CN103555748B - 反向调节烟草NtPSY基因功能的载体组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载体组合物,其中至少一个载体含有烟草NtPIF1基因编码,至少另外一个载体含有烟草NtRAP2.2基因编码。本发明的载体组合物能够相互促进来反向调节烟草中PSY基因的表达,在调节烟草类胡萝卜素代谢合成中具有应用前景。
Description
技术领域:
本发明属于分子生物学领域,具体而言,涉及一种反向调节烟草NtPSY基因功能的载体组合物。
背景技术:
类胡萝卜素(Carotenoids)是一类重要的天然色素的总称,普遍存在于动物、高等植物、真菌、藻类中的黄色、橙红色或红色的色素之中。迄今,被发现的天然类胡萝卜素已达600多种,在人体中存在的主要有α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质、β-隐黄素以及番茄红素等,前四种具有维生素A活性(即可以转化为视黄醛)。Lei等研究表明通过不同特色烟叶生态区成熟期烟叶基因表达谱比较分析发现类胡萝卜素合成途径基因在不同生态区的表达具有显著差异,合成的类胡萝卜素物质含量与基因表达趋势吻合,表明这些物质的差异可能对烟叶特色风格形成有一定的影响。
尽管在其他植物中类胡萝卜素合成的主要途径已有大量的研究,但对其在细胞水平如何进行转录调节还不清楚。到目前为止,仅在拟南芥中发现光敏色素互作因子(phytochrome-interactingfactor1,PIF1)能够直接调节类胡萝卜素合成途径基因的表达。在不同的植物中,类胡萝卜素途径中的第一个主要驱动酶均为八氢番茄红素合成酶(phytoenesynthase,PSY),当PSY表达量迅速上调后,植物体内的类胡萝卜素将立刻大量积累。在红光和远红光外下,PSY的表达受光受体的光敏色素基因家族调控。
光敏色素存在两种光逆形式:Pr吸收红光,Pfr吸收远红外光。当吸收红光的Pr在暗处处于失活状态时,Pfr形式将被激活并重新定位到细胞核,并与信号因子互作最终将光信号转换为基因表达调节和生理响应。这些细胞核组分主要是PIF因子的bHLH转录因子亚家族。PIF是光调节响应的主要调节因子,至少有4个成员是暗处抑制光形态发育所必须的(PIF1、PIF3、PIF4和PIF5)。当幼苗处于红光下时,光激活的光敏色素Pfr形式与PIFs直接互作导致其磷酸化或蛋白酶调节的降解,使光形态得以继续发育。在暗处,PIFs的抑制能导致PSY基因表达与活性的上调,从而导致类胡萝卜素合成的增加,表明PIFs可能通过结合PSY基因启动子中的相应元件,实现对植物整个生育期类胡萝卜素合成的调节。另一个AP2类型的转录因子RAP2.2(RELATEDTOAP22)被发现能够绑定启动子顺式调节元件ATCTA-motif。因此对烟草NtPSY基因的分子调控对烟草类胡萝卜素合成途径物质的转录调控具有重要的意义,也对判断烟叶的风格特色有着重要的意义。
经过检索,中国专利数据库中未发现关于烟草中NtPSY基因调控的专利,而现有的技术文献也没有相关的报道。
但在烟草中,NtPSY的调控机制还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于具有协同作用的载体组合物,为了实现本发明的目的,拟采用如下技术方案:
本发明另一方面涉及一种载体混合物,其中一个载体含有NtPIF1基因编码,另外一个载体含有NtRAP2.2基因编码。
在本发明的一个优选实施方式中,所述的NtPIF1和NtRAP2.2的基因编码分别为SEQIDNO.1和SEQIDNO.2所示的序列分别经过BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切之后的片段。
本发明另一方面还涉及上述载体的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
利用表1中的引物(NtPIF1-eFcgGGATCCATGAATCATTCAGTTCCTGATTTTGATATGGATG/NtPIF1-eRcgCTCGAGCAATATGCAACAACTAGACTTTTCGATGGTG和NtRAP2.2-eFcgGGATCCATGTGCGGTGGTGCCATAATCTC/NtRAP2.2-eRacgcGTCGACATAGACACCTCTCATTAGAGAAGAAAGTTC),扩增SEQIDNO.1和SEQIDNO.2所示的NtPIF1和NtRAP2.2基因的编码区序列,扩增产物胶回收后以BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切并再次胶回收;
带His标签的重组蛋白表达载体pET28a和GST标签的pGEX-4T1载体分别以BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切,回收载体骨架;
分别将NtPIF1和NtRAP2.2表达片段连接至pET28a和pGEX-4T1载体,构建成pET-NtPIF1和pGEX-NtRAP2.2载体。
在本发明的另一方面,还涉及上述载体的另外一种制备方法,其特征在于包括如下步骤:
用表1中的引物(NtPIF1-yFcgGAATTCATGAATCATTCAGTTCCTGATTTTGATATGGATG/NtPIF1-yRcgGGATCCCAATATGCAACAACTAGACTTTTCGATGGTG和NtRAP2.2-yFcgGAATTCATGTGCGGTGGTGCCATAATCTC/NtRAP2.2-yRcgGGATCCATAGACACCTCTCATTAGAGAAGAAAGTTC)扩增出SEQIDNO.1和SEQIDNO.2所示的NtPIF1和NtRAP2.2基因编码区,通过EcoRI和BamHI酶切连接到pGBKT7和pGADT7双元表达载体中,构建成激活域载体pGAD-NtPIF1和pGAD-NtRAP2.2,绑定域载体pGBK-NtPIF1和pGBK-NtRAP2.2,获得含有pGAD-NtPIF1与pGBK-NtRAP2.2及pGAD-NtRAP2.2和pGBK-NtPIF1质粒载体组合物。
本发明另一方面还涉及上述载体组合物在反向调节烟草中NtPSY基因的用途。
本发明另一方面还涉及上述载体组合物在调节烟草类胡萝卜素代谢合成中的应用。
本发明的载体组合物能够相互促进来反向调节烟草中NtPSY基因的表达,在调节烟草类胡萝卜素代谢合成中具有应用前景。
具体实施方式
材料
植物材料为烟草栽培品种K326。质粒与菌株:大肠杆菌菌株DH5α和BL21(DE3)、农杆菌菌株GV3101及酵母表达菌株AH109为商购。T-载体pGEM-Teasy购自美国Promega公司。cDNA反转录试剂盒InvitrogenIIIFirst-StrandSynthesisSuperMix、Invitrogen1KbPlusDNALadderDNAmarker、InvitrogenCloningKit购自Invitrogen公司;胶回收试剂盒PormegaWizardSVGelandPCRClean-UpSystem购自Pormega公司;质粒提取试剂盒QIAGENPlasmidMiniKit、RNA提取试剂盒QIAGENRNeasyPlantMiniKit和DNA提取试剂盒QIAGENDNeasyPlantMiniKit购自QIAGEN公司;定量PCR试剂盒Bio-RadiQSYBRGreenSupermix购自Bio-Rad公司;HotStartFlexDNAPolymerase购自NEB公司;其它分子生物学试剂购自SIGMA有限公司。
总DNA和RNA提取及纯化
烟草叶片总DNA和RNA提取采用QIAGEN公司的相应试剂盒以试剂盒提供的标准方法进行提取。核酸浓度和质量采用NanoDrop2000超微量分光光度计检测。RNA样品中基因组DNA的去除,使用QIAGENRNase-FreeDNaseSet中的DNaseI在室温下反应30分钟,甲醛变性胶电泳检测RNA完整性及基因组DNA是否被去除。
重组蛋白表达与纯化
利用表1中的引物(NtPIF1-yFcgGAATTCATGAATCATTCAGTTCCTGATTTTGATATGGATG/NtPIF1-yRcgGGATCCCAATATGCAACAACTAGACTTTTCGATGGTG和NtRAP2.2-yFcgGAATTCATGTGCGGTGGTGCCATAATCTC/NtRAP2.2-yRcgGGATCCATAGACACCTCTCATTAGAGAAGAAAGTTC),扩增NtPIF1和NtRAP2.2基因的编码区序列,扩增产物胶回收后以BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切4h并再次胶回收测定产物浓度。带His标签的重组蛋白表达载体pET28a和GST标签的pGEX-4T1载体分别以BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切4h,回收载体骨架。分别将NtPIF1和NtRAP2.2表达片段连接至pET28a和pGEX-4T1载体,构建成pET-NtPIF1和pGEX-NtRAP2.2载体用于His-NtPIF1和GST-NtRAP2.2蛋白表达。将构建好的蛋白表达载体导入大肠杆菌蛋白表达菌株BL21(DE3)或Rosetta(DE3)中,在含有相应抗性的LB平板上生长并筛选阳性克隆。蛋白诱导步骤参考《pET系统操作手册》(Novagen)。His-NtPIF1纯化采用QIAGEN公司的Ni-NTAAgarose,GST-NtRAP2.2蛋白纯化采用SIGMA公司的Glutathione-agarose,以超声破碎法提取并纯化蛋白。SDS-PAGE电泳、Westernblot参考《分子克隆实验指南》(第三版)。
表1所用引物列表
酵母双杂交
用表1中的引物(NtPIF1-yFcgGAATTCATGAATCATTCAGTTCCTGATTTTGATATGGATG/NtPIF1-yRcgGGATCCCAATATGCAACAACTAGACTTTTCGATGGTG和NtRAP2.2-yFcgGAATTCATGTGCGGTGGTGCCATAATCTC/NtRAP2.2-yRcgGGATCCATAGACACCTCTCATTAGAGAAGAAAGTTC)扩增出NtPIF1和NtRAP2.2基因编码区,通过EcoRI和BamHI酶切连接到pGBKT7和pGADT7双元表达载体中,构建成激活域载体pGAD-NtPIF1和pGAD-NtRAP2.2,绑定域载体pGBK-NtPIF1和pGBK-NtRAP2.2,将与pGAD-NtPIF1与pGBK-NtRAP2.2及pGAD-NtRAP2.2和pGBK-NtPIF1质粒同时共转化酵母菌株AH109,挑选在SD-T/L缺陷型培养基上成功共转化的克隆,划线至SD-H/T/L培养基上进行蛋白互作验证。酵母培养及转化方法和酵母双杂交后期鉴定参考TAKARA公司的YeastProtocolsHandbook和ClontechMatchmakerGAL4Two-HybridSystemUserManual。
GST-pulldown
在大肠杆菌中IPTG诱导表达His-NtPIF1、GST-NtRAP2.2和GST重组蛋白,并以Ni-NTAAgarose和Glutathione-agarose分别纯化His和GST标签的蛋白。SDS-PAGE电泳检测纯化蛋白的纯度和浓度。在1×PBS缓冲液中加入2μgGST(阴性对照)或GST-NtRAP2.2,然后加入2μgHis-NtPIF1,4℃旋转孵育4h,4℃500g离心收集Glutathione-agarose,1×PBS充分漂洗,以SDS-PAGE和Westernblotting检测His-NtPIF1与GST-NtRAP2.2是否能在体外结合。
免疫共沉淀
用表1所列引物(NtPIF1-yFCACCATGAATCATTCAGTTCCTGATTTTGATATGGATG/NtPIF1-yRCAATATGCAACAACTAGACTTTTCGATGGTG和NtRAP2.2-yFCACCATGTGCGGTGGTGCCATAATCTC/NtRAP2.2-yRATAGACACCTCTCATTAGAGAAGAAAGTTC)扩增NtPIF1和NtRAP2.2基因编码区,胶回收纯化后定向连接至pENTRD-TOPO克隆载体,形成Gateway的入门载体pENTR-NtPIF1和pENTR-NtRAP2.2。利用LRClonase将NtPIF1和NtRAP2.2基因重组到pEarlyGate103和pEarlyGate202载体中形成双元表达载体pEG101-NtPIF1-GFP和pEG101-NtRAP2.2-FLAG,并将其转化至农杆菌GV3101中,成为Co-IP的转化载体。以添加相应抗生素的LB繁殖上述菌株,4000g离心收集菌体,并以注射缓冲液(10mMMES,pH5.6;10mMMgCl2和150μM乙酰丁香酮)调节菌液OD600至1,室温放置3h后将菌液两两混合,并注射至约5-6周的烟草幼嫩叶片中。培养2d后,取0.2g转化后的烟草叶片,加入200μLIP缓冲液(20mMTris-Cl,pH7.5,150mMNaCl,1mMEDTA,1mMEGTA,1μg/mLLeupeptin,1μg/mLaprotinin,0.1%TritonX-100)中研磨,取50-100μg总蛋白,加入用TBS(50mMTris-Cl,150mMNaCl,pH7.5)洗涤过的anti-FLAGAgaroseConjugate20μL,在混匀器上4℃孵育4h,加入250μLTBS,4℃,8000g洗涤三次。小心吸去上清,加入2×上样缓冲液40μL,各取10μL同时进行三份SDS-PAGE电泳,分别用于anti-FLAG和anti-GFP的Western杂交。
凝胶阻滞实验
以烟草基因组DNA为模板,用引物扩增出NtPSY-1中含有G-box和ACTAC-motif的启动子片段,连接到pGEM-T载体中。参见地高辛DigoxigeninPCRLablingKit说明书。以pGEM-NtPSY-1载体为模板进行PCR法标记,切胶回收标记探针,用Phusion酶扩增冷竞争探针备用。点突变的实验方法按照Stratagene的LightningSite-DirectedMutagenesisKit操作。冰上配置EMSA实验反应体系(包括负对照、样品反应、冷竞争和突变竞争)后,混合均匀后于常温下反应15-30min,0.5×TBE中电泳60min后转膜至尼龙膜上。将膜紫外交联5min后按照标准步骤进行洗膜,封闭,并以CDP-star进行检测,常温下压片曝光。
基因表达量的定量PCR检测
取2μg去除DNA污染的总RNA,以IIIFirst-StrandSynthesisSuperMix试剂盒说明进行反转录。参照Bio-RadiQSYBRGreenSupermix使用说明配制定量PCR检测体系。以Actin为内标,基因表达量以Ct值表示。数据分析采用传统的相对定量方法2-ΔΔCT。实验重复三次,取各组数据的平均值和方差,绘制图表。
结果与讨论
NtPIF1和NtRAP2.2基因cDNA序列及NtPSY启动子克隆与分析
利用茄科基因组联盟发布的本氏烟草(Nicotianabenthamiana)基因组序列,项目组设计了NtPIF1和NtRAP2.2基因cDNA序列扩增引物及NtPSY基因家族两个成员的启动子克隆引物。经过PCR扩增,胶回收连接至T载体后送公司测序。序列分析结果表明,NtRAP2.2基因cDNA序列长1488bp,其中5’UTR和3’UTR分别长122和178bp,编码区序列(包括终止密码子)长度为1188bp。NtPIF1基因的cDNA序列比NtRAP2.2长,其5’UTR和3’UTR分别为128和169bp,与NtRAP2.2长度相似,但其编码区序列较长,共有1692bp。此外,利用设计的引物成功克隆NtPSY1和NtPSY2的启动子序列,分别长1466和1517bp。利用启动子分析软件预测分析发现,在NtPSY1基因启动子区存在2个NtPIF1结合的G-box元件及2个NtRAP2.2结合的ACTAC-motif,而在NtPSY2基因的启动子中,G-box元件仅有1个,但ACTAC-motif有3个,NtPSY1和NtPSY2基因启动子区域的元件数目差异可能与其功能分化有关,暗示NtPSY2基因更多受NtRAP2.2的调控,而NtPSY1接受来自NtPIF1的调节更多,这为NtPSY1和NtPSY2在烟草中的功能分化提供了重要证据。
NtPIF1和NtRAP2.2重组蛋白表达纯化
利用软件预测分析发现,NtPIF1和NtRAP2.2蛋白分子量分别约为61.27和43.72kD。大肠杆菌中诱导表达重组蛋白,纯化后进行SDS-PAGE电泳发现,pET-NtPIF1和pGEX-NtRAP2.2载体表达的His-NtPIF1和GST-NtRAP2.2蛋白分子量约为65和75kD,由于pET-28a和pGEX-4T1载体上的His和GST标签分子量约为4和29kD,因此,项目组纯化的重组蛋白分子量大小与预测相符,为后续进行GST-pulldown和EMSA等实验奠定了基础。
酵母双杂交验证NtPIF1与NtRAP2.2互作
通过构建酵母双杂交载体,转化至酵母细胞,并以SD-T/L缺陷型培养基筛选出同时转化两种质粒的克隆,在SD-H/T/L三缺培养基上检验NtPIF1与NtRAP2.2是否存在互作。在三缺培养基上,作为阴性对照的AD-NtPIF1和BD空载、AD-NtRAP2.2和BD空载均不能互作产生His,而AD-NtPIF1和BD-NtRAP2.2、AD-NtRAP2.2和BD-NtPIF1均能够正常生长,表明两个蛋白的确存在互作关系,通过两蛋白的互作使绑定域能够进行转录产生His,从而在三缺培养基上生长。
GST-pulldown和Co-IP验证NtPIF1与NtRAP2.2互作
利用大肠杆菌中表达纯化的His-NtPIF1与GST-RAP2.2蛋白,在低温孵育后利用Westernblotting检测其是否存在互作。经检测,anti-His抗体能够特异检测到His-NtPIF1蛋白的存在,表明利用GSTagarose孵育纯化出的蛋白中包含了GST-RAP2.2及与其结合的His-NtPIF1,而无RAP2.2蛋白的空GST蛋白则不能与His-NtPIF1结合。Co-IP实验中,提取共转化烟草叶片总蛋白后进行Westernblotting,可以看出anti-FLAG抗体能够检测到NtRAP2.2-FLAG蛋白存在,而anti-FLAG抗体在同样的样品中能够检测到NtPIF1-GFP蛋白,表明这两个蛋白具在烟草叶片活体内也具有互作关系。
EMSA检测NtPIF1与NtRAP2.2与NtPSY1启动子的绑定
为了验证NtPIF1与NtRAP2.2是否能与NtPSY1启动子中的G-box元件和ACTAC-motif结合,我们将包含这些元件的约150bp启动子序列进行了扩增,并连接到pMDT-18上,通过鉴定获得含有这些启动子序列的载体。以这个载体为模板,用引物特异的扩增出含有待检测元件的启动子序列探针,通过EMAS实验在体外验证NtPIF1与NtRAP2.2能否和NtPSY1启动子片段相结合。结果表明,NtPIF1可以和含有G-box元件的NtPSY1启动子片段结合,而NtRAP2.2能与含有ACTAC-motif元件的NtPSY1启动子片段结合。结果表明NtPSY基因是NtPIF1与NtRAP2.2的下游靶基因。
转基因烟草叶片NtPSY基因表达量检测
为了检测NtPIF1与NtRAP2.2的互作是否对NtPSY基因的表达有影响,我们采用定量PCR检测了超量表达NtPIF1和NtRAP2.2转基因烟草叶片中两个NtPSY基因的表达量变化。结果表明,超量表达NtPIF1与NtRAP2.2基因能够导致NtPSY两个基因的表达下调,因为更多的NtPIF1和NtRAP2.2蛋白结合到NtPSY基因的启动子区域抑制了其转录表达。对NtPSY1基因来说,NtRAP2.2对表达其影响更大,与其启动子中ACTAC-motif元件更多有关,而对NtPSY2基因来说,NtPIF1对表达其影响更大,因为其启动子区域中包含更多G-box元件。趋势一致的是当两个基因共转化时对两个NtPSY基因的表达量抑制都更大,表明这两个蛋白的互作促进了对NtPSY基因的负向调节,使两个NtPSY基因的表达量都进一步下调。
以上所述是本发明的优选实施例,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种载体组合物,其中至少一个载体含有SEQIDNO.1所示的NtPIF1基因编码,至少另外一个载体含有SEQIDNO.2所示的NtRAP2.2基因编码。
2.根据权利要求1所述的载体组合物,所述的NtPIF1和NtRAP2.2的基因编码分别为SEQIDNO.1和SEQIDNO.2所示的序列分别经过BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切之后的片段。
3.根据权利要求1所述的载体组合物的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
利用表1中的引物NtPIF1-eFcgGGATCCATGAATCATTCAGTTCCTGATTTTGATATGGATG/NtPIF1-eRcgCTCGAGCAATATGCAACAACTAGACTTTTCGATGGTG和NtRAP2.2-eFcgGGATCCATGTGCGGTGGTGCCATAATCTC/NtRAP2.2-eRacgcGTCGACATAGACACCTCTCATTAGAGAAGAAAGTTC,扩增SEQIDNO.1和SEQIDNO.2所示的NtPIF1和NtRAP2.2基因的编码区序列,扩增产物胶回收后以BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切并再次胶回收;
带His标签的重组蛋白表达载体pET28a和GST标签的pGEX-4T1载体分别以BamHI/XhoI和BamHI/SalI双酶切,回收载体骨架;
分别将NtPIF1和NtRAP2.2表达片段连接至pET28a和pGEX-4T1载体,构建成pET-NtPIF1和pGEX-NtRAP2.2载体。
4.根据权利要求1所述的载体组合物的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
用表1中的引物NtPIF1-yFcgGAATTCATGAATCATTCAGTTCCTGATTTTGATATGGATG/NtPIF1-yRcgGGATCCCAATATGCAACAACTAGACTTTTCGATGGTG和NtRAP2.2-yFcgGAATTCATGTGCGGTGGTGCCATAATCTC/NtRAP2.2-yRcgGGATCCATAGACACCTCTCATTAGAGAAGAAAGTTC扩增出SEQIDNO.1和SEQIDNO.2所示的NtPIF1和NtRAP2.2基因编码区,通过EcoRI和BamHI酶切连接到pGBKT7和pGADT7双元表达载体中,构建成激活域载体pGAD-NtPIF1和pGAD-NtRAP2.2,绑定域载体pGBK-NtPIF1和pGBK-NtRAP2.2,获得含有pGAD-NtPIF1与pGBK-NtRAP2.2及pGAD-NtRAP2.2和pGBK-NtPIF1质粒载体组合物。
5.根据权利要求1或2所述的载体组合物在反向调节烟草中NtPSY基因的用途。
6.根据权利要求1或2所述的载体组合物在调节烟草类胡萝卜素代谢合成中的应用。
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