CN102851305B - 耐辐射异常球菌r1 hin蛋白基因培育耐盐植物的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明发现耐辐射异球菌Deinococcus radiodurans R1中的HIN蛋白基因(DR1372)具有增强原核生物及植物的抗逆能力。本发明构建了包含上述基因的重组载体,把它们分别导入原核及真核宿主细胞。实验证明,HIN蛋白基因(DR1372)在原核宿主细胞和植物中表达后,均能增强其耐盐抗性。
Description
技术领域
本发明涉及耐辐射异常球菌R1(Deinococcus radiodurans R1)HIN蛋白基因(DR1372,GeneID:1798946)的新功能,具体涉及该基因增强植物对盐胁迫抗性方面的应用。
背景技术
盐碱、干旱和冻害是限制植物生长发育的重要逆境因子,在胁迫过程中植物体会诱导合成一系列的功能蛋白,以保护植物体细胞在胁迫条件下免受伤害(Shinozaki,2007)。大量研究表明,HIN蛋白在植物抵御高盐等非生物胁迫的过程中发挥着重要作用。D.radiodurans R1含有的HIN蛋白基因DR1372编码的蛋白属于LEA2家族成员,对胚乳发育和植物生长器官的渗透胁迫有保护作用(Campbell et al.,1997;Close et al.,1997;Brawley et al.,1998;Mtwisha et al.,1998)。
但目前未见耐辐射异常球菌R1 HIN蛋白基因(DR1372,GeneID:1798946)在提高植物耐盐性方面的功能的研究报道。
发明内容
本发明的目的是从D.radiodurans R1基因组中发现能够提高植物对盐抗性的基因。并将该基因转入植物,使转入该基因的植物获得耐盐的能力。
本发明通过如下研究发现,Deinococcus radiodurans R1的HIN蛋白基因(DR1372)具有耐盐胁迫的功能,可用于培育耐盐性状的植物:
1、获得含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)的重组工程菌株
1)通过PCR从D.radiodurans R1(DSM 20539)菌株基因组扩增出D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372),基因序列号为:GeneID:1798946。其大小为495 bp,该基因编码164个氨基酸,将其克隆于载体pGEMT-easy上,构建了含有完整HIN蛋白基因的重组质粒pGEMT-hin;
2)将HIN蛋白基因(DR1372)连接于pRADZ3穿梭质粒上,该质粒含有能在大肠杆菌和耐辐射异球菌中都起作用的groEL启动子,构建含有groEL启动子的完整HIN 蛋白基因(DR1372)重组质粒pRADZ3-hin G;
3)将导入HIN蛋白基因(DR1372)的重组质粒pRADZ3-hin G转入受体大肠杆菌JM109中,获得重组菌株JM-hin(详见实施例1);
2、含有HIN蛋白基因工程菌株的耐盐实验
实验证实,经4M NaCl盐溶液冲击后,含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)的JM-hin重组菌株生长状况良好,菌落数高于只含空质粒的JM-Z3菌株(见实施例2及图4)。该工程菌株具有耐受4M NaCl冲击的能力。
此实验表明:D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)具有增强原核生物耐盐的能力。
3、HIN蛋白基因(DR1372)在油菜中表达及转基因植株的耐盐性鉴定
1)将D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)连接到植物表达载体pBI121中,构建具有HIN蛋白基因(DR1372)的重组质粒pBI121-hin;
2)将pBI121-hin重组质粒转化油菜中,获得了能够耐受盐胁迫的转基因油菜植株;
此实验表明:D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)具有培育耐盐植物的用途(见实施例3)。
附图说明:
图1是含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)序列的PCR产物验证电泳图谱;
图2是含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)及groEL启动子构建原核表达载体的验证电泳图谱;
图3是在盐冲击试验前的含有空载体和含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)序列的原核表达载体的大肠杆菌的生长情况的菌落照片,其中:
a是含有空表达载体的大肠杆菌JM 109菌株;
b是含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)表达载体的大肠杆菌重组菌株;
图4是含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)的原核表达载体及空载体的大肠杆菌(E.coli)在含4M NaCl培养基中的生长情况的菌落照片,图中的菌株如下:
a是含有空表达载体的大肠杆菌JM109菌株;
b是含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)表达载体的大肠杆菌重组菌株;
图5是在350mmol.L-1的NaCl培养基上转D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)油菜与非转基因油菜的耐盐试验结果比较。
图中顺序从左至右,左起第1盆是非转基因油菜,第2~5盆是转入D.radiodurans R1HIN蛋白基因(DR1372)的油菜。
具体实施方案
以下实施例中所举的质粒、菌株只是用于对本发明作进一步详细说明,并不对本发明的实质内容加以限制。凡未注明具体实验条件的,均为按照本领域技术人员熟知的常规条件,例如Sambrook等分子克隆:实验室手册(New York:Cold Spring Harbor Laboratory Press,1989)中所述的条件,或按照制造厂商所建议的条件。
实施例中所举的质粒、菌株来源如下:
克隆载体pGEMT-easy:为Promrga公司市售产品;
穿梭质粒pRADZ3:为本实验室保存;
植物表达载体pBI121:为Clontech公司市售产品;
大肠杆菌JM 109:为北京全式金公司市售产品。农杆菌EHA 105由本实验室保存
实施例1 D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)序列在大肠杆菌中的表达
根据已公布的D.radiodurans R1基因组中的HIN蛋白基因(DR1372)序列设计1对PCR特异性引物,从D.radiodurans R1基因组DNA中扩增完整的核苷酸序列:
Up 5′ATTA GAGCTATGAAGAAGATGGCTTTTG3′;
Down 5′ACGC TCCTCAAAACACCGATAAAG3′。
上述黑斜体部分是酶切位点。
通过PCR方法从D.radiodurans R1的基因组中扩增出目的基因序列,反应条件:94℃10min,[94℃60sec,55℃30sec,72℃60sec]30个循环,72℃10min,PCR产物经胶回收后,克隆于载体pGEMT-easy上,命名为pGEMT-hin,并测序验证;然后通过SpeI/NdeI双酶切获得含有粘性末端的及含有启动子groEL的pRADZ3载体,将HIN蛋白基因(DR1372)连接于pRADZ3载体上,构建大肠杆菌表达载体pRADZ3-hinG,将该表达载 体转化大肠杆菌JM109,经PCR、酶切,测序验证插入序列正确(见图1,2),将该重组菌株命名为JM-hin。
将含有pRADZ3空质粒的E.coli JM109命名为JM-Z3。
实施例2 含D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)重组菌株的耐盐实验
一、实验方法
1、将实施例1中获得的2个重组大肠杆菌分别接种于20mL LB液体培养基(含Amp抗生素)中,摇瓶过夜(37℃)培养后,再分别转接于100mL的LB液体培养基中,尽量保持接种量的一致,培养至OD600≈0.5即可。
2、取10mL的菌液离心后,在等体积的4M NaCl盐溶液里冲击2h,每个样品立即用无菌去离子水倍比稀释至10-4,取10μL点在LB固体培养基表面,经37℃培养16h,观察菌落形成情况并照相。
二、实验结果
图3显示,4M NaCl盐溶液冲击前含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)的JM-hin菌株与含空质粒的JM-Z3菌株生长状态基本一致;4M NaCl盐溶液冲击后,含有D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)的JM-hin重组菌株生长状况良好,菌落数明显高于只含空质粒的JM-Z3菌株(见图4)。
三、实验结论
D.radiodurans R1 HIN蛋白基因(DR1372)增强了原核生物耐盐的能力。
实施例3 HIN蛋白基因(DR1372)在油菜中表达及转基因植株的耐盐性实验
(一)农杆菌介导转化油菜实验
1.根癌农杆菌EHA105感受态的制备
1)挑取单菌落,接种于5mL YEB液体培养基(含利福平Rif 50mg/L),28℃,250rpm振荡培养过夜;
2)取2mL菌液,加入50mL YEB液体培养基(含Rif 50mg/L)中,28℃,250rpm振荡培养至OD600≈0.6;
3)将菌液转至50mL无菌离心管中,冰浴30min,5000×g离心5min;
4)弃上清,沉淀用2mL 20mM CaCl2重浮,每份100μL分装到1.5mL离心管中,液氮中保存备用。
2.重组质粒DNA转入农杆菌
1)将约1μg的pBI 121-hin质粒DNA分别加入到100μL EHA105感受态细胞中,混匀,冰浴5min;
2)将离心管置液氮中冷冻8min,迅速转至37℃水浴中温浴5min;
3)加入1mL YEB液体培养基,在28℃摇床上250rpm复苏4~5h;
4)取适量菌液涂布到含利福平(Rif)50mg/L和卡那霉素(Kan)100mg/L的YEB固体培养基上,置28℃培养24~48h。
3.农杆菌的质粒的提取
1)挑取菌落于含利福平(Rif)50mg/L和卡那霉素(Kan)100mg/L的YEB液体培养基中(YEB:胰蛋白胨5g/L,酵母提取物1g/L,蔗糖5g/L,硫酸镁0.5g/L),28℃,250rpm振荡培养20h;
2)取1.5mL菌液离心后,弃上清,用STE溶液(Tris-HCI 10mM pH 8.0,NaCl 10mM,EDTA 10mM pH 8.0)洗涤2次,弃上清,加入预冷的溶液I(50mM葡萄糖,25mM Tris-HClpH8.0,10mM EDTA pH 8.0,RNase A 100μg/mL)300μL,用移液器反复抽吸混匀,室温静置10min;
3)加入新鲜配置的溶液II(0.2M NaOH,1%SDS)600μL,上下颠倒几次混匀;
4)加入预冷的溶液III(5M乙酸钾pH 5.2,冰醋酸11.5mL,加水至100mL)450μL,充分混匀,冰浴5min,4℃12000×g离心5min,取上清用0.6倍体积的异丙醇沉淀;
5)沉淀加入50μL TE(Tris-HCl 10mmol/L,1mmol/LEDTA,pH 8.0)溶解后,经PCR、Bam HI、Sac I双酶切验证。
4.油菜无菌苗的准备及农杆菌介导的HIN蛋白基因(DR1372)遗传转化
1)油菜无菌苗的培养
甘蓝型油菜(Brassica napus L.)(84100-18)种子在超净工作台上用灭菌水浸泡10min,10%的NaClO灭菌12min,再用0.1%的升汞溶液消毒7-8min,用灭菌水洗3-5遍,并把灭菌的油菜种子均匀地摆放在无激素的预培养基上(7.5%琼脂)。光照培养,4-5 d龄油菜幼苗最适于遗传转化。
2)预培养
用75%的酒精和高温消毒灭菌的剪刀剪掉子叶和生长点,剪取油菜无菌苗紧邻生长点下约0.5cm长的下胚轴,置于预培养基(MS+6-BA 2mg/L+2,4-D 1mg/L+AgNO3 2.5 mg/L+AS 19.62mg/L)上,光照预培养2d。
3)农杆菌的培养
在50mL LB液体培养基(含卡那霉素100mg/L、利福平50mg/L)中加入0.1mLhin-EHA 105菌液,28℃下220rpm振荡培养16h左右,室温下4000×g离心10min,弃上清液,菌体用灭菌的MS液体培养基(含AS 100μmol/L)悬浮,稀释到原体积的5-20倍,在28℃下220rpm振荡培养1h,使菌液的OD600≈0.5。
4)共培养
把预培养2d的下胚轴放入菌液中浸染1min,用药勺捞出下胚轴,放在灭菌的吸水纸上,吸干下胚轴上的多余菌液,再放到覆盖有灭菌滤纸的预培养基上,用封口膜封好培养皿,25℃左右,于暗处共培养约2d(暗培养)。
5)诱导培养
把共培养2d的下胚轴放到诱导培养基(MS+6-BA 2mg/L+AgNO3 2.5mg/L)上,用封口膜封好培养皿,25℃左右光照培养,每2周继代1次,直至长出膨大的愈伤组织。
6)选择培养
把膨大的愈伤组织转移到筛选培养基(MS+6-BA 2mg/L+AgNO3 2.5mg/L+Kan 100mg/L)上,用封口膜封好培养皿,25℃左右光照培养,每2周继代1次,直至长出苗。
7)生根培养
当幼芽长到1-2cm高时,把它们从愈伤组织上分离,转移到生根培养基上(1/2MS+NAA 0.5mg/L+Kan 25mg/L)进行生根培养。在抗生素筛选条件下,约87%的芽在2周后形成根。
8)炼苗和移栽
生根后的幼苗长到5-6cm高时,半敞开培养瓶盖子,进行炼苗;待幼苗适应外界环境以后,转移到室内灭菌的蛭石中栽种培养,并用1/2MS培养液浇灌。当幼苗生长至7-9cm时,将幼苗移植到泥土中生长,然后再进行下一步实验。
(二)含HIN蛋白基因(DR1372)序列转基因油菜的耐盐性鉴定实验
1、实验目的
鉴于该核苷酸序列已被证明在大肠杆菌中对盐胁迫具有抗性,进一步对转基因植株进行耐盐性鉴定。
2、实验方法
采用不同的NaCl浓度(0、50、100、150、250和350mmol.L-1NaCl)分别对转基因油菜植株和非转基因油菜植株进行生长情况的观察。
3、实验结果
在没有NaCl处理的情况下,转基因油菜和非转基因油菜的生长状况没有明显的差异;
在添加50mmol.L-1NaCl的情况下,非转基因油菜仍然能保持生长,但生长的速率比转基因油菜要缓慢一些,表明低盐条件下,野生型植株生长已明显受到抑制;
当NaCl的浓度增加到100和150mmol.L-1时,非转基因的油菜叶片最初变黄、接着叶片逐渐萎蔫,20d后全部死亡;
当NaCl浓度为250mmol.L-1时,非转基因的油菜叶片迅速发黄、叶片萎焉,幼叶几乎停止生长,并向叶背面翻卷,大约在10d后死亡;
当NaCl浓度增加到350mmol.L-1,非转基因油菜苗均在1-2d内开始发黄,4-5d后几乎全部死亡,而转基因油菜均能够存活4周以上。从图5可知转基因油菜可在350mmol.L-1浓度的NaCl培养基上正常生长,非转基因油菜在350mmol.L-1浓度的NaCl培养基上干枯死亡。结果证明,该基因对盐的胁迫确有抗性。
而在上述各种NaCl浓度下,转入HIN蛋白基因(DR1372)的油菜均能正常生长。
上述实验结果见表1:
表1 转基因油菜和非转基因油菜对盐胁迫的比较
4、实验结论
上述结果表明,所克隆的HIN蛋白基因(DR1372)的功能与植物对盐的耐受性有关,植株能最大耐受350mmol.L-1浓度的NaCl。
Claims (7)
1.Deinococcus radiodurans R1HIN蛋白基因培育耐盐油菜的用途,所述基因的编号和序列号为DR1372,GeneID:1798946。
2.含Deinococcus radiodurans R1HIN蛋白基因的重组质粒培育耐盐油菜的用途,所述基因的编号和序列号为DR1372,GeneID:1798946。
3.权利要求2所述的用途,所述重组质粒是能在大肠杆菌表达的质粒。
4.权利要求2所述的用途,所述重组质粒是能在油菜中表达的质粒。
5.含Deinococcus radiodurans R1HIN蛋白基因的重组质粒转化的宿主细胞培育耐盐油菜的用途,所述基因的编号和序列号为DR1372,GeneID:1798946。
6.权利要求5所述的用途,所述宿主细胞包括原核细胞和真核细胞。
7.含Deinococcus radiodurans R1HIN蛋白基因的重组工程菌株培育耐盐油菜的用途,所述基因的编号和序列号为DR1372,GeneID:1798946。
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