CN102584960B

CN102584960B - 一种Bt蛋白Cry70Aa1、其编码基因及应用

Info

Publication number: CN102584960B
Application number: CN2011104596693A
Authority: CN
Inventors: 郑爱萍; 李平; 李巧; 李双成; 王世全; 刘怀年
Original assignee: Sichuan Agricultural University
Current assignee: Sichuan Agricultural University
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: CN102584960A

Abstract

本发明提供了一种新的Bt蛋白Cry70Aa1及其编码基因，所述蛋白具有SEQ ID No.1所示的氨基酸序列，或该序列经取代、缺失和/或增加一个或多个氨基酸形成的具有同等功能的氨基酸序列，其编码基因的核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。本发明的Cry70Aa1蛋白可以用于制备Bt杀虫剂，可将其编码基因转化棉花、玉米、水稻、蔬菜等农作物，使其具备相应的抗虫活性，从而降低农药的使用量，减少环境污染，具有重要的经济价值和应用前景。

Description

一种Bt蛋白Cry70Aa1、其编码基因及应用

技术领域

本发明涉及一种新的Bt蛋白，具体地说，涉及一种Bt蛋白Cry70Aa1、其编码基因及应用。

背景技术

在人类生产过程中，虫害是造成农业生产损失及影响人类健康的重要因素。为了减少这些损失，多年来，对农作物害虫及蚊虫普遍采用化学防治手段进行防治，但由于化学农药的长期、大量使用，造成了对环境的污染，农副产品中农药残留量增加，给人类的生存和健康带来了危害。此外，化学农药在杀灭害虫的同时，也杀伤了天敌及其它有益物，破坏了生态平衡。与化学防治相比，生物防治具有安全、有效、持久的特点。并且避免了化学防治带来的一系列问题。因此，生物防治技术成了人们研究的热点。在生物杀虫剂中，苏云金芽孢杆菌是目前世界上用途最广、产量最大的一类微生物杀虫剂。

苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis，简称Bt)是一种革兰氏阳性细菌，它的分布极为广泛，在芽孢形成的同时可形成具有杀虫活性的由蛋白质组成的伴胞晶体，又名杀虫晶体蛋白(Insectididal crystalproteins，简称ICPs)，ICPs是由cry基因编码的，对敏感昆虫有强烈毒性，而对高等动物和人无毒性。目前在农田害虫、森林害虫及卫生害虫的防治中Bt已成为化学合成农药的有力替代品，Bt还是转基因抗虫工程植物重要的基因来源。

自1981年Schnepf从菌株HD-1中克隆了第一个能表达杀虫活性的基因以来，人们已经分离克隆了500多种编码杀虫晶体蛋白的基因，根据编码的氨基酸序列同源性它们被分别确定为不同的群、亚群、类和亚类(Crickmore N，等Microbiol Mol Biol Rev，1998，62：807-813；http://www.biols.susx.ac.uk/Home/Neil Crickmore/Bt/)。一般而言，Cry1，Cry2和Cry9等毒蛋白对鳞翅目害虫有效；其中研究的最多的是Cry1和Cry9类蛋白，它们编码的杀虫晶体蛋白分子量为130-140kD，许多基因目前已被广泛应用于植物的鳞翅目害虫的防治。苏云金芽胞杆菌以色列亚种(B.thuringiensis subsp.israelensis，简称Bti)产生的毒素蛋白对蚊虫具有很好杀虫活性，被广泛用于蚊虫的防治。同时，Cyt蛋白具有溶细胞性，对某些Cry蛋白具有增效作用及延缓昆虫的抗性。

以Bt杀虫晶体蛋白为基础的杀虫剂的使用已有50多年的历史，最初一直没有检测到昆虫对Bt的抗性，但是，上世纪80年中期开始，抗性问题不断在实验室及田间试验中得到证实(McGaughey，W.H.1985.Science.229：193-195)，原因主要是持续使用单品种及亚致剂量的Bt以及Bt转基因抗虫植物的应用造成昆虫种群长期受到杀虫剂的选择压力。1985年，McGaughey报道仓库谷物害虫印度谷螟(Plodiainterpunctella)在Dipel(Bt subsp.kurstaik HD-1的商品制剂)的选择压力下，繁殖15代后，抗性增加97倍；在高剂量选择压力下，抗性可增加250倍。1990年，在夏威夷首次证实大田中的小菜蛾对Bt杀虫剂产生了明显的抗性(Tabashnik，B.E，等1994.Proc.Natl.Acad.Sci.USA.91：4120-4124)，上世纪90年代以来，在我国应用Bt杀虫剂时间较长的深圳、广州、上海等地，发现Bt杀虫剂对小菜蛾防治效果明显下降，意味着抗性已经形成(冯夏.1996.昆虫学报，39(3)：238-244；Hofte，H.，1988.Appl.Environ.Microbiol.54：2010-2017)。目前发现在实验室及田间至少有十几种昆虫对Bt及其杀虫晶体蛋白产生了抗性，用选择压力数学模型预测到，在Bt转基因抗虫植物选择压力的条件下，昆虫将会产生抗性(Schnepf，E.，等1998.Mol.Biol.Rev.65(3)：775-806)。另外，有研究证明Bti在大田的使用中尚未发现抗性问题，但是蚊虫对其抗性问题不断在实验室中得到证实，这种情况也可能会在大田中出现(Georghiou G P，1997.Applied and Environmental Microbiology，63：1095-1101.)。

为避免抗性昆虫所造成的损失，寻找新的高毒力Bt基因资源是解决这个问题的有效途径，这对我国的生物防治有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对昆虫对Bt及其杀虫晶体蛋白产生抗性的问题，提供一种新的Bt蛋白Cry70Aa1、其编码基因及应用。

为了实现本发明目的，本发明的一种Bt蛋白Cry70Aa1，其氨基酸序列为：1)SEQ ID No.1所示的氨基酸序列；或2)SEQ ID No.1所示的氨基酸序列经取代、缺失和/或增加一个或多个氨基酸形成的具有同等功能的氨基酸序列。例如在非活性区段，将第774位的Ala替换为val，将第14位的ala缺失，在第27位增加一个Gly或增加一个Ile，不影响蛋白的活性。

本发明还提供编码上述蛋白的基因，其核苷酸序列如SEQ IDNo.2所示。

本发明从四川省沐川原始森林地区土壤中分离得到的苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)新菌株HS18-1。该菌株已于2008年10月21日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(地址：北京市朝阳区大屯路甲3号，中国科学院微生物研究所，邮编100101)保藏，保藏号为CGMCC No.2718。

通过对HS18-1的毒力测试表明，HS18-1对鳞翅目害虫、双翅目害虫等，均具有极高的毒力。从HS18-1基因组及质粒测序结果中发现该菌株存在一个新的cry基因，进一步设计其全长基因引物，克隆得到cry70Aa1基因，其核苷酸序列如SEQ ID No.2所示，全长为2409bp，分析表明，GC含量为35.33％，编码803个氨基酸组成的蛋白。经测定，其氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。在softberry网站采用bacterialsigma7.0 promoter程序对全序列进行预测表明，在基因编码区上游含有RNA聚合酶活化位点的序列，将其命名为cry70Aa1。Cry70Aa1蛋白的氨基酸组成如表1所示。

表1Cry70Aa1蛋白的氨基酸组成

氨基酸	百分比％	氨基酸	百分比％
				Ala(A)：	5.24	Met(M)：	2.24
Cys(C)：	0.00	Asn(N)：	6.98
				Asp(D)：	6.48	Pro(P)：	4.24
Glu(E)：	5.61	Gln(Q)：	5.36
				Phe(F)：	3.24	Arg(R)：	3.37
Gly(G)：	7.61	Ser(S)：	5.99
				His(H)：	1.12	Thr(T)：	7.73
Ile(I)：	8.98	Val(V)：	4.24
				Lys(K)：	8.35	Trp(W)：	1.37
Leu(L)：	6.98	Tyr(Y)：	4.86

本发明还提供含有编码上述Bt蛋白Cry70Aa1的基因的载体以及含有该载体的宿主细胞。应理解，考虑到密码子的简并性以及不同物种密码子的偏爱性，本领域技术人员可以根据需要使用适合特定物种表达的密码子。

本发明的基因和蛋白可以从菌株HS18-1中克隆或分离得到，或者通过DNA或肽合成的方法得到。

可将本发明的基因与表达载体可操作地连接，得到能够表达本发明蛋白的重组表达载体，进而可以通过诸如农杆菌介导法、基因枪法、花粉管通道法等转基因方法，将所述表达载体导入宿主，得到转cry70Aa1基因的转化体，例如农作物或者果树等植物，使其具备抗虫活性。

此外，还可以通过菌株HS18-1的发酵，得到含有Cry70Aa1蛋白的发酵液，将其制备成杀虫剂，用于农作物害虫的防治。本领域技术人员还可以将上述基因转化细菌或真菌，通过大规模发酵生产本发明Bt蛋白。

本发明还提供了Bt蛋白Cry70Aa1在提高植物抗虫性中的应用。

本发明还提供了Bt蛋白Cry70Aa1在培育转基因植物中的应用。

本领域技术人员还可以根据本发明公开的cry70Aa1基因，将其转化棉花、玉米、水稻、蔬菜等农作物，使其具备相应的抗虫活性。例如：利用密码子的简并性，将cry70Aa1基因设计具有水稻偏好密码子的基因序列，再将合成的cry70Aa1基因序列与载体pCAMBIA1300连接，通过农杆菌介导转入到水稻基因组中，从而得到具有抗虫活性的转基因水稻品种。

本发明提供的Cry70Aa1蛋白是一种新的Bt蛋白，具有较好的杀虫活性，将其用于制备转基因植物，能够特异性杀灭害虫，并降低农药的使用量，降低成本，减少环境污染。目前还没有害虫或昆虫对该蛋白产生抗性的报道，因此，本发明的Bt蛋白Cry70Aa1具有重要的经济价值和应用前景，适合大规模应用于提高植物的抗虫性中。

附图说明

图1显示的是克隆得到的cry70Aa1全长基因的凝胶电泳图，其中M为DNA marker；1为cry70Aa1基因。

图2显示的是重组质粒pET-70Aa的酶切鉴定图谱，其中1为插入的DNA；2为重组质粒pET-70Aa的Sac I+Not I双酶切产物；3为pET28a质粒；M为DNA marker。

图3显示的是cry70Aa1基因在E.cali BL21(DE3)中表达产物的SDS-PAGE检测结果；其中M为蛋白marker；1为含有载体pET-28a的E.coli BL21(DE3)表达蛋白(阴性对照)；2为含有重组质粒pET-70Aa的E.coli BL21(DE3)未经IPTG诱导菌体裂解液；3为含有重组质粒pET-70Aa的E.coli BL21(DE3)经IPTG诱导后菌体裂解液。箭头所指蛋白的分子量约为90.4kDa。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

实施例1cry70Aa1基因的克隆

本发明从四川省沐川原始森林地区土壤中分离得到的苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)新菌株，该菌株已于2008年10月21日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(地址：北京市朝阳区大屯路甲3号，中国科学院微生物研究所，邮编100101)保藏，分类命名为苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)，保藏号为CGMCC No.2718。

本实施例通过如下方法克隆得到cry70Aa1基因的全长序列。

采用基因组DNA纯化试剂盒(购自赛百盛公司)提取菌株HS18-1的总DNA作为扩增cry70Aa1基因的模板，设计引物序列如下：

P1：5’-ATGGATAAAAAACCAAAAA-3’；

P2：5’-TTAGCCTTTCTTTATACCTA-3’

PCR反应体系：

热循环反应：94℃预变性5min；94℃变性50s，54℃50s，72℃延伸2min 30S，30个循环；72℃延伸10min；4℃停止反应。扩增反应产物在0.7％琼脂糖凝胶上电泳，置凝胶成像系统中观察PCR扩增结果。结果如图1所示，通过扩增得到了约为2409bp的序列，将该序列进行测序，其核苷酸序列如SEQ ID No.2所示，与目的序列一致。

实施例2cry70Aa1基因的表达及杀虫活性测定

根据cry70Aa1基因开放阅读框两端序列，设计并合成一对特异引物：

70AaF：5′-CGGAGCTCATGGATAAAAAACCAAAAA-3′

70AaR：5′-ATTTGCGGCCGCTTAGCCTTTCTTTATACCTA-3′

分别在5’端和3’端引入Sac I和Not I酶切位点。以HS18-1总DNA为模板进行扩增，反应程序和扩增条件同实施例1，扩增的产物采用Sac I和Not I进行双酶切，酶切产物与同样进行双酶切后的载体pET-32a(+)连接，转化E.coli DH5α感受态细胞，提取其质粒酶切电泳验证其插入片断大小符合预期目的(图2)，然后转入受体菌E.coli.BL21(DE3)中。将重组质粒命名为pET-70Aa，含重组质粒的重组子命名为E.coli.BL21(70Aa)。将阳性转化子于LB培养基中，在200r/min、37℃过夜培养，再将培养液按照1∶100的比例转接到含有400mLLB培养液的1L三角瓶中，200r/min、37℃培养，当培养液的OD值达到0.6-0.8时，加入0.6mmol/L IPTG进行诱导表达12h，离心培养液收集菌体，弃上清，加入30mL 10mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)超声波破碎，用SDS-PAGE对表达蛋白进行检测。

SDS-PAGE分析表明cry70Aa1基因的表达产物在菌体超声破碎后的沉淀中(图3)，分子量约为90.4KD，与预测的蛋白分子量相符。

实施例3Cry70Aa1蛋白杀虫活性测定

将实施例2获得的Cry70Aa1蛋白对伊蚊进行杀虫活性测定。首先将cry70Aa1蛋白配制成0.1、4、8、16、32、64mg/mL共6个不同的浓度梯度，然后每处理投入20头伊蚊幼虫，每处理3次重复，E.coli.BL21(DE3)作为阴性对照，清水为空白对照；12h后统计结果，LC₅₀用SPSS10.0软件分析。

结果表明(表2)：表达产物对伊蚊具一定的杀虫活性，LC₅₀为50.32μg/mL，而E.coli.BL21(DE3)和空白对照对伊蚊不具杀虫活性。

表2Cry70Aa1蛋白对伊蚊的杀虫活性

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种Bt蛋白Cry70Aa1，其氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。

2.编码权利要求1所述蛋白的基因。

3.如权利要求2所述的基因，其核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。

4.含有权利要求2或3所述基因的载体。

5.权利要求2或3所述基因或权利要求4所述载体在制备转基因植物中的应用。

6.权利要求1所述蛋白、权利要求2或3所述基因或权利要求4所述载体在提高植物抗虫性中的应用；所述虫为伊蚊。

7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述植物为棉花、玉米、水稻。