CN105063046B - 一种籽粒苋的绿色组织特异启动子及其应用 - Google Patents

一种籽粒苋的绿色组织特异启动子及其应用 Download PDF

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贺飞燕
刘江娜
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Abstract

本发明属于分子生物学及基因工程技术领域,目的是提供一种籽粒苋的绿色组织特异启动子,为ProAhPEPC,其核苷酸序列为:SEQ ID No.1所示的核苷酸序列;提供籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC在制备转基因植物的应用。籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC驱动外源基因只在绿色组织中表达,将其用于玉米、水稻等以籽粒为主要收获产物的作物,或马铃薯、甘薯等以地下根、茎为主要收获产物的作物中,让抗除草剂、抗虫等外源基因只在茎叶等绿色部分表达,而不在籽粒或地下薯块等食用部分表达,以提高转基因作物的安全性。

Description

一种籽粒苋的绿色组织特异启动子及其应用
技术领域
本发明属于分子生物学及基因工程技术领域,具体涉及一种籽粒苋的绿色组织特异启动子及其应用。
背景技术
控制转基因在植物体内按照人们的设计表达是安全转基因的关键点。转基因的表达部位、表达水平受其上游的一段DNA序列,即启动子的控制。现在转基因研究中主要使用组成型启动子。组成型启动子驱动转基因在植株的所有部位持续恒定表达。在非必需部位的表达,额外消耗了植物的营养和能量,产生的异源蛋白质或代谢产物,可能干扰植物原有的代谢平衡。在食用部位的表达,还易引起民众食用安全性疑虑,迟滞转基因品种的推广种植。另外,在转基因研究中,不同的基因使用相同的启动子,或转基因所用的启动子与受体植物中已有的启动子相同,还易引起同源抑制,影响转基因的高效表达。
发明内容
本发明的目的是,提供一种新型的组织特异启动子及其应用。该启动子是一种籽粒苋的绿色组织特异启动子,它与现有的启动子的序列不同,它驱动外源基因只在绿色组织中表达,能避免在其它非绿色组织的表达产生的对植物养分和能量的过度消耗,将其用于以籽粒为主要收获产物的作物,如小麦、玉米、水稻等主要农作物,或用于以地下薯块为主要收获产物的作物,如马铃薯、甘薯等作物,让抗除草剂、抗虫等外源基因只在茎叶等绿色部分表达,在籽粒和地下薯块中不表达,以提高转基因作物的安全性。
本发明由如下技术方案实现的:一种籽粒苋的绿色组织特异性启动子,所述籽粒苋的绿色组织特异性启动子为ProAhPEPC,其核苷酸序列为:SEQ ID No.1所示的核苷酸序列。
本发明还提供一种表达盒,利用上述籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC与目的基因连接所构建而得。
本发明还提供一种表达载体,利用所述籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC构建而得。植物表达载体为pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS,构建方法为:
将含有籽粒苋的绿色组织特异启动子的T载体用Bgl II和PstI双酶切,从酶切产物中回收启动子片段,同时用Bgl II和PstI双酶切植物表达载体pCAMBI3301,回收11kb的载体片段;将回收的启动子片段和载体片段用T4 DNA连接酶连接,使籽粒苋的绿色组织特异启动子取代pCAMBI3301载体上驱动GUS基因表达的CaMV35S启动子。
本发明还提供了籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC在制备转基因植物的应用。所述植物为以籽粒为主要收获产物的作物或以地下根、茎为主要收获产物的作物。
所述载体为植物表达载体,例如植物双元表达载体等。所述重组表达载体具体可为将所述启动子核苷酸序列插入质粒pCAMBIA3301的多克隆位点得到的重组质粒。可用现有的表达载体构建含有所述启动子的重组表达载体。为了便于鉴定及筛选,可对所用表达载体进行加工,如加入编码可产生颜色变化的酶或发光化合物的基因、具有抗性的抗生素标记物或是抗化学试剂标记基因等。
本发明还提供含有上述表达盒或载体的宿主细胞。所述宿主细胞为农杆菌LBA4404细胞和大肠杆菌Top10细胞。
本发明还提供籽粒苋的绿色组织特异启动子在调控下游基因表达中的应用,优选下游基因为GUS基因。
本发明还进一步提供籽粒苋的绿色组织特异启动子在制备转基因植物中的应用。例如,可以将抗病、抗虫等基因可操作地连接到籽粒苋的绿色组织特异启动子下游,构建得到表达盒,进一步将该表达盒插入到植物表达载体,将获得的重组表达载体通过比如,农杆菌介导、基因枪法等方式转化植物,获得转基因植物。
使用本发明的籽粒苋绿色组织特异性启动子驱动外源基因只在绿色组织中表达,将其用于玉米、水稻等以籽粒为主要收获产物的作物,或马铃薯、甘薯等以地下根、茎为主要收获产物的作物中,让抗除草剂、抗虫等外源基因只在茎叶等绿色部分表达,而不在籽粒或地下薯块等食用部分表达,以提高转基因作物的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例1中籽粒苋绿色组织特异启动子的染色体步移结果图,图中M为DNA分子量标准DL5000,1为染色体步移产物;图2为本发明实施例1中籽粒苋绿色组织特异启动子连接到pSURE-T载体上用PstI酶切鉴定结果图,图中M为DNA分子量标准DL5000,1为籽粒苋绿色组织特异启动子连接到pSURE-T载体上用PstI酶切后的产物;图3为本发明实施例2中初始表达载体pCAMBIA3301结构示意图;图4为本发明实施例2中带有籽粒苋绿色组织特异启动子的表达载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS的结构示意图;图5为用Bgl II和PstI对籽粒苋绿色组织特异启动子的表达载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS的双酶切鉴定图,M为DNA分子量标准DL5000,1为pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS用Bgl II和PstI双酶切后的产物;图6为转pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS的烟草PCR检测鉴定图,M为DNA分子量标准DL2000,-CK为非转基因植株,+CK为载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS,1-3为携带有籽粒苋绿色组织特异启动子的不同转基因株系;图7为转pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS的马铃薯PCR检测鉴定图。M为DNA分子量标准DL2000,-CK为非转基因植株,+CK为载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS,1-7为携带有籽粒苋绿色组织特异启动子的不同转基因株系。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此。在不背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换,均属于本发明的范围。
若未特别指明,本发明以下实施例所使用的分子生物学和生物化学方法均为本领域技术人员所熟知的常规方法。
实施例1:籽粒苋绿色组织特异启动子的克隆
根据克隆的籽粒苋磷酸稀醇式丙酮酸羧化酶基因的核苷酸序列(GenBank登陆号:HQ186302),设计合成染色体步移所要求的三条特异性引物:
引物SP1:5′-ATCAAGTTTCCCAGCTCCTCC-3′(SEQ ID No.2);
引物SP2:5′-GGAAACGATCAAGCAACAAAGC-3′(SEQ ID No.3);
引物SP3:5′-GATGCCATTTTCTCCAACTTCC-3′(SEQ ID No.4)。
以籽粒苋基因组DNA为模板,进行染色体步移,步移步骤如下:
(1)第一步
①按下列组份配制PCR反应液:
籽粒苋DNA 1μL
dNTP Mixture(2.5 mΜ each ) 8 μL
10×LA PCR Buffer II(Mg2+ plus) 5 μL
TaKaRa LA Taq酶(5 U/μl) 0.5 μL
简并引物(100 pmol/μl) 1 μL
引物SP1 (10 pmol/μl) 1 μL
ddH2O 33.5 μL
总计 50 μL
② 进行PCR反应,反应程序如下:
94℃ 1 min;98℃ 1 min;
94℃ 30 sec,68℃ 2min,72℃ 2 min;5 Cycles;
94℃ 30 sec,25℃ 3 min,72℃ 2min;
94℃ 30 sec,68℃ 1 min,72℃ 2min,94℃ 30 sec,68℃ 1 min,72℃ 2min,94℃ 30 sec,44℃ 1 min;72℃ 2 min;,15 Cycles;
72℃ 10 min。
反应完毕,将PCR反应液稀释100倍。
(2)第2步
① 按下列组份配制PCR反应液:
第1步的PCR反应液的稀释液 1 μL
dNTP Mixture(2.5 mΜ each ) 8 μL
10×LA PCR Buffer II(Mg2+ plus) 5 μL
TaKaRa LA Taq酶(5 U/μl) 0.5 μL
简并引物(100 pmol/μl) 1 μL
引物SP2(10 pmol/μl) 1 μL
ddH2O 33.5 μL
总计 50 μL
② 进行PCR反应,反应程序如下:
94℃ 30 sec,68℃ 1 min,72℃ 2min,94℃ 30 sec,68℃ 1 min,72℃ 2min,94℃ 30 sec,44℃ 1 min,72℃ 2min;15 Cycles;
72℃ 10 min。
反应完毕,将PCR反应液稀释100倍
(3)第3步
① 按下列组份配制PCR反应液。
第2步的PCR反应液的稀释液 1 μL
dNTP Mixture(2.5 mΜ each ) 8 μL
10×LA PCR Buffer II(Mg2+ plus) 5 μL
TaKaRa LA Taq酶(5 U/μl) 0.5 μL
简并引物(100 pmol/μl) 1 μL
引物SP3(10 pmol/μl) 1 μL
ddH2O 33.5 μL
总计 50 μL
② 进行 PCR反应,反应程序如下:
94℃ 30 sec,68℃ 1min,72℃ 2min,94℃ 30 sec,68℃ 1min,72℃ 2min,94℃30 sec,44℃ 1min,72℃ 2min;15 Cycles;
72℃ 10 min。
PCR反应完成后,取25 µL PCR反应产物,以1.0%的琼脂糖凝胶电泳。
电泳结束后,把凝胶放到凝胶成像处理系统上进行成像,能看见如附图1所示的1900bp左右的条带。将该条带回收纯化后,连接到pSURE-T载体上,形成重组的pSURE-T载体。利用PstI酶切重组的pSURE-T载体,可见如图2所示的1900bp的插入片段和2700bp的pSURE-T载体骨架片断。利用重组载体上的T7和SP6引物进行测序,结果表明,插入片段长度为1930bp,其下游120bp序列与AhPEPC基因起始密码子下游121bp序列的同源性为100%,证明了克隆的片段中有1809 bp位于AhPEPC基因起始密码子上游,是AhPEPC基因的启动子。启动子序列如SEQ ID No.1所示。
实施例2:表达载体的构建
根据SEQ ID No.1序列设计一对带有酶切位点和保护性碱基的特异性引物:引物1: 5′-CGTCTGCAGTGGAGTAGCAGAGACAA-3′(SEQ ID No.5)和引物2:5′-GTGAGATCTCCACCTTCCCACTAGCCA-3′(SEQ ID No.6),以重组的pSURE-T载体为模板,进行PCR扩增。扩增产物连接到pMD-18T载体上,形成重组的pMD-18T载体。将重组的pMD-18T载体转化大肠杆菌。从大肠杆菌中提取质粒,用Bgl II和PstI双酶切,酶切产物进行1%琼脂糖凝胶电泳,回收1810 bp的启动子片段。同时用Bgl II和PstI双酶切植物表达载体pCAMBIA3301(图3),酶切产物进行1%琼脂糖凝胶电泳,回收11 kb的载体片段。将回收的启动子片段和载体片段用T4-DNA连接酶连接,使克隆的启动子片段代替pCAMBIA3301载体上驱动GUS基因表达的CaMV35S启动子,将该载体命名为pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS(图4)。
用Bgl II和PstI双酶切重组载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS,酶切产物进行1%琼脂糖凝胶电泳,可见1800 bp左右的启动子片段和11 kb的载体片段(图5),表明重组载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS构建正确。
实施例3农杆菌介导法转化烟草
取2管农杆菌LBA4404感受态细胞,1管加入1μL重组载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS,另1管加入pCAMBIA3301载体作为对照。将加入载体的感受态细胞在液氮中速冻1分钟,37℃水浴5分钟,冰浴2分钟,然后加入1mL的YEB培养基,28℃ 120 rpm振荡培养4小时;4000rpm离心2分钟,弃上清,加入0.1mL YEB培养基重新悬浮细胞,涂布于含有100μg/mL卡那霉素、125μg/mL链霉素的YEB平板上,28℃培养48小时。挑取平板上长出的单菌落,接种于含有100 µg/mL卡那霉素、125μg/mL链霉素的YEB 液体培养基中,28℃ 200rpm振荡培养过夜。以菌液为模板进行PCR扩增鉴定。
将含有植物表达载体pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS的农杆菌菌液和含有植物表达载体pCAMBIA3301的农杆菌菌液按1:100的体积比接种于含有100 µg/mL卡那霉素、125μg/mL链霉素的YEB 液体培养基中,28℃ 200rpm振荡培养至OD600为0.6-0.8,4000 rpm,室温离心10分钟,弃上清,用MS盐溶液重新悬浮菌体,使菌液的OD600为0.2,然后分别放入烟草的叶盘和马铃薯的叶盘(约0.5cm2),浸泡10分钟后,把叶盘转移到铺有一层无菌滤纸的培养基(MS+3mg/L 6-BA+0.2mg/LNAA)上,28℃暗培养3天,然后把叶盘转移到含有除草剂Basta的筛选分化培养基(MS+3mg/L 6-BA+0.2mg/LNAA+500mg/LCef+10mg/Lppt)上,每15天继代一次。
待叶片边缘长出的抗性芽为2-3cm时,把芽切下转到生根培养基(MS+0.2mg/LNAA)中。待根系发育完全后,将幼苗移入土中培养,提取DNA,用引物进行PCR鉴定,正向引物序列为: 5′-GCGATTAAGTTGGGTAACGC-3′(SEQ ID No.7)和反向引物序列为:5′-TAGCTGGGCAATGGAATCCG -3′(SEQ ID No.8)。通过PCR鉴定,获得了转pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS的烟草(图6)和马铃薯(图7)各20余株,获得了转pCAMBIA3301载体的烟草和马铃薯各20余株。
实施例4:转基因烟草的GUS组织化学分析
转基因烟草T1代种子萌发后用除草剂进行筛选,去掉非转基因植株。将生长3周后的幼苗和成熟后收获的种子分别浸入GUS染色液(1 mg/mL X-Gluc,50 mM磷酸缓冲液,25mM EDTA, 0.1%Triton X-100),37℃过夜。然后用70%的乙醇脱色。结果表明,转pCAMBIA3301烟草的绿色的叶片和茎以及地下的根、茎和成熟的籽粒中均能检测到GUS基因表达,转pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS烟草的绿色的叶片和茎能检测到GUS基因的表达,而地下的根、茎和成熟的籽粒中没有检测到GUS基因表达。以上说明该启动子是绿色组织特异性启动子。
实施例5:转基因马铃薯的GUS组织化学分析
转基因马铃薯移栽3周后,将绿色的叶片和茎以及后期结的地下块茎分别浸入GUS染色液(1 mg/mL X-Gluc,50 mM磷酸缓冲液,25 mM EDTA, 0.1%Triton X-100),37℃过夜。然后用70%的乙醇脱色。结果表明,转pCAMBIA3301马铃薯的绿色的叶片和茎以及地下块茎均能检测到GUS基因表达,转pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS马铃薯的绿色的叶片和茎能检测到GUS基因的表达,而地下块茎没有检测到GUS基因表达。以上结果进一步说明该启动子是绿色组织特异性启动子。
序列表
<110>山西省农业科学院作物科学研究所,新疆生产建设兵团第六师农业科学研究所
<120>一种籽粒苋的绿色组织特异启动子及其应用
<160> 8
<170> PaUentIn Version 3.5
<210> 1
<211> 1809
<212> DNA
<213> 人工序列
<223> ProAhPEPC
<400> 1
1 AGTGGAGTAG CAGAGACAAC AATAAATCAA TTTAATTATT CTATATGGCA
51 CATCTTTGTA AGGATGCCAT GTGGAATTTT CCAAGCTTTT TAGTTATTGT
101 ATGATATGAT GGACTAATAA TTTTGATATT TTATTCGATG AGATGACATC
151 ATTATATATT TCTATAATTT TCATACAGTC ATAAGCTGAT TATCGAACAA
201 TAAAATATTA GCATAAATTC TCGTGAGAGA CAGTCTCTTT AAAAGACCAT
251 CTTTAATTGG ATCGACTCGT TATATATTTT TTAAATAGCA AGTCTCCTGA
301 GAGACCGTCT TTTTGAGAAA CGCCTCTCAG GCCCAGCCCA TTAAAGCCTA
351 ATTAAACTAA AAAATGATGA TGGGCTCGCC AACTTAGGAA TGGTTTCGCT
401 TTATTCGCTA TTATTATCAT CAAAGAGACC GTCCCTCACA AGAATTTGTG
451 TTTTTTAAAA CACAAAAACT TGGGTGATAC CTTCTCACTT GTGAGACATG
501 TCTTATTGAG CCGGCTCAAT TGTATATATA TTTTTTTACC AATTTTACAA
551 ATTAAATTGT TAATTTTAAG AGTTAAAAGA CCAATTTGAA GACTTAAAAG
601 AACAAATTCA AGGATTCAAA ATTGACATTT TAAATCATGA AATTTGACAA
651 TGTCAAGACT TAAAAGTTCA ATTTCAATAC TTAAAAACCC AATTTTAAGA
701 CTTAAAAAAC CAATTGCCAA ACTTAAAATT CCCATTTCAA CTTTAAAGTA
751 GGAGACTCAA ACATTAATAT TGATATTAAA AACTTTGAAA TTGACCTTTT
801 AAGACTTAAA ATTGGATTTT TAAGTCTTGA AATTGTCCTT TTAAGTCTTA
851 AAATAAGTAT GTCAGAATAT TCTAAAAAAC TTATTGGGCT TGGGTCGATT
901 GCACGGATAA GCCGGTTTCA CGGGAGAGTT TCTGTTTTTA AAATATTGTG
951 GGTATGCATT AAGAATGATG TAAGTAGACA TATATATATA TAAGCTATTG
1001 AACGTATGTA AGCATTAAGG ATAACGTAAA TAAACATTAA AAATACGGTA
1051 AGTAAACATT AATTTTTAAT TGGTTGAGCA CTTAAGCTTG AGATATGTCC
1101 TTTAAACTCA AAGAGACGGT CTCTCTAGAT ACTAACTGAA ATGTTGGTTA
1151 TGGTTGGTGT TTTTAGATCG TTAATATGTA TAACTACTAC TACCAATCGT
1201 TAATCATTGG CAACATATTT ACTAATATCC CCTCCTTCCA TTTGAATATA
1251 TATCATATGA GTCAGATGTT CAAAATAAAT TCGATAATCC GATATCAACC
1301 CAATCTTGTA TCCGAACTTG ATTCGACTCA ACTTAAAAGG AAATTTAAAA
1351 ATATGTAAAA ATCAATATGA ACAAAAAATC CAATTGTAAA CCGCTCGAAA
1401 CACCTAATCT TAAATCGACC CGATAACCAA ATAAAACACT GATTTAAAAA
1451 AAAACACATT TAGTATATTT GTTTGTATTC TCTGCTAAAG ATTTTCTCTT
1501 TAGCATTTGA TCTATAAATA CTCAACACCA GTTACTCAGT TAGTCACCTT
1551 CTCGTGTAAG AAGCTTGAAA TACCCATTAG TTTTGCAGAC TTTTGCATAA
1601 CCTGACCGCC ATTTATAATA ACATTCACAA GCTTCTTCCA CTTTCTAGAA
1651 AAACCCAGAA TTTTTACCCT CTTTTTCCTT TTTCATTTAG TACCATAATC
1701 TTCAAAAAAA ATCAAAAAAT AAAAAAATAA AAAAATCTTG ATTTATAGTT
1751 CTCCAAATTT TGTGGGTATT AATTATTATC TTAATTAATA GAAAAAAAGA
1801 GATATAATT
<210> 2
<211> 21
<212> DNA
<213>人工序列
<223> 染色体步移所要求的特异性引物SP1
<400> 2
1 ATCAAGTTTC CCAGCTCCTC C
<210> 3
<211> 22
<212> DNA
<213>人工序列
<223> 染色体步移所要求的特异性引物SP2
<400> 3
1 GGAAACGATC AAGCAACAAA GC
<210> 4
<211> 22
<212> DNA
<213>人工序列
<223> 染色体步移所要求的特异性引物SP3
<400> 4
1 GATGCCATTT TCTCCAACTT CC
<210> 5
<211> 26
<212> DNA
<213>人工序列
<223>根据ProAhPEPC序列设计的带有酶切位点和保护性碱基的特异性引物1
<400> 5
1 CGTCTGCAGT GGAGTAGCAG AGACAA
<210> 6
<211> 29
<212> DNA
<213>人工序列
<223>根据ProAhPEPC序列设计的带有酶切位点和保护性碱基的特异性引物2
<400> 6
1 GTGAGATCTA ATTATATCTC TTTTTTTCT
<210> 7
<211> 20
<212> DNA
<213>人工序列
<223>鉴定转化烟草的PCR正向引物序列
<400> 7
1 GCGATTAAGT TGGGTAACGC
<210> 8
<211> 20
<212> DNA
<213>人工序列
<223>鉴定转化烟草的PCR反向引物序列
<400> 8
1 TAGCTGGGCA ATGGAATCCG

Claims (7)

1.一种籽粒苋的绿色组织特异启动子,其特征在于:所述籽粒苋的绿色组织特异性启动子为ProAhPEPC,其核苷酸序列为:SEQ ID No.1所示的核苷酸序列。
2.一种表达盒,其特征是:利用如权利要求1所述的籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC与目的基因连接所构建而得。
3.一种植物表达载体,其特征在于:利用如权利要求1所述的籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC构建而得。
4.根据权利要求3所述的一种植物表达载体,其特征在于:植物表达载体为pCAMBIA3301-ProAhPEPC-GUS,构建方法为:
将含有籽粒苋的绿色组织特异启动子的T载体用Bgl II和PstI双酶切,从酶切产物中回收启动子片段,同时用Bgl II和PstI双酶切植物表达载体pCAMBI3301,回收11kb的载体片段;将回收的启动子片段和载体片段用T4 DNA连接酶连接,使籽粒苋的绿色组织特异启动子取代pCAMBI3301载体上驱动GUS基因表达的CaMV35S启动子。
5.根据权利要求2所述的表达盒或权利要求3所述的植物表达载体,其特征在于:含有所述表达盒或植物表达载体的宿主细胞为农杆菌LBA4404细胞和大肠杆菌Top10细胞。
6.如权利要求1所述的籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC在制备转基因植物的应用。
7.根据权利要求6所述的籽粒苋的绿色组织特异启动子ProAhPEPC在制备转基因植物的应用,其特征在于:所述植物为以籽粒为主要收获产物的作物或以地下根、茎为主要收获产物的作物。
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