CN103773766B - 一种水稻根特异性表达启动子POsRo1及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水稻根特异性表达启动子POsRo1及其应用，本发明还提供了含有该启动子的表达盒、植物表达载体、宿主菌和转化子。具体而言，本发明将上述启动子应用在植物转基因工程中。本发明提供的启动子可以启动外源基因在植物侧根和根毛中特异性表达，适用于具有根的植物，特别是单子叶植物，尤其能够驱动外源基因在水稻侧根和根毛中特异性表达，对根系的形态建成和根构型的重建并进行作物的遗传改良具有重要的意义，也是改良物种的一条重要途径从而培育出理想的生物安全性高的转基因植物品种。

Description

一种水稻根特异性表达启动子POsRo1及其应用

技术领域

本发明涉及生物技术和植物基因工程技术领域。具体而言，本发明涉及一种水稻基因表达启动子及其应用，该启动子能够在水稻转基因调控体系中驱动目标基因在根中表达。

背景技术

植物基因工程技术的成功应用不仅需要大量不同调控水平的启动子，而且需要适合于不同植物背景、不同的器官、组织、转基因类型的启动子以避免在转基因过程中的不利影响。

由于组成型启动子驱动的基因在植物的不同组织、不同生长阶段均有高水平的表达，在应用中逐渐暴露出一些问题。因此，寻找一些能在细胞、组织、器官以及发育各阶段上更为专一地调控基因表达的启动子进行遗传载体的构建，在可控的条件下为基础研究和作物改良创造所需性状显得尤为必要。特异性启动子调控基因只在特定的器官、组织、细胞及不同的发育阶段表达，因而可以用于提高转基因作物的生物安全性，并且在植物基因工程研究中具有广泛的应用前景。

目前，大多数组织特异性启动子的研究主要集中在植物的地上部分，根特异启动子的研究及应用还很少。然而，根是植物体的地下部分，它是植物进行营养、运输、储存等生理功能的重要器官。而且根特异表达系统可用于研究植物的高渗胁迫耐受、和根际分泌等问题。Borisjuk等用根特异启动子mass2，GFP和烟草钙网蛋白基因构建融合表达载体，水培转基因烟草结果表明，根细胞不仅能够高效产生GFP，而且可将目的蛋白质分泌到液体培养基中，因此利用该启动子与其它有用的能编码蛋白质的基因融合，不仅可大量产生目的蛋白质，且便于回收产物。

由于植物根与土壤的广泛接触，根特异启动子的研究具有广泛的应用价值。根的生长和发育是植物发育过程中的重要问题，目前的研究主要是基于双子叶模式植物拟南芥的根系相关突变体展开的，而以水稻为模式植物的禾本科作物根系的研究机制较少，因此，研究根中特异表达基因及其启动子对根系的形态建成和根构型的重建并进行作物的遗传改良具有重要的意义，也是改良物种的一条重要途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种驱动外源基因在水稻根中特异性表达的启动子、获得含有该启动子序列的表达盒、重组表达载体、宿主菌、转化子以及该启动子的应用。其中，本文中所涉及的“植物”是指单子叶植物，例如水稻、小麦、玉米、大麦、高粱或燕麦，优选为水稻。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种植物侧根和根毛特异性表达启动子，所述植物侧根和根毛特异性表达启动子包含SEQ ID No:1所示的DNA序列。序列表中SEQ ID No:1所示的DNA序列来源于日本晴水稻（Oryza sativa L cv.Nipponbare），本文中称为POsRo1或启动子POsRo1。

优选地，所述植物侧根和根毛特异性表达启动子的DNA序列为SEQ IDNo:1所示的序列。

另一方面，本发明提供一种植物侧根和根毛特异性表达启动子，其DNA序列与SEQ ID No:1所示的DNA序列有至少80%同源性；或者，所述启动子为在SEQ ID No:1所示的DNA序列中添加、取代、插入或缺失一个或一个以上核苷酸生成的突变体或等位基因或衍生物。这些启动子序列与SEQ ID No:1所示的DNA序列具有相同功能，即驱动目标基因在植物根中特异性表达，因此，也可以称为POsRo1或启动子POsRo1。

另一方面，本发明还提供一种包含上述植物侧根和根毛特异性表达启动子的表达盒。

又一方面，本发明还提供一种重组载体，所述重组载体包含根据本发明提供的上述植物侧根和根毛特异性表达启动子；优选地，所述重组载体为重组表达载体；进一步优选地，在所述重组表达载体中，本发明提供的上述植物侧根和根毛特异性表达启动子连接于载体的待表达的基因序列的上游。

根据本发明的具体实施方案，所述待表达的基因为Gus基因；所述重组表达载体为将SEQ ID No:1所示的序列即POsRo1或启动子POsRo1构建于植物双元表达载体pCAMBIA1391中得到的重组表达载体，本文中称为pCAMBIA1391-POsRo1。

并且，本发明还提供一种宿主菌，所述宿主菌包含本发明提供的上述植物侧根和根毛特异性表达启动子、上述表达盒、或上述重组载体；优选地，所述宿主菌为根癌农杆菌。

另一方面，本发明提供一种转化子，所述转化子包含本发明提供的上述植物侧根和根毛特异性表达启动子、上述表达盒、上述重组载体、或上述宿主菌。其中，所述转化子优选为转基因细胞系、愈伤组织或植株。

再一方面，本发明提供上述植物侧根和根毛特异性表达启动子在培育转基因植物中的应用。培育转基因植物的所述应用包括将本发明提供的上述植物侧根和根毛特异性表达启动子连接于待表达的基因序列上游（例如，所述启动子与目标基因融合，将所述植物侧根和根毛特异性表达启动子序列置于载体中的目标基因之前），并构建重组表达载体；将重组表达载体转化到植物细胞、组织或器官中进行培育。待表达的基因即目标基因包括用于改良植物品质和积累的基因以及植物营养吸收相关的基因。

并且优选地，所述应用用于改良植物根性状，所述植物为单子叶植物，例如水稻、小麦、玉米、大麦、高粱或燕麦，优选为水稻。

本发明所提供的植物侧根和根毛特异性表达启动子的DNA序列为（与序列表中SEQ ID No：1中相同）：

GGATGAAACGGGTGGAGTAACGGACTCGCAGATCGATCGCACATGTGGCCTCAACCCAGAGGATGGCGTGTCGTGGGCGCTCTCCGTTCAGATCGGACGAGGGAGATGCTCATTGAAGAGTCACGACCGCTCGAGGAGAAAGAAATCCCACGTCGACGCCGCCGGCGTGCGGGAGTGGGCGACGCGGTTGACAGTTCCACCACCGGCCGCCGGCCGGGAGCCGGAATGAGAGTTCAGTATGTACTAGATCAAGGTGTCGGAGACAGCAAAGACCAGGACCGTACACGATGCACGGCCGTACGCCTACTTCCGCGACCGCCACAACGCGACATTCTACGGCGGCGGCGTTGAGCCCAACGGCGTCCACGAACCACGATACCTACTCTGCCCACGGCGTTGAGCACGTCGCAGAATGAGGAAGGAGGCAACTAGCCGGCATGGCTGCAGTTCCCAATCTGCACAAGGAACTGAACTGACAATATATTCCCTTTTCAGCTCAAGCATCGAACGCTTCCTCCAGTCTTGGCAGAAGAGGAACTCCTTATCAATACCAAACTGAACACCAGTTTACAGCACTAGATCAGCCTGCCAAACCACAGTTTTGATCATCGACGTACTCAAACCAAACAACGTATCCTATGAACAATTCAGTTCCCACTTCCCAGACCCGCATTACAAATCAATCCTTTTAATTGGTGGAATGAGAAGAGCATATACACGCCCTGTGCTGCTGCCTTGCACATTTCCCTGTCTCATAAGTTTGGCGACTTGCAGCAAATTTGTTGGAGATGCACACGAGCGAACGCCCCGGGCCCCAATAATATTTGCATTACATGCGTGGGGGATCAACCCACGTGTACCGCCCATGTGAGGCTGGATTTGAGCTAGGAATTTGGAATCTTCTAACATGCATGGTGCTTTCTTTGACAGTTAACAACTTCCCTTTCCTTTTCTTTTTTTCTTTCCGCACGCATGAACACATCCAGCTTGATCAGGTTGTAGCACCTACATAAACAGAGTGGTGTGCTCCTTAAAAGGAAAACGAAAAGATTCCATTGCGATAAGCACGAACCATCGGAAAAATTATTGAAACAGCTAACTGATACTAATTTCTTAGCAATTGTTTGTGGGTAGTAACAGCACTATCTGTACACAACTAGAGCCATAGTATTGTGCAGGGACAAAGGATTACGAGGAAATTTCTTGCAAGTGTTATTAGAAAAACTTCATGATTAGTCAGGGCATCCGTACTTGCATGTTTCAGTTTTTTTGCGATTGATCTGGTTAGTAGTATTATGTGATTGATTCTGCTGGTGGATTCTCTCTTCGGTTTGCACGTGGTTCTCTGCTGATAATGTCAGAATGATTCATGAGCGGAGCACTACCCCAATAAAAATGGCGAGCTCGGTCCTGAGATTCCTGTACATACGCCTCACGAATACCATATTTTTACTCTCGAGGAAGCTTCATAGCGACATCGTACACGCACAGAAATGGATAAAAACACTGCACTCACCAACCAGGTCAACTACCACAGTTAACAGTACGTGCCAAGTTGGCTTCAGTTTAGAGGCCTGATCAGGCAGAATCGATCACATCACACGGCATACGCGCTAGCCAAGTAGGAGTATAGATCCTAGCTTAGCAAGGTGCCAGACGATCGAGCACCAAATCAGCAAGAGCGCCGTGACATTTCAGCAATCAGGTCGCCTTGTTTAATCGCCAAATTATCCTAATCAATCCAAGGGAGAGAGTACGTCTTCACATGGATGCAATGCGTACAAGTCAATGCACTTGGGGGAGCCAGGAACTGACACAAAATTCATTTACAAGTTACAATTGTACCAGTAGATCAGCAGTAGTAATGAGCATAATCAATGGAATAATAAAATAAATGTAGTGTCCGTGCATGCGTTAGCCTATATATAACGGCTTCTTCTTCTTCCAATTTGCTAAGGCGCCGAGCGAACCAAGTCGCGCAGCTTAAGAGCTTCTTCGTTGTTGCTGCTGCCGTGTGTTGCTAAGCTTCAAGATGTCGCAGAGAGCCGGGAGGCACCAGAGGAGGGCGTCG

SEQ ID No:2BamHI FP:GGATCCGGATGAAACGGGTGGAGTAACG

SEQ ID No:3EcoRI RP:GAATTCCGACGCCCTCCTCTGGTGCCTC

需要说明的是：上述启动子的DNA序列中，序列开头以斜体并加粗表示的序列“GGATGAAACGGGTGGAGTAACG”为获得启动子过程中使用的正向引物的留存序列，共计22bp；序列末尾以斜体并加粗表示的序列“GAGGCACCAGAGGAGGGCGTCG”为获得启动子过程中使用的反向引物的留存序列（该留存序列与反向引物的相应序列互补），共计22bp；该DNA序列中剩余的部分则为获自日本晴水稻中的DNA序列。需要强调的是，本文中所提到的植物侧根和根毛特异性表达启动子既可以指上述整个DNA序列，也可以指去除上述引物留存序列后的DNA序列。

综上所述，本申请的发明人从日本晴水稻（Oryza sativa L cv.Nipponbare）中分离克隆得到结构包括转录起始位点在内的2071bp的DNA序列，并将其命名为POsRo1。将该序列经酶切后连接到植物双元表达载体pCAMBIA1391上（目标基因之前），获得相应的重组质粒（即重组表达载体），利用该重组质粒转化根癌农杆菌菌株EHA105，然后用农杆菌介导的方法进行水稻的转化，得到转基因水稻植株。对获得的转基因水稻进行组织化学检测发现，转基因植株整体上的Gus基因表达水平相对较低，仅在侧根和根毛处显蓝色，从而证明该2071bp的序列具有驱动基因表达的活性，而且该启动子驱动的Gus基因在水稻侧根和根毛中特异性表达。

技术效果

本发明所提供的植物侧根和根毛特异性表达启动子序列可与植物双元表达载体连接，用于取代组成型启动子。并且，该启动子序列可以与所需的靶标基因链接，构建重组植物表达载体，重组植物表达载体经转化后可驱动靶标基因在侧根和根毛中的特异性表达，从而提高外源靶标基因在植物侧根和根毛中的表达量，增加转基因的效果，减轻外源靶标基因由于过量表达而对作物性状的影响。

本发明所克隆的水稻启动子POsRo1能够调控基因在侧根和根毛中集中表达，在实际应用中具有显著价值。通过该启动子对农作物品种进行基因改造，如通过该启动子调控目标基因在根中特异性表达，对根系的形态建成和根构型的重建并进行作物的遗传改良具有重要的意义，也是改良物种的一条重要途径。由于其具有在侧根和根毛中特异性表达的特征，可用其代替35S等组成型启动子，从而培育出理想的生物安全性高的转基因植物品种。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为将POsRo1启动子构建于pCAMBIA1391载体质粒中的示意图，其中A为pCAMBIA1391示意图，B为pCAMBIA1391-POsRo1示意图，其中示出了利用POsRo1启动子驱动位于其下游的Gus基因表达；

图2为利用POsRo1启动子驱动Gus基因表达的结果示意图，示出了水稻各部位Gus染色结果，其中图中的a：根组织染色30分钟后，Gus在根，特别是侧根和根毛部分特异性强表达；b：茎组织染色48小时后，没有检测到Gus活性；c：叶组织染色48小时后，没有检测到Gus活性；d：花器官染色48小时后，没有检测到Gus活性；e：叶鞘组织染色48小时后，没有检测到Gus活性；f：未脱壳的种子染色48小时后，没有检测到Gus活性；g：胚和胚乳染色48小时后，没有检测到Gus活性（标尺=20mm）；

图3为对本发明的植物侧根和根毛特异性表达启动子进行酶切验证的结果示意图。

具体实施方式

以下参照附图来来说明本发明的实施例。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的药材原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

含有酶切位点的POsRo1启动子的获得

步骤1、引物的设计

根据NCBI中提供的水稻品种日本晴（Oryza sativa L cv.Nipponbare）全基因组序列，依据水稻POsRo1基因的序列设计扩增引物，并根据选用的载体及靶标基因的特点，设计引物的酶切位点。

本实施例中以水稻双元表达载体pCAMBIA1391（图1A，来自于CAMBIA，公开使用载体，安徽省农业科学院农业部转基因生物产品成分监督检验测试中心水稻组保存）为例，靶标基因为Gus基因，具体设计的引物为：正向引物（SEQ ID No:2）5’端带BamHI，酶切位点（GGATCC），反向引物（SEQ ID No:3）5’端带E.coRI，酶切位点（GAATTC），引物序列如下：

正向引物：GGATCCGGATGAAACGGGTGGAGTAACG BamHI

反向引物：GAATTCCGACGCCCTCCTCTGGTGCCTC E.coRI

由深圳华大基因公司合成。

步骤2、启动子POsRo1的获得

以水稻品种日本晴DNA为模板，利用正向引物、反向引物扩增启动子POsRo1，按常规PCR体系，采用如下扩增程序：

95℃预变性5min；95℃变性30s，58℃退火30s，72℃延伸2min30s，35个从95℃预变性到72℃延伸的循环；最后72℃延伸10min。

回收PCR扩增的目的片段，目的片段长度2071bp，连接到PGEM-T-Easy载体（购自Promega公司，按载体说明书中的比例混合）上，按照热激法转化大肠杆菌XL-Blue感受态细胞后，使感受态细胞激活，进而将目的片段转入到激活的感受态细胞中，然后，经菌落PCR筛选获得阳性克隆，挑取单克隆摇菌液提质粒，用BamHI和E.coRI进行双酶切验证，如图3所示。将经过鉴定的阳性克隆送交Invitrogen公司测序。验证正确的克隆即为所要获得的启动子POsRo1，其核酸序列如SEQ ID No:1所示。

植物表达载体的构建和农杆菌的转化

从上面“启动子POsRo1的获得”过程中获得的阳性克隆中提取质粒，用BamHI和E.coRI双酶切，回收启动子POsRo1片段。同时利用BamHI和E.coRI对pCAMBIA1391进行线性化处理、回收pCAMBIA1391，将上述的POsRo1和pCAMBIA1391两个片段用T4连接酶（购于TaKaRa公司）进行连接，得到启动子POsRo1与Gus基因融合（该基因包含在pCAMBIA1391中）的植物表达载体pCAMBIA1391-POsRo1（图1B），利用冻融法将表达载体转入根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）EHA105（安徽省农业科学院农业部转基因生物产品成分监督检验测试中心水稻组保存），从冻融法所得产物中提取阳性质粒，用BamHI和E.coRI进行酶切，验证结果如图3中所示。

利用启动子POsRo1驱动Gus报告基因在水稻中表达

步骤1：农杆菌介导的水稻遗传转化

成熟水稻种子去掉颖壳后，用70%酒精浸泡种子1min，倒掉酒精。用含有1滴Tween20的50%次氯酸钠（原液有效氯浓度大于4%）溶液浸泡种子40min（150r/min）。倒掉次氯酸钠，无菌水洗5遍至溶液澄清，无次氯酸钠味道。无菌水浸泡种子过夜。用解剖刀种子的沿糊粉层将胚剥下，将胚接种于愈伤诱导培养基上。30℃下暗培养11天后将愈伤与胚乳及胚芽分离，将去芽的状态良好、分裂旺盛的初级愈伤组织进行预培养3～5天后用于农杆菌转化。

采用上面所述的“植物表达载体的构建和农杆菌的转化”过程中转入了重组表达载体的根癌农杆菌进行农杆菌介导的遗传转化，该遗传转化、转化子筛选及转基因植株再生等参照Yongbo Duan（Yongbo Duan，Chenguang Zhai，et al.An efficient and high-throughput protocol forAgrobacterium mediated transformation based on phosphomannose isomerasepositive selection in Japonica rice(Oryza sativa L.)[J].Plant Cell Report，2012.DOI10.1007/s00299-012-1275-3.）等提出的方法。

共获得32株POsRo1-pCAMBIA1391植株（POsRo1：：gus转基因水稻植株）。

步骤2、GUS组织化学染色

参照Jefferson(Jefferson RA等人.GUS fusion：β-Glucuronidase as asensitive and versatile gene fusion marker in higher plant[J].EMBO J.，1987，6:3901-3907)等提出的方法，将需要染色的组织抽真空，然后浸入染色液中，37℃染色24小时。脱色时在37℃条件下用95%乙醇处理，至阴性对照材料呈白色。

通过GUS组织染色，检测启动子POsRo1在水稻转基因植株中对GUS的启动活性。结果显示，POsRo1：：gus转基因水稻植株的侧根和根毛经GUS染色后呈现蓝色，而其它组织和部位均无GUS染色，结果说明，启动子POsRo1能够驱动Gus基因在水稻侧根和根毛中特异性高水平的表达。结果见图2。

以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (7)

1.一种植物侧根和根毛特异性表达启动子，其特征在于，所述植物侧根和根毛特异性表达启动子由SEQ ID No:1所示的DNA序列构成。

2.一种包含根据权利要求1所述的植物侧根和根毛特异性表达启动子的表达盒。

3.一种重组载体，其特征在于，所述重组载体包含根据权利要求1所述的植物侧根和根毛特异性表达启动子，其中，所述重组载体为重组表达载体，在所述重组表达载体中，所述植物侧根和根毛特异性表达启动子连接于待表达的基因序列的上游。

4.根据权利要求3所述的重组载体，其特征在于，所述待表达的基因为Gus基因，所述重组表达载体为pCAMBIA1391-POsRo1，其中pCAMBIA1391为植物双元表达载体，POsRo1代表所述植物侧根和根毛特异性表达启动子。

5.一种宿主菌，其特征在于，所述宿主菌包含根据权利要求1所述的植物侧根和根毛特异性表达启动子、根据权利要求2所述的表达盒、或根据权利要求3或4所述的重组载体，其中，所述宿主菌为根癌农杆菌。

6.一种根据权利要求1所述的植物侧根和根毛特异性表达启动子在培育转基因植物中的应用，其特征在于，所述应用包括将所述植物侧根和根毛特异性表达启动子连接于载体的待表达的基因序列上游，从而构建重组表达载体；并且将所述重组表达载体转化到植物细胞、组织或器官中进行培育。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述应用为用于改良植物根性状。