CN103509766B - 植物耐逆性相关蛋白TaPK及其编码基因和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物耐逆性相关蛋白TaPK及其编码基因和应用。本发明提供的蛋白质，是如下（a）或（b）：（a）由序列表中序列1所示的氨基酸序列组成的蛋白质；（b）将序列1的氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加且与植物耐逆性相关的由序列1衍生的蛋白质。本发明发现的基因TaPK在低温、高盐和高温的诱导下表达，且将TaPK基因导入拟南芥中得到的转基因拟南芥，其对以上三种逆境的抗性高于野生型拟南芥，本发明提供的蛋白和基因为人为控制抗逆和耐逆相关基因的表达提供了基础，将在培育抗逆性和耐逆性增强的植物中发挥重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其涉及一种植物耐逆性相关蛋白TaPK及其编码基因和应用。
背景技术
干旱、高盐及低温等逆境胁迫是影响小麦生长、发育的障碍因子。因此，了解小麦对逆境条件的应答与信号传导机制，提高小麦品种的抗逆性，成为小麦遗传研究及小麦品种改良的重要任务之一。
在逆境胁迫下植物体内会产生一系列应答反应，伴随着许多生理生化及发育上的变化。明确植物对逆境的反应机制，将为抗逆基因工程研究和应用提供科学论据。目前，植物抗逆性研究已逐渐深入到细胞、分子水平，并与遗传学和遗传工程研究相结合，探索用生物技术来改进植物生长特性，其目的是提高植物对逆境的适应能力。
在干旱、高盐和低温等环境胁迫的逆境条件下，植物能够在分子、细胞和整体水平上做出相应的调整，以最大程度上减少环境所造成的伤害并得以生存。许多基因受胁迫诱导表达，这些基因的产物不仅能够直接参与植物的胁迫应答，而且能够调节其它相关基因的表达或参与信号传导途径，从而使植物避免或减少伤害，增强对胁迫环境的抗性。与胁迫相关的基因产物可以分为两大类：第一类基因编码的产物包括离子通道蛋白、水通道蛋白、渗透调节因子（蔗糖、脯氨酸和甜菜碱等）合成酶等直接参与植物胁迫应答的基因产物；第二类基因编码的产物包括参与胁迫相关的信号传递和基因表达调节的蛋白因子，如蛋白激酶、转录因子等。其中，蛋白激酶在植物胁迫信号的感知、传递的调控中起着重要作用。
到目前为止，已发现的蛋白激酶约有300种左右，分子内都存在一个同源的由约270氨基酸残基构成的催化结构区。在细胞信号传导、细胞周期调控等系统中，蛋白激酶形成了纵横交错的网络。这类酶催化从ATP转移出磷酸并共价结合到特定蛋白质分子中某些丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基的羟基上，从而改变蛋白质、酶的构象和活性。
目前，在植物中已知的与胁迫相关的蛋白激酶主要有:丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶如MAPK（mitogen-activated protein kinase），CDPK（calcium-dependent protein kinase）；酪氨酸蛋白激酶如Src家族、Tec家族、ZAP70、家族、JAK家族；还有一种丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸双特异性蛋白激酶，如DYRK相关的蛋白激酶，CDC25等。这三类蛋白激酶均有文献报道参与植物相应外界环境胁迫的信号传导过程，提高植物对外界逆境的适应能力。
根据蛋白激酶的磷酸化氨基酸残基的种类，蛋白激酶可以分为Ser/Thr蛋白激酶，Tyr蛋白激酶以及双特异性Ser/Thr/Tyr蛋白激酶。Ser/Thr蛋白激酶主要包括MAPK，CDPK，JNK等。这种类型的蛋白激酶目前研究的较多，并且在信号传导途径中起重要作用。而酪氨酸蛋白激酶分为两类，一类是非受体型酪氨酸蛋白激酶，以src基因产物为代表，此外还有Yes、Fyn、Lck、Fgr、Lyn、Fps/Fes及Ab1等；另一类是受体型酪氨酸蛋白激酶，根据它们的结构不同，受体型酪氨酸激酶可以分为9种类型。在动物细胞中，酪氨酸蛋白激酶往往参与程序性细胞死亡、癌变等重要细胞行为。植物中酪氨酸蛋白激酶研究较晚。Maya Mayrose等人的工作表明，西红柿中的双特异性激酶LeMPK3能够提高植物对病原体的抵抗。文献提出，在受到病原体的侵害后，LeMPK3激酶的活性首先提高，然后LeMPK3的mRNA的表达量也短暂的提高。2002年，Parvathi Rudrabhatla等人从花生cDNA文库中得到一个双特异性蛋白激酶，具有丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸蛋白激酶活性。并且发现，该激酶的mRNA表达水平以及激酶活性受到低温和高盐胁迫的诱导。但是其蛋白表达水平却没有明显的变化。在250mM浓度的NaCl处理24h下，STY的mRNA表达水平提高了20倍，在4℃条件下处理24h，其mRNA表达水平提高了50倍左右。在100mMABA处理下，STY表达量没有变化。
目前，在许多植物中都发现蛋白激酶参与抗病，抗逆境等信号传递过程（ParvathiRudrabhatla，2002；Lizhong Xiong，2003）。Parvathi Rudrabhatla等认为，花生中的一种STY激酶参与了花生对非生物胁迫的起始相应，证明了一种非MAPK途径的蛋白激酶级联信号传递过程在非生物胁迫中起重要作用。Lizhong Xiong等人认为，水稻蛋白激酶OsMAPK5能够提高水稻对低温，干旱，高盐以及病害等的抗性。而Jen Sheen认为，钙离子依赖的蛋白激酶CDPK（CDPK1 and CDPK1a）能够激活与植物抗逆境相关基因的启动子，参与植物逆境信号传导过程。Riichiro Yoshida等报道，在拟南芥中ABA诱导的蛋白激酶SnRK2在植物响应脱水胁迫的信号传导过程中起到重要的作用。由于植物的逆境耐性是由多基因调控的复杂性状，依靠导入单个功能性蛋白基因很难实现植物抗逆性的综合提高。因此，利用一个关键性转录因子促进多个功能基因的表达，从而增强植物的抗逆性，已经成为植物抗逆基因工程的研究热点。
综合目前的研究结果，蛋白激酶在植物响应逆境胁迫的信号传导途径中占有重要的地位。蛋白激酶通过自身的磷酸化提高或者降低自身的激酶活性，通过磷酸化底物提高或者降低底物蛋白的酶活性，然后底物蛋白又调控下游基因的酶活，形成一个级联调控途径。如RAS信号调控途径，在细胞受体酪氨酸蛋白激酶感受到配体的信号后，形成二聚体并发生自身磷酸化，激活RAS，然后由活化的RAS激活引起蛋白激酶的级联反应。这种级联调控是一种很精密很复杂的调控网络，蛋白激酶可能在上游作为一种开关在行使其功能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种植物耐逆性相关蛋白TaPK及其编码基因。
本发明提供的一种蛋白，来源于小麦属小麦（Triticum aestivum L.），是如下（a）或（b）：
（a）由序列表中序列1所示的氨基酸序列组成的蛋白质；
（b）将序列1的氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加且与植物耐逆性相关的由序列1衍生氨基酸序列组成的蛋白质。
上述蛋白中，一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加为不超过10个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加。
上述序列表中序列1的氨基酸残基序列由601个氨基酸残基组成。
编码上述蛋白的基因也是本发明保护的范围。
上述基因为如下1）-3）中任一一种的DNA分子：
1）序列表中序列2所示的DNA分子；
2）在严格条件下与1）限定的DNA序列杂交且编码与植物耐逆性相关蛋白的DNA分子；
3）与1）限定的DNA序列具有90%以上同源性，且编码与植物耐逆性相关蛋白的DNA分子。
上述严格条件为在6×SSC，0.5%SDS的溶液中，在65°C下杂交,然后用2×SSC,0.1%SDS和1×SSC,0.1%SDS各洗膜一次。
上述序列2由1806个核苷酸组成，开放阅读框架为自5′端第1至1806位。
含有上述基因的重组表达载体、表达盒、转基因细胞系或重组菌也是本发明保护的范围。
上述重组表达载体为将上述基因插入pBI121中得到的重组载体，具体为将序列表的序列2自5'端第1-1806位核苷酸所示的DNA片段插入pBI121的SmaI和SpeI酶切识别位点之间得到的重组质粒。
扩增上述基因的全长或其任意片段的引物对也是本发明保护的范围，上述引物对由序列表中序列3所示的DNA分子和序列表中序列4所示的DNA分子组成。
上述的蛋白或上述基因或上述的重组表达载体在调控植物耐逆性中的应用也是本发明保护的范围。
上述应用中，所述调控植物耐逆性具体为提高植物耐逆性；所述耐逆具体为耐盐、耐高温和/或耐低温。
本发明的另一个目的是提供一种培育转基因植物的方法。
本发明提供的方法，是将上述基因导入目的植物中，得到转基因植物；所述转基因植物耐逆性高于所述目的植物。
上述基因通过上述重组表达载体导入所述目的植物中。
上述方法中，所述耐逆为耐盐、耐高温和/或耐低温。
上述方法中，所述高温为42度，所述低温为3度；
所述目的植物为双子叶植物或单子叶植物，所述双子叶植物具体为拟南芥。
本发明的实验证明，本发明发现的基因TaPK在低温、高盐和高温的诱导下表达，且将TaPK基因导入拟南芥中得到的转基因拟南芥，其对以上三种逆境的抗性高于野生型拟南芥，本发明提供的蛋白和基因为人为控制抗逆和耐逆相关基因的表达提供了基础，将在培育抗逆性和耐逆性增强的植物中发挥重要的作用。
附图说明
图1为转基因拟南芥高温胁迫处理萌发实验及后期生长的结果
图2为转基因拟南芥低温胁迫处理萌发实验及后期生长的结果
图3为转基因拟南芥盐胁迫处理萌发实验及后期生长的结果
图4为转基因拟南芥高温胁迫处理存活率结果
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。
下述实施例中的%，如无特殊说明，均为质量百分含量。
实施例1、TaPK的克隆
一、TaPK的克隆
将水培生长10天左右的普通小麦（Triticum aestivum L.）品种小白麦(Triticumaestivum cv.Xiaobaimai，公众可从中国农业科学院作物科学研究所获得，公众也可从国家种质资源库获得（编号为ZM242）；提及小白麦的文献为：孙海桃等，小麦TaDREB6转录因子互作蛋白的筛选，中国农业科学，2011,44（22）：4740-4747.；提及小白麦的文献为：Isolation and molecular characterization of the Triticum aestivum L.ethylene-responsive factor 1(TaERF 1)that increases multiple stress tolerance,Plant MolBiol(2007)65:719-732,Zhao Shi Xu,Lan Qin Xia,Ming Chen,Xian Guo Cheng,Rui YueZhang,Lian Cheng Li,Yun Xing Zhao,Yan Lu,Zhi Yong Ni,Li Liu,Zhi Gang Qiu,You ZhiMa）三叶期幼苗NaCl处理2小时，用液氮速冻，-80℃保存备用。
采用Trizol法（TianGen）提取小白麦叶片总RNA，第一链cDNA合成用反转录酶XL（AMV）。采用SMART法合成ds cDNA，PCR产物进行1.0%琼脂糖凝胶电泳检测。
通过5’RACE和3’RACE的方法获得序列表中的序列2。
该序列表中序列2所示的基因命名为TaPK基因，其开放阅读框架为自序列表的序列2的5′端第1-1806位核苷酸，将该基因编码的蛋白命名为TaPK蛋白，该蛋白的氨基酸序列为序列表中的序列1，由601个氨基酸残基组成。
上述序列2也可以通过人工合成。
实施例2、TaPK对植物耐逆性的影响
一、重组表达载体的构建
1、TaPK基因的克隆
根据TaPK基因的序列设计引物对（TaPK-121F和TaPK-121R），引物末端分别引入SmaI和SpeI酶切识别位点，
TaPK-121F：5'-TTACCCGGGATGGACGAGGACGAGTACTCT-3'（序列3）；
TaPK-121R：5'-AGAACTAGTCGATCACAGCAGCTTCGG-3（序列4）。
提取小白麦叶片总RNA，反转录得到cDNA为模板，用上述引物进行扩增，得到的PCR产物进行1.2％琼脂糖凝胶电泳，其大小为1.8Kb。将该PCR产物送去测序，该PCR产物具有序列表中序列2，即为TaPK基因。
采用Agarose Gel DNA Purification Kit Ver.2.0(TaKaRa公司,Code No.:DV807A)回收纯化1.8Kb大小的PCR产物。
2、重组表达载体的构建
①用限制性内切酶SmaI和SpeI（Promega，R6121，R6591）酶切步骤1回收纯化的PCR产物，回收酶切产物；
②用限制性内切酶SmaI和SpeI酶切植物真核表达载体pBI121（购自Clontech公司），回收载体骨架；
③将步骤①的酶切产物和步骤②的载体骨架连接，得到连接产物；
④将步骤③的连接产物电击转化TOP10菌株（Tiangen，CB104-03），37℃过夜培养，挑取阳性克隆提取质粒进行测序。
测序结果表明，该质粒为将序列表中的序列2所示的DNA片段插入pBI121载体的SmaI和SpeI酶切位点间得到的载体，将该质粒命名为pBI121-TaPK。
二、转基因植物的获得
1、用上述重组质粒pBI121-TaPK转化农杆菌C58（购自北京拜尔迪生物技术公司），得到重组农杆菌。
提取重组农杆菌的质粒送去测序，结果该质粒为pBI121-TaPK，证明该重组菌为阳性重组农杆菌，将其命名为C58/pBI121-TaPK。
2、将重组农杆菌C58/pBI121-TaPK接种于YEP液体培养基中，28℃、3000rpm培养约30小时；
3、将步骤2的菌液转至YEP液体培养基（含50μg/ml利福平）中，28℃、300rpm培养约14小时（菌液OD600达到1.5-3.0）；
4、收集菌体,4℃、4000g离心10min，用10%蔗糖（含0.02%silwet）稀释至OD600约为1.0；
5、将拟南芥哥伦比亚生态型Col-0（美国拟南芥信息资源网，以下简称为野生型拟南芥，购自SALK公司）整株与花盆一起倒扣在盛有步骤4的菌液的容器中，使花浸泡50s左右，浸泡完毕后，取出花盆，侧放于托盘中，盖上黑色塑料布，24hr后揭开塑料布，直立放置花盆，进行正常的光照培养，混收T0代转TaPK拟南芥种子。将T0代转TaPK拟南芥种子播种到含有50mg/ml卡那霉素的MS培养基上后得到7株T1代转TaPK拟南芥幼苗。
采用同样的方法将空载体pBI121转入野生型拟南芥，得到T1代转空载体拟南芥。
分别将T1代转TaPk拟南芥和T1代转空载体拟南芥播种、自交，直到得到T3代转TaPk拟南芥和T3代转空载体拟南芥。
提取T3代转TaPK拟南芥植株的DNA，以TaPK-121F和TaPK-121R为引物进行PCR检测，得到条带为1.8Kb的阳性T3代转TaPk拟南芥植株。
提取T3代转空载体拟南芥的基因组DNA，用TaPK-121F和TaPK-121R为引物进行PCR扩增，没有得到1.8Kb的目的片段，说明T3代转空载体拟南芥构建成功。
三、转基因植物的耐逆性鉴定
A、种子萌发实验
1、高温逆境胁迫种子萌发实验
分别将编号为PK1-1、PK1-2和PK1-3的阳性T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子、T3代转空载体拟南芥种子和野生型拟南芥种子(WT)经42度高温处理0h、1h、2h和4h，再种在普通MS培养基上，然后移植盆栽培养，每个株系30个，实验重复三次，结果取平均值：
在播种后第7天观察普通MS培养基上的萌发结果如图1A所示，可以看出，编号为PK1-1、PK1-2和PK1-3的阳性T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子和野生型拟南芥种子(WT)随着处理时间的加长，萌发率均有所下降，但转基因株系仍表现一定的优势。统计萌发率结果如图1B所示，编号为PK1-1的T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子经42度高温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为78%、70%、68%和65%；
编号为PK1-2的T3代转TaPK拟南芥（TaPK）种子经42度高温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为89%、84%、81%和76%；
编号为PK1-3的T3代转TaPK拟南芥（TaPK）种子经42度高温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为73%、68%、59%和59%；
野生型拟南芥种子(WT)种子经42度高温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为51%、46%、41%和35%；
在播种后第20天观察在花盆中各株系生长情况，结果如图1C所示，可以看出，T3代转TaPk拟南芥（TaPK）在各个时间段均优于野生型拟南芥(WT)。
T3代转空载体拟南芥和野生型拟南芥的结果无显著差异。
从上述结果显示，三个转基因株系在4个不同时间段的处理下萌发率均高于野生型，三个株系的均值在67%以上，而野生型植株在51%以下。且后期的生长转基因植株也优于野生型。
2、低温逆境胁迫种子萌发实验
分别将编号为PK1-1、PK1-2和PK1-3的阳性T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子、T3代转空载体拟南芥种子和野生型拟南芥种子(WT)经3度低温处理0h、1h、2h和4h，再种在普通MS培养基上，然后移植盆栽培养，每个株系30个，实验重复三次，结果取平均值。
在播种后第7天观察普通MS培养基上的萌发结果如图2A所示，可以看出，T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子和野生型拟南芥种子(WT)随着处理时间的加长，萌发率均有所下降，但转基因株系仍表现一定的优势。统计萌发率，结果如图2B所示，编号为PK1-1的T3代转TaPK拟南芥（TaPK）种子经3度低温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为70%、68%、64%和58%；
编号为PK1-2的T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子经3度低温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为89%、81%、81%和76%；
编号为PK1-3的T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子经3度低温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为73%、70%、59%和57%；
野生型拟南芥种子(WT)种子经3度低温处理0h、1h、2h和4h的萌发率分别为53%、49%、46%和37%；
在播种后第20天观察在花盆中各株系生长情况，结果如图2C所示，可以看出，T3代转TaPk拟南芥在各个时间段均优于野生型拟南芥(WT)。
T3代转空载体拟南芥和野生型拟南芥的结果无显著差异。
从上述结果显示，三个转基因株系在4个不同时间段的处理下萌发率均高于野生型，三个株系的均值在64%以上，而野生型植株在53%以下。且后期的生长也优于野生型。
3、高盐逆境胁迫种子萌发实验
分别将编号为PK1-1、PK1-2和PK1-3的阳性T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子、T3代转空载体拟南芥种子和野生型拟南芥种子(WT)播种在分别含有0mM和50mMNaCl的MS培养基中，然后移植盆栽培养，每个株系30个，实验重复三次，结果取平均值。
在播种后第7天观察MS培养基上的萌发结果如图3A所示，可以看出，T3代转TaPK拟南芥（TaPK）种子和野生型拟南芥种子(WT)在0mM和50mMNaCl处理下，萌发率均有下降，但转基因株系仍表现一定的优势。统计萌发率，结果如图3B所示，
编号为PK1-1的T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子在含有0mM和50mMNaCl的MS培养基的萌发率分别为89%和78%；
编号为PK1-2的T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子在含有0mM和50mMNaCl的MS培养基的萌发率分别为70%和59%；
编号为PK1-3的T3代转TaPk拟南芥（TaPK）种子在含有0mM和50mMNaCl的MS培养基的萌发率分别为73%和70%；
野生型拟南芥种子(WT)种子在含有0mM和50mMNaCl的MS培养基的萌发率分别为51%和46%；
在播种后第20天观察在花盆中各株系生长情况，结果如图3C所示，可以看出，T3代转TaPk拟南芥在0mM和50mMNaCl处理下均优于野生型拟南芥(WT)。
T3代转空载体拟南芥和野生型拟南芥的结果无显著差异。
结果显示，三个转基因株系在2个不同盐浓度的处理下萌发率均高于野生型，三个株系的均值在69%以上，而野生型植株在51%以下。且后期的生长也优于野生型。
4、存活率实验
高温逆境胁迫处理表型鉴定：分别将编号为PK1-1的T3代转TaPk拟南芥（PK）种子、T3代转空载体拟南芥种子和野生型拟南芥种子(WT)播种，生长20天后，在42度高温处理6h、12h，然后复水一周，观察生长状态。每个株系10个，实验重复三次，结果取平均值。
结果如图4所示，可以看出，编号为PK1-1的T3代转TaPk拟南芥（PK）在处理前、42度高温处理6h、42度高温处理12h下耐高温性均高于野生型，6h处理后基本无明显变化，12h后与野生型的差异明显，且复水一周后成活率为80%，而野生型的成活率仅为30%。
T3代转空载体拟南芥和野生型拟南芥的结果无显著差异。
Claims (8)
1.一种蛋白，其特征在于：所述蛋白为序列表中序列1所示的氨基酸序列。
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，其特征在于：所述基因为序列表中序列2所示的DNA分子。
4.含有权利要求2或3所述基因的重组表达载体。
5.含有权利要求2或3所述基因的表达盒。
6. 含有权利要求2或3所述基因的转基因细胞系。
7. 含有权利要求2或3所述基因的重组菌。
8. 如权利要求4所述的重组表达载体，其特征在于：所述重组表达载体为将权利要求2或3所述基因插入pBI121中得到的重组表达载体。
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