗病、虫基因工程中具有十分重要的应用价值，其转基因植物株系在诱导植物抗病的小分子化合物高通量筛选中也有重要的应用价值。

附图说明

图1为瞬间表达载体pBT10-GUS的质粒图谱；

图2为pDNOR-207入门载体；

图3为pMDC-163目的载体；

图4为瞬间表达载体pBT10-GUS的结构图；

图5为转基因水稻目的片段的PCR检测；1～8，为阳性转基因植株；9，为非转

基因植株；10，为阳性对照；M，为Marker 2000；

图6为稻瘟病菌侵染T1代植株5-7天后组织化学染色的结果；其中1，表示4天后；2，表示5天后；3，表示6天后；4，表示7天后；5，表示8天后；CK为阴性对照；

图7为稻纵卷叶螟取食T1代植株叶片不同时间段后组织化学染色的结果；其中1表示1h后组织化学染色的结果；2，表示3h后；3，表示5h后；4，表示12h后；

图8为机械损伤T1代植株叶片不同时间段后GUS组织化学染色的结果；其中1表示1h后GUS组织化学染色的结果；2，表示3h后；3，表示5h后；4，表示12h后。

具体实施方式   

1 载体构建过程和转基因植株的获得

材料与方法

材料

1.1.1.1菌株和载体：大肠杆菌（Escherichia coli）DH5а和DB3.1（福建农林大学生命科学学院实验室保存）；根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciems）EHA105菌株（福建农林大学生命科学学院实验室保存）；pBT10-GUS瞬间表达载体（见图1）（由Weisshaar教授惠赠，Sprenger-Haussels and Weisshaar, 2000）；pDNOR-207入门载体（见图2）和 pMDC-163目的载体（见图3）均购自Invitrogen公司。

1.1.1.2生化试剂：DNA快速回收试剂盒和质粒提取试剂盒购自上海生工生物工程有限公司，XbaI、SacI、SpeI、PfuTaq酶、rTaq酶、T4连接酶和dNTP等购自TaKaRa公司，Gateway载体构建试剂盒购自Invitrogen公司，庆大霉素、卡那霉素、利福平、羧卞青霉素、潮霉素、X-gluc等为Sigma公司产品。其它化学试剂均为国产化学纯。

1.1.1.3 引物：引物序列由上海生工生物工程有限公司合成，如表1所示。

表1 引物名称和核苷酸序列

1.1.1.4序列合成：根据Ohme-Takagi and Shinshi中的GCC盒序列，（其中划线碱基为附加上去的，使正反链退火合成的双链两侧分别带有XbaI和SpeI两个限制性酶切位点）分别委托上海博亚生物技术公司合成，如表2所示。

表2 合成链的名称和核苷酸序列

1.1.1.5外植体：粳稻品种日本晴（Oryza sativa ssp.japonica）的成熟胚所诱导愈伤组织为转化所用外植体。

1.1.1.6 生物和非生物胁迫：稻瘟病菌（菌株为guy11）分生孢子、稻纵卷叶螟幼虫、机械损伤等。

方法：

1.1.2.1 构建含二倍盒的诱导型启动子瞬间表达载体：将1.1.1.4中合成的带有XbaI和SpeI限制性酶切位点的GCC盒双链寡核苷酸片段插入pBT10-GUS的相应酶切位点上(如图4所示)，获得含有单拷贝GCC盒的载体pBT10-X-GUS（X-GCC盒，下同），将载体pBT10-X-GUS分别用XbaI/SacI和SpeI/SacI组合酶切（37°酶切3-5h），回收含GCC盒的片段通过使用T4连接酶进行连接、转化大肠杆菌DH5а和验证，从而获得带有2个GCC盒拷贝串联的瞬间表达载体pBT10-XX-GUS。

1.1.2.2 构建含二倍盒的诱导型启动子植物表达载体：根据上述1.1.2.1中构建好的瞬间表达载体pBT10-XX-GUS上的GCC盒和其下游相邻的CaMV35S核心启动子（-46～+8bp）片段设计Gateway内侧引物，运用Gateway载体构建技术（参考Invitrogen公司Gateway^TM技术）构建植物表达载体，以pDNOR-207载体为入门载体，pMDC-163为目的载体从而获得可用于植物遗传转化的诱导植物表达载体pMDC-XX-163，表达载体转化农杆菌菌株EHA105备用（取1ug左右的pMDC-XX-163载体质粒加入到EHA105感受态细胞中，混匀后，冰浴30min；液氮速冻3min；取出后37℃水浴5min；冰浴2min；加入400ul不加抗生素的YEP液体培养基，28℃，180rpm摇培4h；取出后涂在含有50mg/L卡那霉素和利福平的YEP固体培养基，28℃培养到形成单菌落，挑取单克隆菌落进行PCR验证）。

1.1.2.3 植物表达载体转化农杆菌以及对水稻的遗传转化：用接种针挑取含目的基因pMDC-XX-163的农杆菌EHA105菌液，划线于浓度为50mg/L卡那霉素和利福平的AB固体培养基，置于28℃黑暗培养3-4d。从上述AB培养基上挑取一个单克隆于AAM液体培养基中置于28℃摇床，摇至OD值为0.1。取脱壳的日本晴种子用70%乙醇消毒1-2min，无菌水冲洗5遍，接着用2.5%次氯酸钠溶液（每50ml 2.5%次氯酸钠溶液含一滴Tween-20）消毒15min，用无菌水冲洗5遍，后置于灭菌过的滤纸上晾干，再接到N6D+2.4D诱导培养基，置于32℃光照培养箱中光照培养5-7d诱导产生愈伤组织。取出经诱导培养的种子，拔芽后浸入上述OD为0.1的AAM菌液中（含AS 10-20mg/L）10min，期间轻轻晃动，后用滤纸吸干愈伤表面的菌液。将愈伤转移到2N6-AS培养基上含AAM液体培养基的无菌滤纸上，25℃黑暗共培养3d。将共培养后的愈伤于无菌水中清洗5-6遍直至无混浊出现，接着用含500mg/L羧苄青霉素的无菌水清洗30min，用滤纸吸干，将愈伤置于N6D筛选培养基上（含400mg/L羧苄青霉素、2mg/L 2.4-D和50mg/L的潮霉素）32℃光照筛选培养2周。将经筛选培养的愈伤转移到RE-Ⅲ培养基上（含0.02mg/Lα-NAA、2mg/L KT、50mg/L潮霉素和400mg/L羧苄青霉素）32℃光照分化培养2-3周。取分化出来的小苗转移到HF生根培养基上30℃诱导生根培养1周。

1.1.2.4 转基因水稻DNA的提取以及分子检测：水稻基因组DNA的提取参照文献（sambrook and russel, 2002）方法。用Gateway内侧特异引物序列对其进行PCR检测（如图5所示），图中以表达载体pBT10-XX-GUS为阳性对照，以非转基因水稻为阴性对照，从图中可以看出1～8泳道出现与阳性对照一样的PCR条带，说明其均为阳性转基因植物。

1.1.2.5 转基因植株生物和非生物胁迫处理：取T1代饱满种子经含潮霉素的水溶液（浓度50mg/L）抗性筛选每天12h光照、25℃、培养7-8d后取能正常萌发的绿色小苗种到盛有土壤的塑料小花盆中，以尿素和有机肥作为基肥，出苗后追肥两次尿素。3-4叶期时采用喷雾接种法接种浓度为105个/mL的稻瘟病菌（菌株为guy11）分生孢子后移至25℃和80%湿度的温室培养数天。稻纵卷叶螟幼虫取食T1代转基因植株5-6叶期的幼嫩叶片不同时间段后将稻纵卷叶螟幼虫从叶片上移走。机械损伤处理用解剖刀对T1代转基因植株5-6叶期幼嫩叶片切割数处2-3cm伤口。

1.1.2.6组织化学染色：生物胁迫和非生物胁迫应答结果检测按照(Jefferson,1987)的方法配置GUS染色液，于-20℃避光储存。经上述生物和非生物胁迫处理后剪取5-6cm叶片于37℃放置12h再用70%乙醇脱色，期间更换乙醇数次。待脱色完全后拍取其照片。

转基因植株对生物、非生物胁迫的应答：

代转基因植株稻瘟病处理：

T1代GCC-GUS转基因植株生长到3-4叶期时被稻瘟病（菌株为guy11）分生孢子侵染后移至25℃和80%湿度的温室培养4-8d，分别检测GUS报告基因的表达情况，实验结果发现接种后随着培养时间的延长病害逐渐变得严重，在4-6d时GUS的表达量也随着病害增加而增加，GUS表达局限于病原菌侵染区域。病害严重的区域GUS表达扩散到周围甚至整片叶片，第8d时尤为明显。在未经稻瘟病菌侵染的T1代同龄植株置于相同条件下培养，剪取叶片进行GUS染色后发现除靠近用剪刀剪取部位外叶片其他部位未检测到明显的GUS活性。其结果说明，该启动子能应答病原菌侵染在侵染处表达，而且随着病害的加重其表达也随之增强（如图6所示）。

代转基因植株稻纵卷叶螟幼虫取食处理：

用稻纵卷叶螟幼虫取食T1代转基因水稻5-6叶期植株的幼嫩叶片，从开始取食时开始计时1h、3h、5h、12h后轻轻将稻纵卷叶螟从叶片上移走。剪取叶片5-6cm浸入GUS液中于37℃黑暗放置12h后进行脱色处理，如图7所示，可以清晰观察到上述不同时间段取食后GUS基因表达量的变化，在稻纵卷叶螟取食处能检测到明显的GUS活性，随着被取食时间增加，叶片受损区域增加，进行染色后发现其表达也随着增加。其结果说明，该启动子能应答咀嚼式口器昆虫危害，而且随着危害的加重其介导的表达也随之增强。

代转基因植株机械损伤处理：

机械损伤处理用解剖刀对T1代转基因植株5-6叶期幼嫩叶片切割数处2-3cm伤口，分别于1h、3h、5h、12h后剪取伤口附近5-6cm长的叶片浸入GUS液中置于37℃黑暗放置12h，然后分别检测上述不同时间段处理后GUS表达量的变化。经染色后可发现经解剖刀切割伤口处具有清晰的GUS活性，而且在此实验中GUS活性随着时间的递增而逐渐增加（如图8所示）。其结果说明，该启动子能应答机械损伤，而且随着损伤时间的延长其介导的表达也随着增强。

3 讨论

为了验证此嵌合型启动子对生物和非生物胁迫应答的功能，本发明采用病虫害频发而导致严重影响其产量的水稻为转基因受体材料。运用农杆菌介导目的基因对水稻愈伤组织进行遗传转化，获得转基因植株后对其T1代植株进行水稻常见病虫害（如稻瘟病、稻纵卷叶螟）以及机械损伤处理。结果可以发现随着植株发病程度或受损程度的加重，该启动子所介导的GUS报告基因表达量增加，而其表达仅局限于病斑以及取食受损处，随着模拟胁迫处理时间的延长其表达量显著增加甚至会扩散至整片叶片。当用未处理的叶片染色后很少或者不出现蓝色，说明该启动子只有很低的本底表达。

综上所述该启动子本底表达低、应答速度快、持续时间长、表达强度适中以及其表达量与病害程度相一致。对于促进水稻抗病、抗虫基因工程的实用化，同时通过启动子的鉴定将植物抗病、抗虫分子生物学研究成果向粮食作物水稻延伸，促进水稻抗病、抗虫的分子机制研究具有重要意义。

<110> 福建农林大学

<120>含GCC盒的诱导型启动子及构建和在基因工程上的应用

<160> 1

<210> 1

<211> 75

<212> DNA

<213> 人工序列

<220>

<400> 1

aatcagaagc cgccccagaa ttcgaccgca agacccttcc tctatataag gaagttcatt 60

tcatttggag aggac 75

 

Claims (2)

1.一种含二倍盒的诱导型启动子瞬间表达载体，其构建方法如下：将合成的带有XbaI和SpeI限制性酶切位点的GCC盒双链寡核苷酸片段插入pBT10-GUS的相应酶切位点上，获得含有单拷贝GCC盒的载体pBT10-X-GUS，将载体pBT10-X-GUS分别用XbaI/SacI和SpeI/SacI组合酶切，37°酶切3-5h，回收含GCC盒的片段通过使用T4连接酶进行连接、转化大肠杆菌DH5а和验证，从而获得带有2个GCC盒拷贝串联的瞬间表达载体pBT10-XX-GUS；所述GCC盒的核苷酸序列为AATCAGAAGCCGCCCCAGAAT。

2.权利要求1所述的诱导型启动子瞬间表达载体在单子叶植物水稻抗病、虫基因工程中的应用。

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