CN107760679B - 植物雌蕊特异启动子及其应用 - Google Patents

植物雌蕊特异启动子及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了植物雌蕊特异启动子及其应用。本发明提供了一种CSP1启动子:为如下1)‑3)中任一所述的DNA分子:1)序列表中序列1所示的DNA分子;2)在严格条件下与1)所述DNA分子杂交且具有启动子功能的DNA分子;3)与1)中所述DNA分子具有90%以上同源性,且具有启动子功能的DNA分子。通过实验证明:CSP1可以有效启动外源基因的表达,对于培育转基因植物具有重大的应用价值。

Description

植物雌蕊特异启动子及其应用
技术领域
本发明属于生物技术领域,具体涉及植物雌蕊特异启动子及其应用,特别涉及水稻雌蕊特异表达的启动子及其应用。
背景技术
我国是一个农业大国,粮食安全影响着我国的经济、社会和政治的稳定。从中长期看,由于人口增加,耕地减少,城市化加快,人民生活水平提高,我国粮食需求将呈刚性增长,粮食供求关系将是偏紧的。因此提高作物产量和质量,是保障我国农业可持续发展的重要条件。作物种子大小和重量是重要的产量性状,寻找与作物种子大小和重量相关的基因对高产育种具有重要的理论意义和应用价值。高等植物种子的发育要经过双受精过程,产生胚胎和胚乳。在大部分单子叶植物中,胚乳是种子的主要成分,而在多数双子叶植物中,胚乳被吸收和利用,并被胚胎取代。因此,在单子叶植物中如水稻,小麦和玉米中,胚乳的生长影响了种子的大小。在双子叶植物如拟南芥,油菜和大豆中,子叶的细胞数目与最终种子的大小相关。胚乳细胞繁殖也影响着种子重量和胚胎大小,表明胚乳和胚胎的协同生长决定了最终种子的大小。
我国在水稻研究中,已建成包括水稻大型突变体库、全长cDNA文库、全基因组表达谱芯片等大型功能基因组研究平台。以水稻功能基因组研究平台为依托,分离克隆了一些水稻种子大小和重量调控的关键基因,如控制水稻粒长和重量的GS3和GL3基因(QTL),粒宽和粒重的GW2、GW5和GW8基因(QTL)等。因此,我国水稻种子大小和重量基因克隆研究具有国际先进水平。尽管我国在水稻产量(粒重等)基因克隆研究方面取得了长足发展,但是已克隆的种子大小和重量的调控基因大多已在我国水稻育种中得到了广泛应用。因此,为了进一步提高我国水稻产量,需要发掘新的水稻种子大小和重量等高产性状调控的关键基因,在现有品种的基础上,通过转基因技术进行遗传改良,提高水稻产量。
基因表达的器官/组织/细胞特异启动子或调控元件(因为很多特异性调控元件并不在编码区上游,而在内含子中)的研究是分子生物学发展到1980年代时的一个研究热点。在植物中,欧洲科学家曾热衷于研究在根的各种组织中特异性表达启动子。随着对基因表达调控机制了解的不断深入和基因序列解析手段的发展,目前有关基因表达调控元件的分析也有了更加有效的方法。但由于分子生物学的发展的热点在启动子之后迅速转移到转录因子、染色质修饰、小RNA、大规模测序等新的热点,而植物分子生物学的研究在1990年代之后也将重点转移到突变体的筛选和相关基因分离上,有关器官/组织/细胞特异启动子或调控元件的研究在近年并没有成为大家关注的焦点。虽然这种局面的形成有其合理性,因为没有有功能的基因,也无从了解其表达的调控元件。随着模式植物和重要作物基因组测序的完成,特别是人类ENCODE计划的完成,基因表达的时空特异性精细调控必将成为人们关注的下一个焦点。而且从应用的角度出发,要利用生物技术改变基因表达,实现特定的产业化需求,必然要通过调控元件来控制基因表达的时空特异性。因此器官/组织/细胞特异性基因表达的调控元件的分离克隆和应用,必然成为分子生物学和生物技术研究的下一个无法回避的技术挑战。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种DNA片段。
本发明提供的DNA片段为如下1)-3)中任一所述的DNA分子:
1)序列表中序列1所示的DNA分子;
2)在严格条件下与1)所述DNA分子杂交且具有启动子功能的DNA分子;
3)与1)中所述DNA分子具有90%以上同源性,且具有启动子功能的DNA分子。
上述DNA片段中,所述严格条件是在2×SSC,0.1%SDS的溶液中,在68℃下杂交并洗膜2次,每次5min,又于0.5×SSC,0.1%SDS的溶液中,在68℃下杂交并洗膜2次,每次15min;或,0.1×SSPE(或0.1×SSC)、0.1%SDS的溶液中,65℃条件下杂交并洗膜。
本发明的另一个目的是提供与上述DNA分子相关的生物材料。
本发明提供的与上述DNA分子相关的生物材料为下述A1)至A11)中的任一种:
A1)含有上述DNA分子的表达盒;
A2)含有上述DNA分子的重组载体;
A3)含有A1)所述表达盒的重组载体;
A4)含有上述DNA分子的重组微生物;
A5)含有A1)所述表达盒的重组微生物;
A6)含有A2)所述重组载体的重组微生物;
A7)含有A3)所述重组载体的重组微生物;
A8)含有上述DNA分子的转基因植物细胞系;
A9)含有A1)所述表达盒的转基因植物细胞系;
A10)含有A2)所述重组载体的转基因植物细胞系;
A11)含有A3)所述重组载体的转基因植物细胞系。
本发明还有一个目的是提供上述DNA片段或上述生物材料的新用途。
本发明提供了上述DNA片段或上述生物材料在启动外源基因在植物组织或植物器官中表达中的应用。
上述应用中,所述植物器官为植物生殖器官。
上述应用中,所述植物生殖器官为雌蕊。
上述应用中,所述外援基因为GUS基因。
上述应用中,所述植物为单子叶植物或双子叶植物,所述单子叶植物具体为水稻。
本发明还提供了上述DNA片段或上述生物材料在植物的遗传育种中的应用。
上述应用中,所述植物为单子叶植物或双子叶植物,所述单子叶植物具体为水稻。
本发明的最后一个目的是提供扩增上述DNA片段的引物对。
上述引物对中,所述引物对由序列表中序列2所示的单链DNA分子和序列表中序列3所示的单链DNA分子组成。
本发明提供了一种CSP1启动子:CSP1基因起始密码子atg上游的序列。通过实验证明:CSP1可以有效启动外源基因的表达,对于培育转基因植物具有重大的应用价值。
附图说明
图1为PCR扩增产物的琼脂糖凝胶电泳图。其中,1-8为PCR产物,M:marker。
图2为PCR鉴定pCSP1:GUS载体的琼脂糖凝胶电泳图。其中,1-24为构建的载体,M:marker。
图3为PCR鉴定转pCSP1:GUS植株琼脂糖凝胶电泳图。其中,1,2为野生型阴性对照;3-10为转pCSP1:GUS植株,M:marker。
图4为转pCSP1:GUS植株的花器官进行GUS染色后在显微镜下的照片。
图5为pCSP1:GUS载体的结构图。
图6为pCAMBIA1305.1载体的结构图。
具体实施方式
下述实施例中所使用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材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
下述实施例中的定量试验,均设置三次重复实验,结果取平均值。
下述实施例中的pCambia1305.1载体是CAMBIA公司的产品。
下述实施例中的GUS染色液(pH7.0):溶剂为200mM PBS缓冲液,溶质及其在染色液中的浓度分别为:100mM亚铁氰化钾、100mM铁氰化钾、0.5mM EDTA(pH8.0)、10mg/ml X-Gluc、0.1%(体积比)吐温20。
下述实施例中的水稻品种中花11号:购自于中国农业科学院作物研究所;由中国农科院作物所1979年用京风五号/特特普/福锦进行花培。记载于文献“倪丕冲.水稻花培新品种—中花11号.作物品种资源,1989年04期”中。
下述实施例中的农杆菌EHA105是北京全式金生物工程有限公司的产品。
实施例1、CSP1启动子的获得
1、以水稻品种中花11号的基因组DNA为模板,采用pCSP1-KpnI-F和pCSP1-SmaI-R引物对进行PCR扩增,得到PCR扩增产物。引物序列如下:
pCSP1-KpnI-F:agggGGTACCctcttacttgggggaggcctg(序列2);
pCSP1-SmaI-R:aaaaCCCGGGatctcctccgccgccgcgaa(序列3)。
2、对步骤1获得的PCR扩增产物进行1%琼脂糖凝胶电泳检测,回收并纯化PCR扩增产物。并对其进行测序。
PCR扩增产物的琼脂糖凝胶电泳图见图1(泳道M为DNA分子量标准,各条带从大到小依次为5000bp、3000bp、2000bp、1000bp、750bp、500bp、300bp、200bp;泳道1-4为PCR扩增产物,约为1.1kb)。
测序结果表明:PCR扩增得到大小为3883bp的DNA片段,其核苷酸序列如序列表中序列1所示,将序列1所示的核苷酸序列命名为pCSP1,即为CSP1启动子。
实施例2、CSP1启动子的功能验证
一、转pCSP1:GUS水稻的获得
1、骨架载体pCAMBIA1305NO35S的制备
用限制性内切酶HindIII和NcoI对带有35S启动子及其驱动的GUS报告基因的载体pCAMBIA1305.1(该载体的结构如图6所示)进行双酶切,回收大片段后自连接,得到连接产物,即为骨架载体pCAMBIA1305NO35S。将骨架载体pCAMBIA1305NO35S转化大肠杆菌,挑取阳性菌落进行测序鉴定。
测序结果表明:骨架载体pCAMBIA1305NO35S为将pCAMBIA1305.1载体中的HindIII和NcoI酶切位点间的35S启动子缺失,且保持pCAMBIA1305.1载体的其他序列不变得到的载体。
2、重组质粒pCSP1:GUS的构建
1)用限制性内切酶KpnI和SmaI双酶切步骤1获得的pCAMBIA1305NO35S载体,回收大小约为10.5kb的载体骨架;
2)用限制性内切酶KpnI和SmaI双酶切实施例1获得的PCR扩增产物,回收酶切产物;
3)将步骤1)的载体骨架和步骤2)的酶切产物连接,得到pCSP1:GUS载体,并对其进行测序。
测序结果表明:pCSP1:GUS载体为将序列1所示的DNA分子插入pCAMBIA1305NO35S载体的KpnI和SmaI酶切位点间,且保持pCAMBIA1305NO35S载体的其他序列不变得到的载体。
pCSP1:GUS载体为将序列1所示的DNA分子插入pCAMBIA1305.1载体的KpnI和SmaI酶切位点间,且将pCAMBIA1305.1载体中的HindIII和NcoI酶切位点间的35S启动子缺失,且保持pCAMBIA1305.1载体的其他序列不变得到的载体。
4)用pCSP1-C-F和pCSP1-SmaI-R引物鉴定pCSP1:GUS载体是否连入目的DNA片段。引物序列如下:
pCSP1-C-F:ccccgtcccaacggtcgaccagatccacccgt;
pCSP1-SmaI-R:aaaaCCCGGGatctcctccgccgccgcgaa。
部分PCR鉴定电泳图如图2所示。经鉴定结果表明:PCR扩增得到大小约为280bp的条带的载体为正确连接的pCSP1:GUS载体。pCSP1:GUS载体的结构如图5所示。
3、重组农杆菌的构建
将步骤2获得的重组质粒pCSP1:GUS导入农杆菌EHA105,得到重组农杆菌pCSP1:GUS/EHA105。
将pCAMBIA1305.1载体导入农杆菌EHA105,得到重组农杆菌pCAMBIA1305.1/EHA105。对照载体为pCAMBIA1305.1(购买自pCAMBIA公司),其结构如图6所示。
4、转基因植株的获得
用步骤3获得的重组农杆菌pCSP1:GUS/EHA105和重组农杆菌pCAMBIA1305.1/EHA105分别转化水稻,分别得到转基因水稻和对照植株。水稻转化委托未名凯拓公司进行商业化生产(具体方法为常规的水稻幼胚愈伤组织的诱导后侵染农杆菌),6个月后拿到转化后抗性筛选过的水稻苗。
5、转基因植株鉴定
提取经过抗性筛选后的T2代转基因水稻植株的叶片的基因组DNA,用GUS-F和NOS-R组成的引物对T2代转基因水稻植株的基因组DNA进行PCR鉴定,PCR鉴定为阳性的植株即转pCSP1:GUS水稻植株。鉴定引物为:
GUS-F:5’-GAGTACTACCAGGCGAACCACGT-3’;
NOS-R:5’-GATGACACCGCGCGCGCGATAATTT-3’。
部分T2代转pCSP1:GUS水稻植株的PCR鉴定电泳图见图3。图3中:M为DL2000PLUSDNA marker;1-10为PCR鉴定为转基因植株;1-2为阴性对照(野生型)。经过鉴定表明:T2代转基因水稻植株中3#,4#,6#,7#,9#,10#为T2代转pCSP1:GUS水稻植株(PCR扩增产物大小约为507bp的植株为T2代转pCSP1:GUS水稻植株)。
二、转pCSP1:GUS水稻的GUS染色
取经过PCR鉴定为阳性的T2代转pCSP1:GUS水稻植株、对照植株和野生型水稻植株的成熟花器官、叶片和根进行GUS染色分析。GUS染色分析的具体步骤如下:将植株的花、叶片和根在GUS染色液中37℃浸泡12小时,然后用70%乙醇水溶液脱色2-3次,然后在显微镜下观察,白色背景下的蓝色即为GUS表达位点。
T2代转pCSP1:GUS水稻植株的花器官、叶片和根的GUS染色照片见图4,其中,1-6分别为5-10期水稻小花的GUS染色结果,7为解剖的10期雌蕊的GUS染色结果,8为叶片的GUS染色结果,9为根的染色结果。从图中可以看出,T2代转pCSP1:GUS水稻植株的花器官的5-10期观察到蓝色,说明GUS基因只在水稻雌蕊中特异的表达,而野生型水稻植株的花器官、叶片和根均没有蓝色,对照植株的花器官、叶片和根中均观察到蓝色。说明本发明提供的启动子pCSP1可以启动GUS基因在水稻雌蕊中特异的表达。
Figure IDA0001084204400000011
Figure IDA0001084204400000021
Figure IDA0001084204400000031
Figure IDA0001084204400000041
Figure IDA0001084204400000051

Claims (6)

1.DNA片段,为序列表中序列1所示的DNA分子。
2.与权利要求1所述的DNA分子相关的生物材料,为下述A1)至A7)中的任一种:
A1)含有权利要求1所述的DNA分子的表达盒;
A2)含有权利要求1所述的DNA分子的重组载体;
A3)含有A1)所述表达盒的重组载体;
A4)含有权利要求1所述的DNA分子的重组微生物;
A5)含有A1)所述表达盒的重组微生物;
A6)含有A2)所述重组载体的重组微生物;
A7)含有A3)所述重组载体的重组微生物。
3.权利要求1所述的DNA片段或权利要求2所述的生物材料在启动外源基因在植物组织或植物器官中表达中的应用;
所述植物器官为雌蕊;
所述植物为水稻。
4.权利要求1所述的DNA片段或权利要求2所述的生物材料在植物的遗传育种中的应用;所述植物为水稻。
5.扩增权利要求1所述的DNA片段的引物对。
6.根据权利要求5所述的引物对,其特征在于:所述引物对由序列表中序列2所示的单链DNA分子和序列表中序列3所示的单链DNA分子组成。
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