CN105367636A - 一种Bt蛋白Cry1Dd1、其编码基因及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Bt蛋白<i>Cry1Dd1</i>及其编码基因，所述蛋白具有SEQIDNo.2所示的氨基酸序列，或SEQIDNo.2所示的氨基酸序列经取代、缺失和/或增加一个或多个氨基酸且具有同等活性的氨基酸序列。本发明蛋白可以用于制备Bt杀虫剂，编码该蛋白的基因可以转化棉花、玉米、水稻、蔬菜等农作物，使其具备相应的抗虫活性，从而降低农药的使用量，减少环境污染，具有重要的经济价值和应用前景。

Description

一种Bt蛋白Cry1Dd1、其编码基因及应用

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种Bt蛋白及其编码基因和应用。

背景技术

在人类生产过程中，虫害是造成农业生产损失及影响人类健康的重要因素。据FAO统计，全世界农业生产每年因虫害造成的经济损失高达14%，病害损失达12%，草害损失达11%。损失额高达1260亿美元，相当于中国农业总产值的一半，英国的4倍多。为了减少这些损失，多年来，对农作物害虫及蚊虫普遍采用化学防治手段进行防治，但由于化学农药的长期、大量使用，造成了对环境的污染，农副产品中农药残留量增加，给人类的生存和健康带来了危害。此外，化学农药在杀灭害虫的同时，也杀伤了天敌及其它有益物，破坏了生态平衡。与化学防治相比，生物防治具有安全、有效、持久的特点。并且避免了化学防治带来的一系列问题。因此，生物防治技术成了人们研究的热点。在生物杀虫剂中，苏云金芽孢杆菌是目前世界上用途最广、产量最大的一类微生物杀虫剂。

苏云金芽孢杆菌（Bacillusthuringiensis，简称Bt）是一种革兰氏阳性细菌，它的分布极为广泛，在芽孢形成的同时可形成具有杀虫活性的由蛋白质组成的伴胞晶体，又名杀虫晶体蛋白（Insectididalcrystalproteins，简称ICPs），ICPs是由cry基因编码的，对敏感昆虫有强烈毒性，而对高等动物和人无毒性。目前在农田害虫、森林害虫及卫生害虫的防治中Bt已成为化学合成农药的有力替代品，Bt还是转基因抗虫工程植物重要的基因来源。

自1981年Schnepf从菌株HD-1中克隆了第一个能表达杀虫活性的基因以来，人们已经分离克隆了500多种编码杀虫晶体蛋白的基因，根据编码的氨基酸序列同源性它们被分别确定为不同的群、亚群、类和亚类(CrickmoreN,etal.MicrobiolMolBiolRev,1998,62:807-813;http://www.biols.susx.ac.uk/Home/Neil_Crickmore/Bt/)。一般而言，Cry1,Cry2和Cry9等毒蛋白对鳞翅目害虫有效；其中研究的最多的是Cry1和Cry9类蛋白，它们编码的杀虫晶体蛋白分子量为130-140kD，许多基因目前已被广泛应用于植物的鳞翅目害虫的防治。苏云金芽胞杆菌以色列亚种(B.thuringiensissubsp.israelensis,简称Bti)产生的毒素蛋白对蚊虫具有很好杀虫活性，被广泛用于蚊虫的防治。同时，Cyt蛋白具有溶细胞性，对某些Cry蛋白具有增效作用及延缓昆虫的抗性。

以Bt杀虫晶体蛋白为基础的杀虫剂的使用已有50多年的历史，最初一直没有检测到昆虫对Bt的抗性，但是，上世纪80年中期开始，抗性问题不断在实验室及田间试验中得到证实（McGaughey,W.H.1985.Science.229:193-195），原因主要是持续使用单品种及亚致剂量的Bt以及Bt转基因抗虫植物的应用造成昆虫种群长期受到杀虫剂的选择压力。1985年，McGaughey报道仓库谷物害虫印度谷螟（Plodiainterpunctella）在Dipel(Btsubsp.kurstaikHD-1的商品制剂)的选择压力下，繁殖15代后，抗性增加97倍；在高剂量选择压力下，抗性可增加250倍。1990年，在夏威夷首次证实大田中的小菜蛾对Bt杀虫剂产生了明显的抗性（Tabashnik,B.E.,etal.1994.Proc.Natl.Acad.Sci.USA.91:4120-4124），上世纪90年代以来，在我国应用Bt杀虫剂时间较长的深圳、广州、上海等地，发现Bt杀虫剂对小菜蛾防治效果明显下降，意味着抗性已经形成（冯夏.1996.昆虫学报,39(3):238-244;Hofte,H.,1988.Appl.Environ.Microbiol.54:2010-2017）。目前发现在实验室及田间至少有十几种昆虫对Bt及其杀虫晶体蛋白产生了抗性，用选择压力数学模型预测到，在Bt转基因抗虫植物选择压力的条件下，昆虫将会产生抗性（Schnepf,E.,etal.1998.Mol.Biol.Rev.65(3):775-806）。另外，有研究证明Bti在大田的使用中尚未发现抗性问题,但是蚊虫对其抗性问题不断在实验室中得到证实，这种情况也可能会在大田中出现（GeorghiouGP,1997.AppliedandEnvironmentalMicrobiology,63:1095-1101.）。

为避免抗性昆虫所造成的损失，寻找新的高毒力Bt基因资源是解决这个问题的有效途径，这对我国的生物防治有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的第一个目的在于针对上述不足提供一种新的Bt毒力蛋白资源。

本发明的第二个目的在于提供编码所述蛋白的基因。

本发明的第三个目的在于提供上述蛋白及基因的应用。

本发明从四川省成都市地区土壤中分离得到的苏云金芽孢杆菌新菌株BN23-5，该菌株已于2014年7月14日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（简称CGMCC，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，邮编100101）保藏，分类命名为苏云金芽孢杆菌（Bacillusthuringiensis），保藏号为CGMCCNo.9448。

通过对BN23-5的毒力测试表明，BN23-5对鳞翅目害虫等具有极高的毒力。根据cry1类基因保守序列设计一对特异引物，扩增其基因组DNA，结果表明该菌株中存在cry1类基因，进一步设计其全长基因引物，克隆得到Cry1Da-like基因，其核苷酸序列如序列表SEQIDNo.1所示，全长为3501bp，分析表明，GC含量为39.62%，编码1167个氨基酸组成的蛋白。经测定，其氨基酸序列如SEQIDNo.2所示。在softberry网站采用bacterialsigma7.0promoter程序对全序列进行预测表明，在基因编码区上游含有RNA聚合酶活化位点的序列，将其命名为Cry1Dd1。Cry1Dd1蛋白的氨基酸组成如表1。

应当理解，本领域技术人员可根据本发明公开的蛋白Cry1Dd1的氨基酸序列（SEQIDNo.2），在不影响其活性的前提下，取代、缺失和/或增加一个或几个氨基酸，得到所述蛋白的突变序列。例如在非活性区段，将第24位的Gly替换为Ala，在第1122处插入Lys，在第1120处缺失Gly，而不影响其活性。因此，本发明的Bt蛋白Cry1Dd1还包括SEQIDNo.2所示氨基酸序列经取代、替换和/或增加一个或几个氨基酸，具有与Bt蛋白Cry1Dd1同等活性的由Cry1Dd1衍生得到的蛋白质。

本发明基因包括编码所述蛋白Cry1Dd1的核苷酸序列。

本发明提供了编码上述Bt蛋白Cry1Dd1的基因，其核苷酸序列为：

（1）序列表SEQIDNO.1所示的核苷酸序列，或

（2）SEQIDNo.1所示核苷酸序列经取代、缺失和/或增加一个或几个核苷酸。

此外，应理解，考虑到密码子的简并性以及不同物种密码子的偏爱性，本领域技术人员可以根据需要使用适合特定物种表达的密码子。

本发明的基因和蛋白质可以从Bt菌株BN23-5中克隆或分离得到，或者通过DNA或肽合成的方法得到。

可将本发明基因与表达载体可操作地连接，得到能够表达本发明蛋白的重组表达载体，进而可以通过诸如农杆菌介导法、基因枪法、花粉管通道法等转基因方法，将所述表达载体导入宿主，得到转Cry1Dd1基因的转化体，例如农作物或者果树等植物，使其具备抗虫活性。

在本发明的一个实施例中，Bt蛋白Cry1Dd1重组表达载体的获得是通过将Cry1Dd1基因插入到表达载体pET-28a(+)上构建得到重组表达载体pET-1D。

此外，还可以通过发酵本发明菌株BN23-5，得到含有Cry1Dd1蛋白的发酵液，将其制备成杀虫剂，用于农作物害虫的防治。本领域技术人员还可以将上述基因转化细菌或真菌，通过大规模发酵生产本发明Bt蛋白。

本发明还提供了Bt蛋白Cry1Dd1在提高植物抗虫性中的应用。

本发明提供了Bt蛋白Cry1Dd1在培育转基因植物中的应用。

本领域技术人员还可以根据本发明公开的Cry1Dd1基因，将其转化棉花、玉米、水稻、蔬菜等农作物，使其具备相应的抗虫活性。例如：利用密码子的简并性，将Cry1Dd1基因设计具有水稻偏好密码子的基因序列，再将合成的Cry1Dd1基因序列与载体pCAMBIA1300连接，通过农杆菌介导转入到水稻基因组中，从而得到具有抗虫活性的转基因水稻品种。

本发明提供Cry1Dd1蛋白是一种Bt蛋白，具有较好的杀虫活性，将其用于制备转基因植物，能够特异性杀灭害虫，并降低农药的使用量，降低成本，减少环境污染。在本发明的效果验证试验过程中，也没有发现害虫对该蛋白产生抗性的情况。因此，本发明的Bt蛋白Cry1Dd1具有重要的经济价值和应用前景，适合大规模应用于提高植物的抗虫性中。

附图说明

图1显示的是克隆得到的Cry1Dd1全长基因的凝胶电泳图，其中M，DNAmarker;1,Cry1Dd1基因;

图2显示的是重组质粒pET-1D的酶切鉴定图谱，其中1，插入的DNA；2，重组质粒pET-1D的SacI+XHoI双酶切产物；3，质粒pET28a质粒；4，重组质粒pET-1D；M，DNAmarker。

图3显示的是Cry1Dd1基因在E.coliBL21(DE3)中表达的SDS-PAGE检测图；其中M，蛋白marker（分子量从上到下：120，100，80，65，50，40，25KDa）1，含有重组质粒pET-1D的E.coliBL21(DE3)未经IPTG诱导菌体裂解液；2，含有重组质粒pET-1D的E.coliBL21(DE3)经IPTG诱导后菌体裂解液；3，含有载体pET-28a的E.coliBL21(DE3)表达蛋白（阴性对照）。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。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，实施例中所用的生化试剂均为市售试剂，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1Cry1Dd1基因的克隆

本发明从四川省成都市地区土壤中分离得到的苏云金芽孢杆菌（Bacillusthuringiensis）新菌株BN23-5，该菌株已于2014年07月14日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，邮编100101）保藏，分类命名为苏云金芽孢杆菌（Bacillusthuringiensis），保藏号为CGMCCNo.9448。

本例通过如下方法克隆得到Cry1Dd1基因的全长序列。

采用基因组DNA纯化试剂盒（购自赛百盛公司）提取菌株BN23-5的总DNA作为扩增Cry1Dd1基因的模板，设计引物序列如下：

P1（SEQIDNo.3）：5’-ATGGAAGTGAATAATCAAAATC-3;

P2（SEQIDNo.4）：5’-CTATTCCTCCATAAGGAG-3’

25μlPCR反应体系：

10×buffer2.5μl

MgCl₂(25mM)1.5μl

Taq酶0.2μl

dNTPs(2.5mM)2μl

引物P11μl

引物P21μl

模板5μl

双蒸水11.8μl

热循环反应：94℃预变性5min；94℃变性50s，54℃50s，72℃延伸2min，30个循环；72℃延伸10min；4℃停止反应。扩增反应产物在1%琼脂糖凝胶上电泳，置凝胶成像系统中观察PCR扩增结果。结果如图1所示，通过扩增得到了约为3501bp的序列，将该序列进行测序，其核苷酸序列如SEQIDNo.1所示，与目的序列一致。

实施例2Cry1Dd1蛋白的获得

根据Cry1Dd1基因开放阅读框两端序列，设计并合成一对特异引物1DTF（SEQIDNo.5）：5'-CGGAGCTCATGGAAGTGAATAATCAAAATC-3'，1DTR（SEQIDNo.6）:5'-CCCCTCGAGCTATTCCTCCATAAGGAG-3',5’端引物下划线部分碱基分别为SacI和XHoI酶切位点。以BN23-5总DNA为模板进行扩增，酶切产物与同样进行双酶切后的载体pET-28a(+)连接，转化E.coliDH5α感受态细胞，提取其质粒酶切电泳验证了插入片断大小符合预期目的片段后（图2），再转入受体菌E.coli.BL21(DE3)（购买于北京全式金生物技术有限公司）。将重组质粒命名为pET-1D，含重组质粒的重组子命名为E.coli.BL21(2L)。将阳性转化子于LB培养基中，在200r/min、37℃过夜培养，再将培养液按照1:100的比例转接到含有400mLLB培养液的1L三角瓶中，200r/min、37℃培养,当培养液的OD=600值达到0.6-0.8时，加入0.6mmol/LIPTG进行诱导表达12h，离心培养液收集菌体，弃上清，加入30mL10mmol/LTris-HCl(pH8.0)超声波破碎，用SDS-PAGE对表达蛋白进行检测。

SDS-PAGE分析表明基因的表达产物在菌体超声破碎后的溶液中（图3），Cry1Dd1分子量约为132.2kDa左右，与预测的蛋白分子量相符。

实施例3Cry1Dd1蛋白杀虫活性测定

将实施例2获得的Cry1Dd1蛋白对小菜蛾和玉米螟进行杀虫活性测定。小菜蛾的生测：将Cry1Dd1蛋白配制成48，24，12，6，3，0.3ug/mL等6个不同的浓度梯度；选老嫩适中的卷心菜叶片洗净，晾干；紫外灯下照射15min，剪成2×2cm2大小，分放在不同浓度菌液中，浸泡5min；取出沥去多余的液体，放在消毒的培养皿中晾干，E.coli.BL21(DE3)作为阴性对照，清水为空白对照，每个培养皿放4片叶片；选放健康的2-3龄小菜蛾20头；每处理重复3次，置室内，于3d后调查幼虫死亡情况。

玉米螟的生测：将Cry1Dd1蛋白配制成400，200，100，50，25，0.1ug/mL等6个不同的浓度梯度，将蛋白加入饲养玉米螟的饲料中混匀，E.coli.BL21(DE3)作为阴性对照，清水为空白对照，然后每处理投入20头2-3龄玉米螟，每处理3次重复，7d后统计结果。

甜菜蛾的生测：将Cry1Dd1蛋白配制成1，20，40，80，160，320ug/mL等6个不同的浓度梯度，将饲料加入不同浓度的蛋白溶液中，浸泡5min；取出沥去多余的液体，放在消毒的培养皿中晾干，以E.coli.BL21(DE3)浸泡饲料作为阴性对照，清水浸泡饲料为空白对照，然后每处理投入20头2-3龄甜菜夜蛾，每处理3次重复，3d后统计结果。用SPSS10.0软件计算LC ₅₀ 。

结果表明（表2）：表达产物对小菜蛾具极高的杀虫活性，LC ₅₀ 为13.10ug/mL；表达产物对玉米螟具较高的杀虫活性，LC ₅₀ 为118.39ug/mL；表达产物对甜菜夜蛾具有明显的生长抑制作用，生长被抑制的虫数达到生测虫数总数的50%时的蛋白浓度为45.08ug/mL；生测结果表明，E.coli.BL21(DE3)和空白对照对小菜蛾、玉米螟和甜菜夜蛾不具杀虫活性。

表2Cry1Dd1的杀虫活性

供试昆虫	LC 50 / (μg / mL)	95% 置信限 / (μg / mL)
			小菜蛾	13.10	0.00190-18.36878
玉米螟	118.39	0.56919-161.75608

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种Bt蛋白Cry1Dd1，其特征在于，其氨基酸序列是：

1）SEQIDNo.2所示的氨基酸序列；或

2）SEQIDNo.2所示的氨基酸序列经取代、缺失和/或增加一个或多个氨基酸且具有同等活性的氨基酸序列。

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，其核苷酸序列为：

如序列表中SEQIDNo.1所示；或

由SEQIDNo.1所示核苷酸序列经取代一个或几个核苷酸，得到的核苷酸序列。

4.含有权利要求2或3所述基因的重组表达载体。

5.由权利要求4所述表达载体转化的宿主细胞。

6.如权利要求5所述的宿主细胞，其为植物宿主细胞。

7.含有权利要求1所述蛋白的杀虫剂。

8.权利要求1所述的蛋白或其编码基因在制备杀虫剂中的应用。

9.权利要求1所述的蛋白或其编码基因在培育转基因植物中的应用。

10.权利要求1所述的蛋白或其编码基因在提高植物抗虫性中的应用。