CN104450734B - 黄瓜CsMADS03基因过表达载体及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一个黄瓜E族基因CsMADS03过表达载体及其在果荚数量改造中的应用，属于生物技术领域。该载体为含有双35S启动子和黄瓜E族基因CsMADS03植物表达载体。在拟南芥中过量表达CsMADS03，可以获得成株株高变矮、叶片卷曲、茎杆多刺、花序较小的转基因植物。以上结果表明CsMADS03在植物的发育过程中发挥重要作用，为研究植物的发育提供了新的基因资源，还可以作为一种潜在的工具来改良植物的形态，应用在分子育种和遗传改良上。

Description

黄瓜CsMADS03基因过表达载体及其应用

技术领域

本发明属于植物基因工程领域，具体涉及一种黄瓜E族基因CsMADS03过表达载体及其应用。

背景技术

MADS-box基因是真核生物中一类重要的转录调控因子，在生长发育调控和信号转导过程中发挥着重要作用，在动物、植物、真菌中都存在。在植物中，MADS-box基因的分布几乎遍布整个植物界，除在双子叶植物拟南芥、金鱼草、葡萄、矮牵牛和杨树等植物中广泛存在外，在单子叶的水稻、玉米、小麦、高粱等中也大量分布。MADS-box基因一般以基因家族的形式存在，在植物生长发育不同阶段如苗期、花期、在植物的不同部位，如营养器官根、茎、叶和生殖器官花、果实、种子中MADS-box基因都有不同程度的表达，并在其中起重要的调控作用。

MADS-box基因作为一类非常重要的转录调控因子，但现在对其功能的了解还相对较少。在开花植物中，这些蛋白在广阔的范围内具有重要的生物学意义，包括控制开花时间、 花分生组织的确定、花器官的决定性、果实发育、内种皮发育和营养发育的控制等。研究的热点最多的还是与花发育相关的MADS-box 基因，它们主要参与花器官的发育，开花时间的控制，授粉后的发育过程如种子和果实发育等。近年来，随着各物种基因组测序的不断完成和各种生物技术的发展，MADS-box基因的研究也不断深入。测序完成的物种，基于全基因组的分析，获得了越来越多的MADS-box基因， 未完成全基因组测序的物种，也根据已有的MADS-box基因，通过同源克隆等方法获得了大批的MADS-box 基因。

黄瓜属葫芦科植物，广泛分布于中国各地，为主要的温室产品之一。我国瓜类作物的栽培面积在4,000万亩以上，仅黄瓜的产量就占世界的一半。最近黄瓜全基因组测序的完成标志着黄瓜功能基因组的研究进入了一个全新的阶段。尽管目前与黄瓜重要经济性状相关的基因正在逐渐被克隆，但关于黄瓜MADS-box基因的报道还较少。进化树的分析发现，黄瓜中共存在着43个MADS-box基因，其中的CsMADS03与E功能基因具有较高的同源性，可能归属于E功能基因。在拟南芥中的研究发现，E基因在全局上可以实现对花瓣、雄蕊和雌蕊的调控。CsMADS03在黄瓜中的功能是否存在功能的保守性与分化性并不清楚，值得进一步的研究。我们克隆出CsMADS03基因并将其连接到双35S启动的过表达载体PHB上然后转化拟南芥发现，在拟南芥中过量表达CsMADS03，可以获得成株株高变矮、叶片卷曲、茎杆多刺、花序较小的转基因植物。以上结果表明CsMADS03在植物的发育过程中发挥重要作用，为研究植物的发育提供了新的基因资源，还可以作为一种潜在的工具来改良植物的形态，应用于分子育种和遗传改良上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种黄瓜E族基因基因CsMADS03过表达载体及其应用，该载体含有黄瓜E族基因CsMADS03，基因的上游连有双35S启动子。

本发明的上述植物表达载体为PHB-CsMADS03，由下述方法构建而成：

（1）根据CuGI（http://cucumber.genomics.org.cn/page/cucumber/index.jsp）上公布的黄瓜CsMADS03序列（Csa004591），设计两端引物：CsMADS03-F：5’-aaaaGGATCCATGGGAAGAGGAAGAGTTG-3’（含BamHI位点）CsMADS03-R：5’-aaaaTCTAGATTAAATCATCCAGCCAAGG-3’（含XbaI位点）。以黄瓜花蕾的cDNA第一链为模板进行PCR扩增，获得CsMADS03全长。

（2）回收CsMADS03的cDNA全长，将其连接到pMD18载体上，采用碱裂解法提取质粒DNA，通过PCR检测和酶切检测获得重组质粒pMD18-CsMADS03。

（3）使用BamHI和XbaI酶切pMD18-CsMADS03，回收CsMADS03片段，同时用BamHI和XbaI酶切PHB，回收后连接，转化感受态细胞，获得植物表达载体PHB-CsMADS03。

本发明的另一目的是公开黄瓜CsMADS03在花器官改造中的基因工程应用，该基因导入拟南芥后，植株明显变小，叶片卷曲、茎杆多刺、花序较小。以上结果表明CsMADS03在植物的发育过程中发挥重要作用，为研究植物的发育提供了新的基因资源，还可以作为一种潜在的工具来改良植物的形态，应用于分子育种和遗传改良上。

附图说明

图1为本发明中CsMADS03全长扩增后的电泳示意图；

图2为本发明表达载体PHB-CsMADS03的BamHI和XbaI双酶切电泳检测图；

图3为转基因植株的PCR鉴定图；

图4为过量表达CsMADS03的转基因拟南芥植株的表达分析；

图5为过量表达CsMADS03的转基因拟南芥表型分析，其中（A)-(B)为野生型，（C)-(F)为转基因植株。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，这些实施例仅用于举例说明本发明，而不对本发明的范围构成任何限制。

实施例中所涉及的试剂主要分为分子生物学实验试剂、各种限制性内切酶、TaqDNA聚合酶、反转录酶、RNA酶抑制剂、dNTP等为日本宝生物工程有限公司(大连) 产品，质粒提取试剂盒购自生工生物工程（上海）股份有限公司，TRIzoL Reagent RNA 提取试剂购自invitrogen公司，高保真酶KOD-Plus购于TOYOBO公司，DNaseⅠ购于天根生化科技（北京）有限公司，DNA提取试剂盒购自天根生化科技（北京）有限公司。其余试剂均为国产分析纯；仪器均为分子生物学以及基因工程实验室常用仪器。所有引物序列均在生工生物工程（上海）股份有限公司合成。本发明实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

实施例１：表达载体PHB-CsMADS03的构建

(1) 引物设计：根据CuGI（http://cucumber.genomics.org.cn/page/cucumber/index.jsp）上公布的黄瓜CsMADS03序列（Csa004591），设计两端引物：

CsMADS03-F：5’-aaaaGGATCCATGGGAAGAGGAAGAGTTG-3’（含BamHI位点）

CsMADS03-R：5’-aaaaTCTAGATTAAATCATCCAGCCAAGG-3’（含XbaI位点）。

（2）黄瓜花蕾总RNA的提取

所用的黄瓜品种为华北型黄瓜。取长度约0.7 mm 的花蕾1 mg，取材后立刻冻到液氨中，采用TRIzol（Invitrogen，USA）试剂法提取总RNA：加1.5 ml Trizol后，室温放置5min，使其充分裂解。12,000rpm 离心5 min，弃沉淀。加200 ul氯仿，振荡混匀后室温放置15min。4℃ 12,000g 离心15 min。吸取上层水相，至另一离心管中。加0.5ml 异丙醇，混匀，室温放置30 min。4℃ 12,000g 离心10 min，弃上清。用1 ml 75%乙醇洗涤2 次沉淀。4℃ 8,000g 离心5 min，弃上清。室温晾干10 min。用50 uL H₂O（Rnase free）溶解RNA。

（3）黄瓜花蕾总cDNA第一链的合成

黄瓜花蕾RNA用DNaseⅠ处理后用于以Oligo(dT)₁₈为引物的反转录：取RNA 15 uL，加Oligo(dT)₁₈ 1uL，混匀，70℃保温5min，立即冰水浴，稍离心，依次加入10×M-MLV Buffer2 uL、dNTP (10mM) 1 uL、RNasin (40U/uL) 1 uL、M-MLV (200U/uL) 1uL，总体积20 uL，混匀，42℃保温60min，95℃ 10min 灭活M-MLV酶活性，-20℃保存。

（4）CsMADS03基因的扩增

设计特异性引物: CsMADS03-F：5’-aaaaGGATCCATGGGAAGAGGAAGAGTTG-3’（含BamHI位点）CsMADS03-R：5’-aaaaTCTAGATTAAATCATCCAGCCAAGG-3’（含XbaI位点），以第一链产物为模板，用长片段、高保真酶KOD-Plus进行PCR扩增，PCR 反应条件为：94℃ 5 min；94℃ 30 s；56℃ 30 s；68℃ 3.0 min，40个循环；68℃ 5 min。PCR产物用1.5%琼脂糖进行电泳检测，扩增片段大小约756bp，与预期大小一致（图1）。

（5）CsMADS03片段的胶回收

对PCR产物进行1.５%琼脂糖凝胶电泳后，切下目的片段，使用胶回收试剂盒，按照试剂盒说明书对目的片段进行回收。

（6）CsMADS03片段加尾

取1.5 ml灭菌的eppendorf管，依次加入回收的PCR产物14μl、10× Taq DNA聚合酶缓冲液2μl、10mM dNTP 2μl、Taq DNA聚合酶2μl；72℃处理45 min；先加0.18 mL无菌水，再加20μl 3M醋酸钠，混匀，最后加入2倍体积的无水乙醇，-20℃沉淀60 min，12,000rpm，4℃离心10min。弃上清，75%乙醇洗涤沉淀2次。DNA晾干后加入20μL无菌水溶解沉淀，溶解的DNA置于-20℃保存备用。

（7）CsMADS03片段的T/A克隆和测序

将回收片段连接到pMD18载体上，其具体步骤为：向1.5 ml 离心管中分别加入：CsMADS03片段的cDNA 5μl、pMD18载体0.5μl、10×T4 DNA连接酶缓冲液 1μl, T4 DNA连接酶 1μl，加无菌水至10μl，用封口膜封好；置于16℃连接4-6h。将100μl 感受态肠杆菌E.coli DH5α加入连接体系中混匀；混合液冰浴30 min，42℃热刺激90 s后，冰浴5 min；加入800μl LB液体培养基，37℃、200 rpm摇床培养45min 使菌体复苏；培养结束后，常规3,000 rpm 离心2 min收集菌体；在超净台上吸去上清，剩余约0.1 ml 时，使用移液枪混匀，接入带有Amp抗性的LB固体平板上，用无菌三角棒涂布均匀；37℃过夜培养；挑取菌落接种到带有Amp抗性的LB液体培养基中培养12h，收集菌体，采用质粒抽提试剂盒提取质粒。通过酶切检测获得的重组质粒pMD18-CsMADS03，具体方法为：向0.5 ml的离心管中分别加入：质粒DNA（50ng/μl）2μl、BamHI 0.5μl、XbaI 0.5μl、10×buffer（K）2μl，使用无菌水补足20μl；37℃反应4h；然后将酶切正确的重组质粒pMD18-CsMADS03进行测序验证插入基因的正确性。

（8）表达载体PHB-CsMADS03的构建

使用BamHI和XbaI对质粒pMD18-CsMADS03和PHB载体进行双酶切，分别获得5’端带有BamHI和3’端带有XbaI的CsMADS03片段和PHB载体，电泳后分别进行胶回收，16℃连接4-6h；将100μl感受态肠杆菌E.coli DH5α加入6μl连接体系中混匀；混合液冰浴30min，42℃热刺激90s后，冰浴5 min；加入800μl LB液体培养基，37℃、200 rpm 摇床培养45min使菌体复苏；培养结束后，常规3,000 rpm 离心1 min收集菌体；在超净台上吸去上清，剩余约0.1 ml时，使用移液枪混匀，接入带有Kan抗性的LB固体平板上，用无菌三角棒涂布均匀；37℃过夜培养；挑取菌落接种于LB液体+Kan的培养基，37℃、180rpm培养12h后，提取质粒。通过酶切检测获得的重组质粒PHB-CsMADS03，具体方法为：向0.5 ml 的离心管中分别加入：质粒DNA（50ng/μl）2 μl、BamHI 0.5μl、XbaI 0.5μl、10×buffer（K）2μl，使用无菌水补足20 μl；37℃反应4h；经1.5%琼脂糖凝胶电泳检测发现，重组质粒PHB-CsMADS03可酶切出预期大小（756bp）的片段（图2）。将酶切正确的重组质粒送至生工生物工程（上海）股份有限公司测序进行序列验证（其核苷酸序列如 SEQ ID NO1所示），最后获得表达载体PHB-CsMADS03。

实施例2：PHB-CsMADS03转农杆菌GV3101

（1）农杆菌感受态细胞制备

挑取农杆菌GV3101单菌落接种于5ml YEB培养基中，28℃摇培过夜，按1:100的比例接种于50 ml YEB培养基中扩培，28℃继续培养约6-7h至OD600=0.4-0.6。将菌液置于冰上30min；5,000 rpm，4℃离心5min，弃上清，将菌体悬于10 ml 0.15 M NaCl 中；5,000rpm，4℃离心5min，弃上清，菌体用1 ml 20 mM CaCl₂，4℃）轻轻悬浮，每管 200μl分装，或加入终浓度为 20％的无菌甘油，-70℃保存。

（2）农杆菌的转化及鉴定

将10μl 质粒DNA加入200μl农杆菌感受态中，混匀，冰浴30min，液氮冷冻 3-5min，37℃水浴5min，加入1 mlYEB培养基，28℃摇培3-4h。10,000rpm，室温离心 30s，弃上清，加入200μl YEB培养基重悬菌体，涂于YEB培养基上，28℃培养2天；碱裂解法提取农杆菌质粒DNA，酶切验证。质粒再重新转化大肠杆菌（DH5α），过夜培养后，挑取单菌落液体培养，提取质粒DNA，再用酶切鉴定。

实施例3：含PHB-CsMADS03的农杆菌GV3101转化拟南芥

（1）拟南芥的种植

①所用的拟南芥为Columbia野生型拟南芥，为江西农业大学作物生理生态与遗传育种重点实验室保存。当年收获的种子种植后4度春化72 h，隔年种子种植后春化24 h。然后转入人工培养室中在相对湿度80%，恒温20-24℃，光照强度80-200 μmol/M2/S，光照周期为8 h黑暗﹑16 h光照培养。所用的土为3份蛭石，1份珍珠岩和2份黑土混合而成。

② 将营养土用塑料盆装好，在托盘里加入营养液，待营养土吸水潮湿后，开始点种。

③ 将拟南芥的种子放在平铺的纸上，用牙签将拟南芥的种子点在土上。用保鲜膜盖好，暗培养两天，四天后揭掉保鲜膜正常培养。

④ 土稍干时可再浇一次营养液，以后浇水即可。若要做转化，待抽薹2到3cm时，剪除顶花序，用营养液再浇灌一次。

⑤ 种子的收集：拟南芥完全成熟后，停止浇水待植株干燥后将拟南芥剪下放在一张干净的光面纸上收集种子，尽量将杂物去干净，便于筛选。

（2）拟南芥的转化和转化子的筛选

① 制备好已转化了相应质粒的农杆菌菌液10 ml，在转化前一天晚上，转入大瓶培养过夜，第二天取出使用时农杆菌液OD600当在1.2到1.6之间。室温5,000 rpm离心10min。弃上清，将农杆菌沉淀悬浮于相应体积的渗透培养基里，使OD600在0.8左右。

② 先将植株上已长出的果荚及开放的花剪掉，再将农杆菌悬浮液直接喷洒至整个植株，主要喷洒在花序上。盖上透明的塑料盖子以保持湿度，移入恒温室避光培养，第二天可开盖，正常光照培养。

③ 一周后再喷洒一次，收种子，在相应的抗性1/2 MS平板上筛选转化子。

④ 转化子的筛选：种子消毒，先用70%乙醇浸泡10 min，在上述处理时要不时地使种子悬浮，并换一次70%乙醇。最后用无菌水洗四次。

⑤ 处理后的种子用Top agar（0.1%琼脂水溶液）均匀涂布在相应的抗性固体筛选培养基表面，每块150 mm直径的平皿最多种1500棵。

⑥ 4℃春化2到3天，移入22℃恒温室培养。将筛选出的转化子长到合适的大小后移栽到土壤中。

实施例4：转基因植株的鉴定和分析

(1)拟南芥DNA的提取

将适量的经筛选的拟南芥叶片放入1.5 ml的离心管中，加入400 μl的SDS抽提缓冲液，用蓝色小棒研磨成浆状，加入等体积酚：氯仿：异戊醇（25：24：1），猛烈摇匀，12,000rpm，离心10 min。取上清至新的离心 管中，加入2倍体积的无水乙醇和0.1倍体积的3M 醋酸钠 (PH5.2)，剧烈混匀使DNA成团，放入-20℃沉淀2hr以上。随后12,000 rpm，离心10min。弃上清，沉淀用70%乙醇洗涤一次后室温晾干，加适量的TE或超纯水溶解。

（2）转基因拟南芥植株的鉴定

以抽提的DNA为模板、使用引物CsMADS03-F1：aaaaGGATCCCCGAATGCTACTC ATCAACC和PHB-CsMADS03-R1：aaaaTCTAGAGCCAATAGAACTGTACCCAAT进行PCR扩增CsMADS03片段，PCR的25μl体系为：PCR 缓冲液（10×） 2.5μl、Taq 0.5μl、cDNA模板2μl、10mM dNTP 0.5μl、10μM CsMADS03-F1引物1μl、10μM CsMADS03-R1引物1μl、使用无菌水补足25μl。反应条件为：94℃5min，35个循环，94℃变性30s，55℃退火30s，72℃延伸60s，72℃反应10min。检测结果如图5所示。抽提阳性植株花蕾的总RNA，反转录后合成cDNA第一链，以CsMADS03-F1和CsMADS03-R1为引物进行RT-PCR分析，反应体系和程序同上。内参为CsACTIN基因，引物序列为：CsACTIN-F: GACATTCAATGTGCCTGCTATG，CsACTIN-R： CATACCGATGAGAGATGGCTG，PCR的25μl体系为：PCR 缓冲液（10×）2.5μl、Taq 0.5μl、cDNA模板2μl、10mM dNTP 0.5μl、10μMCsACTIN-F引物1μl、10μM CsACTIN-R引物1μl、使用无菌水补足25μl。反应条件为：94℃5min，26个循环，94℃变性30s，55℃退火30s，72℃延伸60s，72℃反应10min。检测结果见图3所示。

(3)转基因拟南芥植株表型分析

将获得的植物表达载体pCAMBIA1301-CsMADS03转入农杆菌GV3101，再转入到拟南芥中，收获植株的种子，晾干后通过潮霉素筛选获得抗性苗，再通过PCR鉴定和RT-PCR检测后获得转基因植株（图3和图4）。通过PCR和RT-PCR的结果，对获得的阳性植物进行观察，获得的CsMADS03转基因植株株高变矮、叶片卷曲、茎杆多刺、花序较小（图5）。

SEQ ID NO：1

〈210〉：1

〈211〉:756

〈212〉：DNA

〈213〉：黄瓜（Cucumis sativus L.）

〈400〉: 1

ATGGGAAGAG GAAGAGTTGA ATTGAAGAGA ATTGAGAACA AAATTAACAG GCAAGTCACT 60

TTTGCAAAGA GAAGAAATGG TTTGCTTAAG AAAGCTTATG AACTCTCTGT TCTTTGTGAT 120

GCTGAACTTG CTCTCATCAT CTTCTCTAAC CGTGGTAAAC TCTTTGAGTT TTGTAGTGGC 180

TCTAGCATGA CTAAAACGTT GGAGAAATAT CGAAGATGTA GTTACGGTAT ACCGAATGCT 240

ACTCATCAAC CACAGAGCTT TGATGACTAT CTGAATCTAA AAGCCACAGT TGAATTCATG 300

CAACAATCTC AGAGAAACCT TTTGGGAGAA GATTTAGGTC CACTGAATGC CAAAGAACTT 360

GAGCAACTTG AACATCAACT GGAGACATCC TTGGAGCGCA TTAGATCCAC AAAGACACAA 420

AGCCTACTTG AACAACTTAC AGAACTTCAA CGCAAGGAAC AAATGCTTGT CGAGGACAAT 480

CGAGGATTAA AAAAGAAGCT GGAAGAAAGC AGTGCGCAAG TGGCGGTGGC AGCAGCTGGG 540

GCATGGGGGT GGGAAGATGG CGCCGGAGGG CACAACATGG AGTATCCCAG CCGTGGTGTT 600

GCTTCACAAT CAGATGCCTT TTTCCACCCC ATAGTTCAAC CCACTCCCAC TTTACAAATT 660

GGGTACAGTT CTATTGGCTC AATGGGAATG AATCATATTG GATCTCCATC CCAAAATGCC 720

AATAACAATG CATTTCACCT TGGCTGGATG ATTTAA 756

Claims (1)

1.包含黄瓜MADS-box基因CsMADS03的表达载体在改变拟南芥高度、叶片、茎杆及花序上的应用，所述CsMADS03基因 如SEQ ID NO.1所示。