CN102964440A - 一种调控叶片衰老和多重抗逆性的wrky转录因子及其应用 - Google Patents

一种调控叶片衰老和多重抗逆性的wrky转录因子及其应用 Download PDF

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CN102964440A CN2012105651033A CN201210565103A CN102964440A CN 102964440 A CN102964440 A CN 102964440A CN 2012105651033 A CN2012105651033 A CN 2012105651033A CN 201210565103 A CN201210565103 A CN 201210565103A CN 102964440 A CN102964440 A CN 102964440A
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wrky6
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蒯本科
高炯
朱政
梁宁菁
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Fudan University
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Abstract

本发明属于植物基因工程技术领域,具体涉及一种调控叶片衰老和多重抗逆性的WRKY转录因子与应用。本发明所提供的植物WRKY6蛋白,来源于拟南芥、油菜等物种,但不局限于这些物种,包括与拟南芥中AtWRKY6(氨基酸序列如SEQIDNO:2所示)的同源性高于30%的类似蛋白。拟南芥WRKY6蛋白的编码基因,是下列核苷酸序列之一:(1)序列表中的SEQIDNO:1;(2)编码序列表中SEQIDNO:2氨基酸序列的多核苷酸。本发明可为延缓叶片衰老、提高作物产量品质及多重抗逆性方面提供了蛋白资源和方法。

Description

一种调控叶片衰老和多重抗逆性的WRKY转录因子及其应用
技术领域
本发明属于植物基因工程技术领域,具体涉及一种调控叶片衰老和多重抗逆性的WRKY转录因子与应用。
背景技术
植物衰老是植物个体内部一系列程序化的渐行性衰退,最终走向死亡的过程。叶片衰老是植物生长发育的组成部分,构成了植物叶片发育的最后一个阶段,被认为是程序性细胞死亡(PCD)的一种,以依赖叶龄的方式进行,并由诸多环境因素诱导,受生长发育时期复杂的内、外因素的相互作用影响。因此叶片衰老并不是被动的过程,而是一个主动调控的过程。叶片衰老过程中,细胞结构、生理代谢、基因表达方面都经历一系列有序的变化。另外,由于叶片衰老过程中涉及营养物质的转运和再利用,对整个植株来说,叶片衰老是植物健康生长,繁育优良后代的关键(Buchanan-Wollaston V等,Plant Biotechnol J,1(1):3-12,2003;Lim PO和Nam HG等,Curr Top Dev Biol, 67:49-83,2005)。
植物激素对植物发育和响应环境具有极其重要的作用。在众多植物激素中,细胞分裂素(CK)对植物叶片衰老的延缓以及乙烯(ET)对叶片衰老的促进作用是十分明确的,而且在不同物种中都得到了相对一致的结果。其它相关激素,如脱落酸(ABA),赤霉素(GA),茉莉酸甲酯(MeJA)和水杨酸(SA)等都对叶片的衰老起到不同程度的促进作用,但是对于它们的作用机理,特别是他们复杂的网络调控系统,仍知之甚少。
茉莉酸(JA)和水杨酸(SA)主要是参与植物防御反应的激素,但是其在叶片衰老过程中也有一定的作用。对离体叶片外施JA可以加速其衰老进程,但是在影响JA合成的突变体coi1中并没有观察到叶片衰老延缓的现象,其中12%的叶片衰老相关基因并没有发生变化(Xie DX等,Science,280:1091-1094,1998;Buchanan-Wollaston V等,Plant Journal,42:567-585,2005)。在叶片衰老过程中,植物体内的SA含量急剧的上升,但在未衰老叶片中并不存在这样的现象。此后,Morris等通过对NahG转基因材料,及相关突变体pad4npr1的分析,发现这些突变体中衰老标志基因SAGs表达有所改变(Morris K等,Plant Journal,23:677-685,2000)。SA对衰老的作用可能是影响了叶片衰老进程中从衰老向细胞死亡变化的进程。
    WRKY转录因子因其N端含有由WRKYGQK组成的高度保守的氨基酸序列而得名。在拟南芥中已发现了74个WRKY成员,而水稻中则含有105个完整的WRKY成员。研究发现,WRKY结构域及其专一结合的(T)(T)TGAC(C/T)序列(又称W-box)更多地存在于与抗病、损伤、衰老相关基因和水杨酸诱导基因的上游调控区域。已有大量证据表明,WRKY与上述几种生物和非生物逆境激发的应激反应关系密切(Eulgem T等,EMBO J,18:4689-4699,1999;Chen C等,Plant Physiol,129:706-716,2002)。此外,在果实成熟、种子表皮毛发育、蔗糖信号传导及赤霉素信号传导等过程中均发现了WRKY基因的表达(Johnson CS等,Plant Cell,14:1359-1375,2002;Sun C等,Plant Cell,15:2076-2092,2003)。
Dong等研究了72个拟南芥的WRKY转录因子在植物抗病方面的作用,发现其中的49个受到病原菌Pseudomonas syringae pv tomatoPst)和SA的诱导而产生表达变化,进而调节相关基因的表达来参与拟南芥的抗病过程。作为调控系统获得性抗性SAR的关键基因NPR1(Cao WH等,Plant Physiol,143:707-719,2007)和PR1等,其启动子中都含有W-box (Rushton PJ等,Plant Mol Biol, 29:691-702,1995)。通常NPR1在植物中的表达水平很低,但用病原体感染或外施SA后,其表达量增加2-3倍(Cao WH等,Plant Physiol,143:707-719,2007),同时抗多种病原体的能力显著增加。DNA序列分析表明,NPR1启动子中28个核苷酸的序列内含有3个W-box。这些W-box是WRKY蛋白结合所必需的,如果其中的某个核苷酸被替换,WRKY蛋白就不再与之结合,其SA诱导的表达即完全消除,此时,植物对病原体的反应变得非常敏感。另有研究发现,WRKY18WRKY59WRKY70等8个基因是NPR1的直接目标,参与了植物的SAR过程,显示了WRKY参与SAR的机理的复杂性(Wang D等,Science,308:1036-1040,2005;Wang D等,Plos Pathogens,2:1042-1050,2006)。PR1基因启动子驱动的GUS基因表达分析及Northern印迹分析都表明,其受到WRKY6的激活,且在防卫反应诱导条件下这种激活更快、更强(Robatzek S等,Genes Dev,16:1139-1149,2002)。WRKY在信号交叉和对话中也有重要作用。Li等发现,在拟南芥中,AtWRKY70受SA的诱导,而JA和乙烯则没有诱导作用;相反,用JA处理叶片后,AtWRKY70不表达而AtCOR1则被大量诱导;同样,在NahG转基因植株中,SA的合成及其对WRKY的诱导作用消失;在过表达AtWRKY70的植株中,与SAR相关的基因PR-2PR-5高水平表达,植株的抗病性提高,而JA诱导的AtCOR1基因则被抑制,但体内SA、JA 和乙烯的含量却没有明显的变化(Li J等,Plant Cell,16:319-331,2004; Abuqamar S等,Plant Journal,48:28-44,2006)。在拟南芥中,除AtWRKY70外,AtWRKY25和AtWRKY33可能也是平衡植物SA、JA防卫信号途径的一个重要决定因子(Li J等,Plant Cell,16:319-331,2004;Zheng XL等,Plant Cell Reports,26:1195-1203,2007)。此外在叶片衰老方面,参与植物抗病的WRKY因子的部分成员也参与了这个生理过程,说明WRKY家族的功能具有多元化的特征。Murray等(Murray SL等,MPMI,20:1431-1438,2007)研究表明,AtWRKY53是一个抗病性相关的重要调控因子,其功能缺失突变体更易受到Pst的感染,反而对青枯菌表现出较强的耐受力(Hu J等,PloS ONE,3:e2589,2008),但是也有证据表明AtWRKY53是一个叶片衰老早期阶段表达的转录因子(Hinderhofer K等,Planta,213:469-473,2001;Miao Y等,Plant Mol Biol,55:853-867,2004)。
目前对AtWRKY6的研究较少,主要停留在现象观测阶段;对于WRKY家族调控植物叶片衰老和多重抗逆性的研究也为数不多,特别是对其调控的遗传和分子机制还几乎一无所知。借助拟南芥模式体系,挖掘WRKY家族中调控植物叶片衰老和多重抗逆性的重要基因资源,对于作物的遗传改良上具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够调控叶片衰老和多重抗逆性的WRKY转录因子与应用。
本发明提供的能够调控叶片衰老和多重抗逆性的WRKY转录因子,记为WRKY6蛋白,来源于拟南芥、油菜等物种(图2),但不局限于这些物种,包括与拟南芥(Arabidopsis thaliana)中AtWRKY6(NCBI基因登录号为AT1G62300,氨基酸序列如SEQ ID NO: 2所示)的同源性高于30%的类似蛋白。
本发明所提供的拟南芥转录因子WRKY6蛋白,是SEQ ID NO: 2所示 氨基酸残基序列的蛋白质,或者是将SEQ ID NO: 2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代、缺失或添加,且具有与SEQ ID NO: 2的氨基酸残基序列相同活性的蛋白质。
拟南芥转录因子WRKY6的编码基因,是下列核苷酸之一:
(1)SEQ ID NO: 1 所示的DNA序列;
(2)编码SEQ ID NO: 2所示氨基酸序列的多核苷酸。
SEQ ID NO: 1所示的DNA序列由1990个碱基组成,该基因的读码框为自5’端第125位至1786位碱基;SEQ ID NO: 2所示氨基酸序列由553个氨基酸残基组成。
本发明还包括所述植物转录因子WRKY6蛋白的编码基因的表达载体。
本发明还包括含有所述植物转录因子WRKY6表达载体的细胞系。
本发明还包括所述植物转录因子WRKY6蛋白的应用,包括将含有所述的WRKY蛋白的编码基因的表达载体转入水稻、小麦、棉花或玉米等作物,以过表达该蛋白从而促进发育并增强多重抗逆性。还包括通过抑制WRKY6编码基因的表达以延缓衰老增加产量潜力,或增强其表达以提高作物的多重抗逆性。
转有本发明蛋白的编码基因的表达载体和细胞系均属于本发明的保护范围。本发明的蛋白在延缓叶片衰老、提高作物产量及多重抗逆性方面有重要作用。
附图说明
图1为AtWRKY6和其它拟南芥WRKY家族转录因子系统发生树。
图2为植物WRKY6的系统进化树。
图3为长日照生长30天野生型拟南芥、AtWRKY6突变体材料和水杨酸合成关键酶基因ICS1的突变体sid2-2在SA处理后的表型。
具体实施方式
实施例1、拟南芥转录因子AtWRKY6插入突变体材料的获得。
1.1 拟南芥材料准备
取在16h L/8h D光照, 23℃条件下培养30天拟南芥Col-0的叶片。
1.2 RNA提取
取拟南芥材料约0.1g。液氮充分研磨后,转移到1.5ml离心管,加1ml TRIzol ( invitrogen公司 ),混匀后,室温放置15分钟,加0.2ml氯仿:异戊醇(24:1),剧烈摇动15秒后室温放置5分钟,13000rpm, 4℃离心15分钟。取上清液并加入等体积异丙醇,小心混匀,室温放置15分钟,13000rpm,4℃离心15分钟。70%乙醇洗涤沉淀,室温干燥15分钟。溶解于适量的经0.1% DEPC处理过的ddH2O水中,贮存于-80℃备用。
1.3 cDNA第一链合成和反转录PCR。
采用上海申能博彩生物技术公司(SHBC)的cDNA第一链合成试剂盒,按照操作指南将总RNA反转录成cDNA。反应体系和反应条件分别为:2μg制备的总RNA,0.5μl Rnase inhibitor,加DEPC处理过的去离子水至8.5μl,2μl的Oligo(dT)18 primer. 65℃,5min,室温放置10min, 13000rpm 简短离心5s。 再依次加入4μl 5×First-Strand buffer,0.5μl RNase Inhibitor,2μl 100mM DTT, 2μl dNTP,1μl MMLV Reverse Transcriptase。小心混匀;37℃反转录1小时,90℃5分钟;冰上冷却;13000rpm 短暂离心5秒钟,存放于-20℃待用。
1.4 AtWRKY6插入突变体材料的鉴定
根据TAIR(http://www.arabidopsis.org/)上提供的AtWRKY6全长CDS序列及插入位点,设计了三条引物AtWRKY6-LB(5' TGGTTCACGTAGTGGGCCATCG 3')、AtWRKY6-LP:(5' GAACGTATTAGCCAATCACGC 3')和AtWRKY6-RP:(5' TGTGGACGTGTCATAATTTGG 3')作为PCR反应的引物。PCR 反应体系为50μl,反应条件为:94℃预变性5min,94℃变性40s,55℃复性40s,72℃延伸70s,循环35次,72℃充分延伸5min。将所得的PCR产物经1%琼脂糖凝胶电泳分离鉴定,得到纯合突变体材料。
实施例2:拟南芥转录因子AtWRKY6功能分析。
2.1序列比较分析
用Genedoc软件分析了AtWRKY6与其他拟南芥WRKY家族蛋白的同源性。分析结果表明AtWRKY6具有典型保守的WRKY domain(图1)。使用MEGA软件建立了AtWRKY6同其它拟南芥WRKY家族蛋白的系统发生树,结果表明AtWRKY6属于WRKY-IIa亚家族,与AtWRKY31、AtWRKY42和AtWRKY47亲缘关系最近。在水稻、玉米、油菜、大豆等植物中也存在与AtWRKY6同源性较高的蛋白。图2展示植物中WRKY6蛋白的系统进化关系。
2.2.突变体叶片衰老指标分析
2.2.1 拟南芥基质培养: 
基质组分:蛭石:黑土:珍珠岩 9 : 3 : 0.5 
营养液组分:
Figure 2012105651033100002DEST_PATH_IMAGE001
 基质浸透营养液后,将种子播于钵子中,用保鲜膜覆盖,置于4℃黑暗条件下,2天后转入(16h L/8h D)光照,23℃条件下进行培养。拟南芥生长30天进行试验。
突变体atwrky6在水杨酸处理后未表现出明显的叶片早衰表型,与水杨酸合成关键酶基因ICS1突变体sid2-2的表型类似,显著区别于野生型材料(图3)。这表明WRKY6调控叶片衰老进程依赖SA信号途径。
实施例3:转录因子WRKY6的应用
本发明的WRKY6基因可用现有的方法构建到现有的植物表达载体中,可在其转录起始核苷酸前加上包括组成型启动子、增强启动子、诱导型启动子、组织特异性启动子、发育阶段特异性启动子在内的任何一种启动子。为了便于转WRKY6基因植物细胞或植物进行鉴定及筛选,可对所使用的载体进行加工,如加入植物可选择性标记(BAR基因、GUS基因、荧光素酶基因等)或具有抗性的抗生素标记物(卡那霉素、链霉素、潮霉素等)。被转化的植物宿主既可以是单子叶植物,也可以是双子叶植物,如水稻、玉米、大豆、杨树、草坪草等。携带有本发明的WRKY6基因的表达载体可通过使用Ti质粒、Ri质粒、植物病毒载体、显微注射、电导、农杆菌介导等常规生物学方法转化植物细胞或组织,并将转化的植物经组织培养育成植株,以获得作物叶片衰老性状得到相应调控、作物产量和品质性状得到改良的植株。
                         SEQUENCE LISTING
<110>  复旦大学
<120>  一种调控叶片衰老和多重抗逆性的WRKY转录因子及其应用
<130>  001
<160>  2    
<170>  PatentIn version 3.3
 
<210>  1
<211>  1990
<212>  DNA
<213>  拟南芥(Arabidopsis thaliana)
<400>  1
acagactctt tcttaatctc tctctctttc aaccaaaccc ctaaacaaaa aaaaaataca     60
ttttctgatc tctctaaaaa tctttctcct tcgttaatct cgtgatctct ttctttttct    120
atatatggac agaggatggt ctggtctcac tcttgattca tcttctcttg atcttttaaa    180
ccctaatcgt atttctcata agaatcaccg acgtttctca aatcctttgg cgatgtctag    240
aattgacgaa gaagatgatc agaagacgag aatatcaacc aacggtagtg aatttaggtt    300
tccggtgagt ctctcaggta ttcgtgatcg tgaagatgaa gatttttcat ctggcgttgc    360
tggagataat gaccgtgaag ttcccggcga agtggatttc ttctccgaca agaaatctag    420
ggtttgtcgt gaagacgacg aaggatttcg tgtgaagaag gaagaacaag atgatcgaac    480
ggacgtaaat accggtttga atcttcgaac aactggtaat acaaagagtg atgagtcaat    540
gatcgatgat ggagaatctt ccgaaatgga agataagcgt gcgaaaaatg agttggtgaa    600
attacaagat gagttgaaga aaatgacaat ggataatcaa aagcttagag aattgcttac    660
acaagttagc aacagttaca cttcacttca gatgcatctt gtttcactaa tgcagcaaca    720
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gaattctact accccgacga catttgatca aaccgctgaa gctacgatga ggaaagcccg   1020
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ggccacgggc tgtcccgttc gcaaacaagt tcaacgttgc gcggaagaca gatcaattct   1200
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atactcaagt tcatattcgt aaacactata aatagttacg taacttaatt agcattgcct   1980
ttaaagcttt                                                          1990
 
<210>  2
<211>  553
<212>  PRT
<213>   拟南芥(Arabidopsis thaliana)
<400>  2
Met Asp Arg Gly Trp Ser Gly Leu Thr Leu Asp Ser Ser Ser Leu Asp
1               5                   10                  15     
Leu Leu Asn Pro Asn Arg Ile Ser His Lys Asn His Arg Arg Phe Ser
            20                  25                  30         
Asn Pro Leu Ala Met Ser Arg Ile Asp Glu Glu Asp Asp Gln Lys Thr
        35                  40                  45             
Arg Ile Ser Thr Asn Gly Ser Glu Phe Arg Phe Pro Val Ser Leu Ser
    50                  55                  60                 
Gly Ile Arg Asp Arg Glu Asp Glu Asp Phe Ser Ser Gly Val Ala Gly
65                  70                  75                  80 
Asp Asn Asp Arg Glu Val Pro Gly Glu Val Asp Phe Phe Ser Asp Lys
                85                  90                  95     
Lys Ser Arg Val Cys Arg Glu Asp Asp Glu Gly Phe Arg Val Lys Lys
            100                 105                 110        
Glu Glu Gln Asp Asp Arg Thr Asp Val Asn Thr Gly Leu Asn Leu Arg
        115                 120                 125            
Thr Thr Gly Asn Thr Lys Ser Asp Glu Ser Met Ile Asp Asp Gly Glu
    130                 135                 140                
Ser Ser Glu Met Glu Asp Lys Arg Ala Lys Asn Glu Leu Val Lys Leu
145                 150                 155                 160
Gln Asp Glu Leu Lys Lys Met Thr Met Asp Asn Gln Lys Leu Arg Glu
                165                 170                 175    
Leu Leu Thr Gln Val Ser Asn Ser Tyr Thr Ser Leu Gln Met His Leu
            180                 185                 190        
Val Ser Leu Met Gln Gln Gln Gln Gln Gln Asn Asn Lys Val Ile Glu
        195                 200                 205            
Ala Ala Glu Lys Pro Glu Glu Thr Ile Val Pro Arg Gln Phe Ile Asp
    210                 215                 220                
Leu Gly Pro Thr Arg Ala Val Gly Glu Ala Glu Asp Val Ser Asn Ser
225                 230                 235                 240
Ser Ser Glu Asp Arg Thr Arg Ser Gly Gly Ser Ser Ala Ala Glu Arg
                245                 250                 255    
Arg Ser Asn Gly Lys Arg Leu Gly Arg Glu Glu Ser Pro Glu Thr Glu
            260                 265                 270        
Ser Asn Lys Ile Gln Lys Val Asn Ser Thr Thr Pro Thr Thr Phe Asp
        275                 280                 285            
Gln Thr Ala Glu Ala Thr Met Arg Lys Ala Arg Val Ser Val Arg Ala
    290                 295                 300                
Arg Ser Glu Ala Pro Met Ile Ser Asp Gly Cys Gln Trp Arg Lys Tyr
305                 310                 315                 320
Gly Gln Lys Met Ala Lys Gly Asn Pro Cys Pro Arg Ala Tyr Tyr Arg
                325                 330                 335    
Cys Thr Met Ala Thr Gly Cys Pro Val Arg Lys Gln Val Gln Arg Cys
            340                 345                 350        
Ala Glu Asp Arg Ser Ile Leu Ile Thr Thr Tyr Glu Gly Asn His Asn
        355                 360                 365            
His Pro Leu Pro Pro Ala Ala Val Ala Met Ala Ser Thr Thr Thr Ala
    370                 375                 380                
Ala Ala Asn Met Leu Leu Ser Gly Ser Met Ser Ser His Asp Gly Met
385                 390                 395                 400
Met Asn Pro Thr Asn Leu Leu Ala Arg Ala Val Leu Pro Cys Ser Thr
                405                 410                 415    
Ser Met Ala Thr Ile Ser Ala Ser Ala Pro Phe Pro Thr Val Thr Leu
            420                 425                 430        
Asp Leu Thr His Ser Pro Pro Pro Pro Asn Gly Ser Asn Pro Ser Ser
        435                 440                 445            
Ser Ala Ala Thr Asn Asn Asn His Asn Ser Leu Met Gln Arg Pro Gln
    450                 455                 460                
Gln Gln Gln Gln Gln Met Thr Asn Leu Pro Pro Gly Met Leu Pro His
465                 470                 475                 480
Val Ile Gly Gln Ala Leu Tyr Asn Gln Ser Lys Phe Ser Gly Leu Gln
                485                 490                 495    
Phe Ser Gly Gly Ser Pro Ser Thr Ala Ala Phe Ser Gln Ser His Ala
            500                 505                 510        
Val Ala Asp Thr Ile Thr Ala Leu Thr Ala Asp Pro Asn Phe Thr Ala
        515                 520                 525            
Ala Leu Ala Ala Val Ile Ser Ser Met Ile Asn Gly Thr Asn His His
    530                 535                 540                
Asp Gly Glu Gly Asn Asn Lys Asn Gln
545                 550            
 
 

Claims (7)

1. 一种植物转录因子WRKY6蛋白,来源于拟南芥、油菜物种,包括与拟南芥中AtWRKY6的同源性高于30%的类似蛋白;是SEQ ID NO: 2所示氨基酸残基序列的蛋白质,或者是将SEQ ID NO: 2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代、缺失或添加,且具有与SEQ ID NO: 2的氨基酸残基序列相同活性的蛋白质。
2. 一种拟南芥转录因子AtWRKY6编码基因,其特征在于,是下列核苷酸之一:
(1)SEQ ID NO: 1 所示的DNA序列;
(2)编码SEQ ID NO: 2所示氨基酸序列的多核苷酸。
3. 根据权利要求2所述的拟南芥转录因子AtWRKY6的编码基因,其特征在于:该基因的编码框为自5’端第125位到第1786位的DNA序列。
4. 含有权利要求1所述植物转录因子WRKY6蛋白的编码基因的表达载体。
5. 含有权利要求4所述植物转录因子WRKY6表达载体的细胞系。
6. 权利要求1所述植物转录因子WRKY6蛋白的应用,其特征在于,将含有权利要求1的WRKY6蛋白的编码基因的表达载体转入水稻、小麦、棉花或玉米作物,以过表达该蛋白从而促进发育并增强多重抗逆性。
7. 根据权利要求6所述植物转录因子WRKY6蛋白的应用,其特征在于,通过抑制WRKY6编码基因的表达以延缓叶片衰老增加产量潜力,或增强其表达以提高作物的多重抗逆性。
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