CN102382195B - 昆虫抗菌肽Drosomycin融合蛋白及其在植物抗病中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了昆虫抗菌肽Drosomycin融合蛋白及其在植物抗病中的应用。本发明所提供的昆虫抗菌肽Drosomycin融合蛋白，是如下1)或2)的蛋白质：1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的蛋白质；2)将序列表中序列2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加且与植物抗病性相关的由1)衍生的蛋白质。抗病性检测的结果显示，Drosomycin转基因拟南芥对白粉菌(Golovinomyces cichoracearum)和灰霉菌(Botrytis cinerea)等真菌具有明显的抗性。证明Drosomycin在控制植物真菌病害方面效果明显，具有一定的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及昆虫抗菌肽Drosomycin融合蛋白及其在植物抗病中的应用。
背景技术
昆虫是世界上最大的生物种群，除海洋外的所有的生态环境都有昆虫的分布，表明昆虫适应能力和防御能力非常强。昆虫并不具有高度专一的免疫体系，却能在自然界占据极大的优势，表明其先天性或获得性免疫能力是非常惊人的，其防御系统也必然有独到之处。研究表明，在受到病菌刺激的情况下，昆虫能够快速合成大量而多种的抗菌肽，迅速杀灭已侵入的病菌，并阻止病菌的继续侵染。到目前为止，在昆虫中已发现了大量的抗细菌肽，抗真菌肽，以及既抗真菌又抗细菌的抗菌肽。这些抗菌肽不仅对细菌、真菌有广谱抗菌能力，对病毒、原虫及癌细胞也有作用。
抗菌肽是一种具有生物活性的小分子多肽，分子量在2000～7000D左右，由20～60个氨基酸残基组成。这类活性多肽多数具有强碱性、热稳定性以及广谱抗菌等特点。据Shai-Matsuzaki-Huanf模型，多数抗菌肽的作用机制都是基于多肽与磷脂互作导致细胞膜破裂而引起细胞损伤。由于抗菌肽作用于磷脂类而非酶类，因此，很少有病原对抗菌肽产生抗性。
在全球范围内，植物病害所造成农作物产量的损失每年高达300-500亿美元。传统育种对抗病品种选育做出了最为重要的贡献，但由于植物本身抗病基因有限和单个抗病基因所介导的抗病性具有高度专化性，抗病谱比较窄，只能抗有限的小种，以致病原菌群体发生变化时，就面临抗性丧失的风险，从而无法满足农作物病害防治的需要。如何将各种生物体基因组的丰富资源系统地应用于农作物抗性的改良是当今转基因工程的一个热点和焦点问题。植物基因工程可以在不改变植物已有优异基因型的情况下引入抗病性表型，为获得新的抗病品种提供了更为强大的手段，成为农业可持续性发展的重要策略之一。
植物本身可产生多种抗菌肽，但研究发现植物来源的抗菌肽基因的表达只对病原菌产生中等程度抗性，这是由于经过长期的病原与寄主的相互作用和进化，植物病原菌已经对这些植物抗菌肽产生了耐受性。因此，非植物来源的抗菌基因在植物抗病中的应用越来越受到重视。昆虫抗菌肽对细菌、真菌、病毒等表现广谱抗性，抗菌性强、抗菌效果快。这些特点使得抗菌肽在培育抗性作物方面具有诱人的潜力。
目前已发现昆虫抗菌肽可以抑制许多农业生产中非常重要的植物病原真菌和细菌，如白粉病菌、稻瘟病菌、灰葡萄孢等真菌和丁香假单孢菌、胡萝卜软腐欧氏杆菌、水稻白叶枯病菌等细菌。通过转基因技术将抗菌肽导入植物中表达，可使作物对植物病原细菌和真菌产生有效抗性、烟草、水稻、辣椒、番茄等植物中成功表达并获得抗病株系的报道。然而，目前在植物转基因中应用的主要是天蚕素基因，而其他绝大多数抗菌肽在转基因植物中的抗病功能还没有测试。
Drosomycin是来自于果蝇的抗真菌肽，是第一个被鉴定的昆虫诱导型抗真菌肽，对细菌、酵母菌无明显抗性，但对多种丝状真菌显示很强的抗性。其原始肽含有70个氨基酸残基，成熟肽含有44个氨基酸残基，包含8个半胱氨酸残基，形成4个二硫桥(Fehlbaum P P，Bulet et al.(1994).″Insect immunity.Septic injury of Drosophila inducesthe synthesis of a potent antifungal peptide with sequence homology to plant antifungalpeptides.″J Biol Chem 269(52)：33159-63.)。其序列MVQIKFLFVFLAVMTIVVLAANMADADCLSGKYKGPCAVWDNEMCRRICKEEGHISGCSPSLKCWCEGC。Drosomycin在植物病害控制方面的文献还未见有报道。
拟南芥(Arabidopsis thaliana)属十字花科，基因组很小，但其2.5万基因在功能类别上却和其他开花植物大致相似；拟南芥生命周期很短，从播种到种子收获仅需要6～8周；拟南芥个体较小，适合于实验室内种植；这些特点使得拟南芥成为一种理想的植物遗传学和分子生物学研究材料。此外，拟南芥在接种条件下可以被多种不同的植物病原细菌、真菌及病毒等侵染，也是研究植物与病原菌互作的模式植物。利用转基因拟南芥研究抗菌肽在植物体内表达后的抗病功能，是一种便捷、有效的技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种昆虫抗菌肽Drosomycin融合蛋白。
本发明所提供的融合蛋白，名称为ChtSP-Drosomycin，是如下1)或2)的蛋白质：
1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的蛋白质；
2)将序列表中序列2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加且与植物抗病性相关的由1)衍生的蛋白质。
本发明的另一个目的是提供所述融合蛋白的编码基因。
本发明所提供的所述融合蛋白的编码基因(命名为ChtSP-Drosomycin)，为如下1)-3)中任一所述的基因：
1)其核苷酸序列是序列表中的序列1；
2)在严格条件下与1)的基因杂交且编码所述融合蛋白的基因；
3)与1)或2)的基因具有90％以上的同源性且编码所述融合蛋白的基因。
上述严格条件可为用6×SSC，0.5％SDS的溶液，在65℃下杂交，然后用2×SSC，0.1％SDS和1×SSC，0.1％SDS各洗膜一次。
序列表中的序列1由270个碱基组成，自5’端第1位-60位为水稻几丁质酶Cht-1的信号肽的编码序列，第61位-270位为昆虫抗菌肽Drosomycin的编码序列。
含有所述编码基因的表达盒、重组表达载体、转基因细胞系或重组菌也属于本发明的保护范围。
所述重组表达载体为在pGWB11载体的attR位点插入了所述编码基因得到的重组表达载体。
本发明的又一个目的是提供一种培育转基因植物的方法。
本发明所提供的培育转基因植物的方法，是将所述编码基因转入目的植物中，得到与所述目的植物相比，抗病菌能力提高的转基因植物。
所述编码基因是通过权所述重组表达载体导入目的植物中的。
所述目的植物为单子叶植物或双子叶植物；所述双子叶植物具体为拟南芥。
所述病菌为拟南芥白粉菌(Golovinomyces cichoracearum)和/或灰霉菌(Botrytiscinerea)。
将水稻几丁质酶Cht-1的信号肽连接到Drosomycin的N端，并对这一融合结构进行密码子优化，使其有利于在植物中高表达，再将其构建到Gateway载体系列的PGWB11(C端连FLAG标签)中。抗病性检测的结果显示，Drosomycin转基因拟南芥对白粉菌(Golovinomyces cichoracearum)和灰霉菌(Botrytis cinerea)等真菌具有明显的抗性。证明Drosomycin在控制植物真菌病害方面效果明显，具有一定的应用价值。
本发明采用转基因技术将序列表中序列1所示的融合基因转入植物提高植物的抗病性，这是传统育种技术所无法做到的。本发明利用植物源外的基因来提高植物的抗病性，为植物病害控制提供了一条新途径，若将其融入到作物育种程序将有广阔的前景。
附图说明
图1为ChtSP-Drosomycin融合基因在转基因拟南芥中的表达分析结果；其中，图1中A为重组载体PGWB11：ChtSP-Drosomycin的部分结构示意图；图1中B为对转基因拟南芥植株T1的12个株系用PCR检测Drosomycin基因整合到基因组上的结果；图1中C为对转基因拟南芥植株T2的7个株系用real-time PCR检测Drosomycin基因转录水平的结果；图1中D为选择转录水平较高的3个株系用western blot技术检测ChtSP-Drosomycin-FLAG的表达结果。
图2为ChtSP-Drosomycin转基因拟南芥对白粉菌抗性的检测结果；其中，图2中A为接种后12天转基因拟南芥line 3、line 4和line5和野生型Col-0感染白粉菌的表型结果；图2中B为接种后6天拟南芥叶片上的原始单孢子；图2中C为拟南芥叶片上单孢所产生的孢子数统计结果。
图3为ChtSP-Drosomycin转基因拟南芥对灰霉菌的抗性检测结果；其中，图3中A为转基因拟南芥line 3、line 4和line5以及野生型对照Col-0的表型，图3中B为转基因拟南芥line 3、line 4和line5以及野生型对照Col-0的病斑直径的统计分析结果。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例一、转基因拟南芥的获得及其检测
一、ChtSP-Drosomycin融合基因在转基因拟南芥中的表达分析
1、遗传转化载体的构建
采用的农杆菌转化载体为gateway系列中的pGWB11载体(公众可从中国科学院遗传与发育生物学研究所获得，记载过该材料的非专利文献是：Nakagawa，T.，Kurose，T.，Hino，T.，Tanaka，K.，Kawamukai，M.，Niwa，Y.，Toyooka，K.，Matsuoka，K.，Jinbo，T.and Kimura，T.(2007)Development of series of gateway binary vectors，pGWBs，forrealizing efficient construction of fusion genes for plant transformation.J.Biosci.Bioeng.104，34-41.)，该载体携带能够组成型表达的花椰菜花叶病毒启动子(CaM35Spromoter)，能够组成型表达目标基因。转化所用农杆菌为GV3101菌株(公众可从中国科学院遗传与发育生物学研究所获得，记载过该材料的非专利文献是：Van LarebekeN，Engler G，Holsters M，Van den Elsacker S，Zaenen I，Schilperoort RA，Schell J(1974)Large plasmid in Agrobacterium tumefaciens essential for crown gall-inducing ability.Nature 252：169-170.)。
先将经过密码子在线软件http://www.jcat.de/和http://miracle.igib.res.in/dynavac/优化过的ChtSP-Drosomycin基因融合序列送到genescript公司合成，此序列被连接到pUC57载体(购自南京金斯瑞生物科技有限公司，产品目录号为SD1176)上。以pUC57：ChtSP-Drosomycin为模板，用以下引物经过PCR扩增，
上游引物：
5’-GGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCTTCTGCTCTAGAGCCACCATGAGAGCGCTC-3’和
下游引物：
5’-GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCGGCGGCTGTACAACATCCTTCACACCAAC-3’。PCR反应程序为94℃，5min；94℃，20s；65℃，15s；68℃，45s；33个循环；68℃，10min；所用Taq酶为KOD(Novagen公司)。PCR产物在华大基因公司进行测序。测序结果表明，获得的融合基因的核苷酸序列如序列表中序列1所示，编码具有序列表中序列2所示的氨基酸残基序列的融合蛋白，序列表中序列2由90个氨基酸残基组成。序列表中序列1自5’端第1位-60位为水稻几丁质酶Cht-1的信号肽的编码序列，第61位-270位为昆虫抗菌肽Drosomycin的编码序列。将该融合基因命名为ChtSP-Drosomycin，将其编码的融合蛋白命名为ChtSP-Drosomycin。
将测序正确的PCR产物与pDONR207载体(购自Invitrogen，产品目录号为12213013)以及Gateway BP Clonase酶混合物(购自Invitrogen，产品目录号为11789-021)于25℃共同孵育，得到重组载体pDONR207：ChtSP-Drosomycin。将该重组载体转化感受态大肠杆菌DH10B(购自北京百泰克生物技术有限公司，产品目录号为DP77)，卡纳霉素平板筛选获得阳性克隆，扩繁，提取质粒。再将pDONR207：ChtSP-Drosomycin、pGWB11和Gateway LR Clonase酶混合物(购自Invitrogen，产品目录号为11791-043)于25℃共同孵育，获得重组表达载体pGWB11：ChtSP-Drosomycin。将该重组表达载体转化大肠杆菌DH10B(购自北京百泰克生物技术有限公司，产品目录号为DP77)，潮霉素平板筛选阳性克隆，扩繁，提取质粒并送华大基因公司测序。测序结果表明，在pGWB11载体的attR位点插入了序列表中序列1所示的编码基因，证明重组质粒构建正确(图1中A)。
将pGWB11：ChtSP-Drosomycin导入农杆菌GV3101感受态，潮霉素平板筛选并通过菌落PCR反应鉴定(引物同上文所述)阳性克隆，扩繁，用于转化野生型拟南芥Col-0。
2、遗传转化和T1代转化植株的分析
采用花序浸泡法将GV3101携带的pGWB11：ChtSP-Drosomycin转化拟南芥生态型Col-0(购自美国俄亥俄州立大学的生物资源中心(ABRC)，产品目录号为CS39005)。
将花序在OD600＝0.6～0.8的农杆菌悬液(0.5％蔗糖，0.02～0.05％Sliwet L-77)中浸泡30秒左右，转化后的植株用黑色塑料袋避光保湿放置16-24小时，然后在9小时光照/15小时黑暗、温度为22℃的植物生长间进行培养，直到种子成熟。收获的种子播种于含潮霉素的平板上，筛选获得阳性转化株。
同时，用上述方法得到转空载体pGWB11对照拟南芥植株。设未转化的拟南芥Col-0为野生型对照拟南芥植株。
对pGWB11：ChtSP-Drosomycin转化获得的拟南芥植株T1代中的12个株系(Line1-12)的基因组DNA进行Drosomycin的PCR检测。PCR检测所用的引物序列为：5’-ATGGTTCAAATTAAAT-3’和5’-ACATCCTTCACACC-3’。
结果：被检测的pGWB11：ChtSP-Drosomycin独立转化植株中除了株系1(L1)外，其余11个株系均能扩增出目的条带；野生型对照拟南芥植株Col-0未扩增出目的条带(图1中B)。
为了解Drosomycin在转基因拟南芥中是否转录表达，对pGWB11：ChtSP-Drosomycin独立转化植株T2中的7株进行了Real-time PCR检测，所用的引物序列为：5’-ATGGTTCAAATTAAAT-3’和5’-ACATCCTTCACACC-3’。
结果表明目的基因在转基因植物L3-L9中均能转录表达，而在野生型对照拟南芥植株Col-0中不能转录表达(图1中C)。
为了进一步研究ChtSP-Drosomycin融合蛋白在转基因拟南芥中的翻译表达情况，对转录水平较高的株系3(L3)、株系4(L4)和株系5(L5)进行了western blot检测，抗体为鼠抗FLAG抗体(购自sigma公司，F1804)。
结果显示，ChtSP-Drosomycin融合蛋白在转基因拟南芥L3、L4和L5中均能翻译表达，而在野生型对照拟南芥植株Col-0中不能翻译表达(图1中D)。
二、ChtSP-Drosomycin转基因拟南芥对白粉菌的抗性分析
对ChtSP-Drosomycin融合蛋白在转基因拟南芥中翻译表达较高的株系3(line3))、株系4(line 4)和株系5(line 5)接种拟南芥白粉菌(Golovinomyces cichoracearum)(公众可从中国科学院遗传与发育生物学研究所获得，记载过该材料的非专利文献是：Yiping Wang，Marc T.Nishimura，Ting Zhao，Dingzhong Tang.2011.ATG2，anautophagy-related protein，negatively affects powdery mildew resistance andmildew-induced cell death in Arabidopsis.The Plant Journal，68，10：74-87)。接种方法为：用吹风机将白粉菌孢子吹进高1米左右的密闭容器内，静置1小时以上，孢子可以均匀散落于密闭容器内的拟南芥叶片上。接种后6天取叶片用trypan blue染色，(图2中B，红色箭头所指的是原始单孢子)，在显微镜下观察单孢所产生的孢子数，计数并进行统计分析，结果见图2中C，结果表明ChtSP-Drosomycin转基因拟南芥line3、line4和line5与野生型Col-0相比对白粉菌具有显著的抗性。接种后12天，拍摄Col-0、line 3、line 4和line5感染白粉菌的表型照片，见图2中A，从图中可见，ChtSP-Drosomycin转基因拟南芥line 3、line 4和line5较野生型对照Col-0具有明显的抗性。转空载体对照植株与野生型对照植株的表型一致。
三、ChtSP-Drosomycin转基因拟南芥对灰霉菌的抗性分析
对ChtSP-Drosomycin融合蛋白在转基因拟南芥中翻译表达较高的株系3(line3))、株系4(line 4)和株系5(line 5)接种灰霉菌(Botrytis cinerea)(公众可从中国科学院遗传与发育生物学研究所获得，记载过该材料的非专利文献是：Yiping Wang，Marc T.Nishimura，Ting Zhao，Dingzhong Tang.2011.ATG2，an autophagy-related protein，negatively affects powdery mildew resistance and mildew-induced cell death in Arabidopsis.The Plant Journal，68，(10)：74-87)。接种方法为：取叶片平铺于0.8％琼脂平板上，将浓度为5×105spores/ml的灰霉菌孢子悬浮液10μL滴至叶片中央。22℃保湿3天后观察表型，拍照并测量病斑直径和进行统计分析。结果见图3，图3中A为转基因拟南芥line3、line4和line5以及野生型对照Col-0的表型，图3中B为转基因拟南芥line3、line4和line5以及野生型对照Col-0的病斑面积的统计分析结果。结果表明Drosomycin转基因拟南芥的三个株系line3、line4和line5较野生型对照Col-0对灰霉菌具有显著的抗性。转空载体对照植株与野生型对照植株的表型一致。
Claims (8)
1.一种融合蛋白的编码基因，其核苷酸序列是序列表中的序列1；所述融合蛋白是由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的蛋白质。
2.含有权利要求1所述编码基因的表达盒。
3.含有权利要求1所述编码基因的重组菌。
4.含有权利要求1所述编码基因的转基因细胞系。
5.含有权利要求1所述编码基因的重组表达载体。
6.根据权利要求5所述的重组表达载体，其特征在于：所述重组表达载体为在pGWB11载体的attR位点插入了权利要求1所述编码基因得到的重组表达载体。
7.一种培育转基因植物的方法，是将权利要求1所述的编码基因转入目的植物中，得到与所述目的植物相比，抗病菌能力提高的转基因植物；所述目的植物为拟南芥；所述病菌为拟南芥白粉菌（Golovinomyces cichoracearum）和/或灰霉菌（Botrytis cinerea）。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：权利要求1所述的编码基因是通过权利要求5或6所述的重组表达载体导入目的植物中的。
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