CN110129323A - 一种花粉特异性启动子及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种花粉特异性启动子,该启动子的核苷酸序列如序列表SEQ ID NO:3所示。本发明通过表达分析发现己糖转运蛋白基因CsHT11特异在黄瓜花粉和伸长的花粉管中表达,克隆CsHT11基因的上游启动子序列CsHT11P,构建CsHT11p‑pBI121表达载体并侵染拟南芥,发现遗传转化植株能特异地将外源基因如GUS基因在拟南芥花粉中表达,实验结果说明该启动子具有调控外源基因特异在植物花粉中表达的作用,可以用来创制雄性不育系,应用于杂种优势的生产,节约劳动成本。

Description

一种花粉特异性启动子及其应用
技术领域
本发明涉及花粉特异性启动子及其克隆和应用,属于生物领域。
背景技术
基因表达在时空层面上调控生物体的生长和发育,而启动子是基因表达的重要调控元件。根据启动子驱动基因表达的不同特点,启动子分为组成型启动子和特异性启动子。组成型启动子能在所有细胞、组织和器官中,不分时空地启动转录;如来自花椰菜花叶病毒的CaMV35启动子(BENFEY,PN et al.,1990)。特异性启动子可以在特定的条件、部位或者时段集中表达。特异性启动子又可分为组织特异性启动子和诱导型启动子。诱导型启动子平时不启动转录或转录活性很低,但在某些特定的外界信号的刺激下,如光、温度、水分、激素、盐胁迫等,转录活性能够显著地提高(贺飞燕,2017)。组织特异性启动子按照植物组织器官可以分为营养器官表达和生殖器官表达的特异性启动子。具体包括叶片、根、韧皮部、维管束、花器官、果实、种子特异性以及其它组织特异表达启动子等。
组织特异性启动子不仅能使目的基因的表达产物在一定器官或组织部位累积,不仅提高了外源基因的表达效果,还可以避免植物营养的不必要浪费,作为植物工程中最富有前景的调控元件,组织特异性启动子一直是生物学领域内的研究热点,并且已经在发育生物学研究、以及植物基因工程方面得到了应用。
花特异性启动子有拟南芥花器官发育特异性启动子leafy、烟草花粉特异启动子TA29、番茄花粉特异启动子lat52等。这类启动子被广泛用来创造雄性不育植物。黄瓜花粉发育和花粉管萌发过程中所需要的碳水化合物通过质外体途径获得,其中需要单糖转运蛋白的参与。碳水化合物供应受阻或单糖转运蛋白运输能力下降都可能会引起花粉发育或花粉管伸长的不可逆破坏,从而导致雄性不育(Engelke et al.,2010;Ji et al.,2010)。本发明以黄瓜为研究材料,获得了一个特异在花粉中表达的己糖转运蛋白启动子,并进行了表达特异性分析及GUS组织表达。可以为黄瓜或是其它作物创制雄性不育系和分子辅助育种提供理论基础。通过对国内外专利文献、期刊杂志及其他公开发表的文献(如互联网)进行检索,本发明在国内外未见报道,我们也未公开发表涉及本发明内容的文章,本发明在国内外公众未知。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种花粉特异性启动子,该启动子具有如序列表SEQ IDNO:3所示的核苷酸序列。
本发明所提供的启动子来源于葫芦科甜瓜属黄瓜(Cucumis sativus L.)品种新泰密刺的己糖转运蛋白,该蛋白名称为CsHT11(Hexose Transporter),其启动子名称为CsHT11P,所述黄瓜己糖转运蛋白具有如序列表SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列,编码该蛋白的基因具有如SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列。通过启动子元件分析,发现其含有CAATBOX1、ROOTMOTIFTAPOX1、OSE2ROOTNODULE元件,这些都是器官或组织特异元件。
含有上述启动子的重组表达载体、转基因细胞系和重组菌也属于本发明的保护范围。
可用现有的植物表达载体构建含有CsHT11P启动子的重组表达载体。所述植物表达载体包括双元农杆菌载体和可用于植物微弹轰击的载体等,如pCAMBIA3301、pCAMBIA1300、pBI121、pBin19、pCAMBIA2301、pCAMBIA1301-UbiN、PDR196或其它衍生植物表达载体。携带有本发明启动子编码基因的表达载体可通过Ti质粒、Ri质粒、植物病毒载体、直接DNA转化、显微注射、电导、农杆菌介导等常规生物学方法转化到植物细胞或组织中。此外,可以有目的地使用CsHT11P启动子序列重组目标基因,使目标基因在花粉中特异表达。
本发明通过表达分析发现己糖转运蛋白CsHT11特异在黄瓜花粉和伸长的花粉管中表达,克隆CsHT11P启动子序列,构建CsHT11p-pBI121表达载体并侵染拟南芥,发现遗传转化植株能特异地将外源基因如GUS基因在拟南芥花粉中表达,实验结果说明该启动子具有调控外源基因特异表达于植物花粉中的作用,可以用来创制雄性不育系,应用于杂种优势的生产,节约劳动成本。
附图说明
图1为CsHT11在黄瓜不同组织中的表达。R:根;S:茎;L:叶;Pe:叶柄;Ff:雌花;MF:雄花;Ca:果柄;Fr:果实。35cycle和18cycle为扩增的循环数。
图2为CsHT11在黄瓜雄花不同部位不同发育时期的表达。S9-S12为雄花开花前时期划分,0DAA为开花当天,时期划分依据来源于(Bai et al.2004),Mf:雄花;A:花药;Pa:花瓣;P:花粉;Pt:花粉管;Cy:花萼。
图3为CsHT11P启动子的琼脂糖凝胶电泳检测结果。
图4为CsHT11p在拟南芥花序中的GUS活性检测。GUS基因在不同时期花药中都有明显表达,图为体式显微镜拍摄的照片,Bar=1mm。
图5为CsHT11p在拟南芥花药中的GUS活性检测。GUS基因特异在花粉中表达,图为光学显微镜拍摄的照片,Bar=20μm。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1、黄瓜不同组织中CsHT11基因的表达分析
前期通过葫芦科数据库公布的黄瓜基因组数据,找到黄瓜己糖转运蛋白CsHTs家族成员共16个,对这16个家族成员进行初步表达分析,发现其中CsHT11具有组织特异性表达,于是决定对CsHT11的时空表达进行一个全面的分析。所述黄瓜己糖转运蛋白CsHT11的氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示,编码该蛋白的核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示。
取样:选取初瓜期的黄瓜植株(新泰密刺)的根、茎、叶、雌花、雄花、果实、果柄,以及不同发育时期的雄花(S9、S10、S11、S12)(Bai et al.2004)、花药(S10、S11、S12)(Bai etal.2004)、开花当天的花粉、花粉培养后萌发的花粉管、花瓣、花萼等样品。分别提取上述样品的总RNA,经1%琼脂糖凝胶电泳检测RNA的完整性后反转录得到cDNA第一链,以此cDNA为模板。根据从黄瓜基因组数据库中比对到的CsHT11基因的参考序列,用Primer Premier 5软件设计引物:正向引物-5'ATGGCTGGAGGAGGATTTG 3'和反向引物-5'TACGGGTGATGACAGAGGC 3',以18s rRNA作为内参,正向引物-5'GCCCGTTGCTCTGATGAT3',反向引物-5'AGCGTAGGCTTGCTTTGA3'进行RT-PCR分析。
图1显示CsHT11基因只在黄瓜雄花中表达,在黄瓜其它组织部位中没有表达。进一步对不同发育时期的雄花进行细分发现CsHT11主要在发育后期(S12时期)的雄花中有明显表达,在剥离的花药中显示该基因主要在第10到第12时期的雄花花药中表达,且表达量随花粉发育成熟而逐渐增加。最后发现该基因在开花当天的花粉和伸长的花粉管中表达最显著,而在花瓣和花萼中几乎没有表达(图2)。
实施例2、CsHT11p启动子克隆
1.基因组DNA的获取
1)称取黄瓜新鲜叶片约0.2-0.5克,加液氮快速研磨成粉末状,转移至2ml灭菌后的离心管中。
2)加入1ml 65℃预热的2%的CTAB(Tris-HCl 100mL/L;NaCl 1.4M;EDTA-Na2
20mM;β-ME 0.4%;Pvp(聚乙烯吡咯烷酮)0.2%;CTAB 2%)溶液中,颠倒混匀后,置于65℃中水浴1小时。期间,倒转离心管数次。
3)25℃,12000rpm离心10分钟。
4)吸取上清液到新的2ml离心管中。
5)加入与第4步等体积的氯仿/异戊醇(24:1)并颠倒混匀,12000rpm(4℃)离心15分钟。可选:为了充分去除蛋白,可以吸出上清后再加等体积氯仿/异戊醇(24:1)抽提一次。
6)小心吸取上清液,加入到已加入两倍体积-20℃预冷的无水乙醇的2ml离心管中,充分静置至白色团状沉淀出现。
7)4℃冷冻离心机中10000g离心2min,弃上清液;
8)用70%的乙醇冲洗两次后,再用无水乙醇冲洗一次,用枪头洗净液体,最后放在超净工作台上吹干。
9)加入约50ul的含RNA酶1×TE缓冲液或碱性的ddH2O溶解DNA,37℃孵育1h,去除RNA。
2.引物设计
根据黄瓜基因组数据得到CsHT11启动子的参考序列,用Primer Premier 5软件设计引物。
CsHT11pF:5'-CTTAATTCCACATTTGCCTTCT-3'(SEQ ID NO:4)
CsHT11pR:5'-CTCCCTGTGAACTTGACTTT-3'(SEQ ID NO:5)
3.PCR扩增
1)反应体系
2)反应程序
94℃预变性3min,然后94℃变性30s,56℃复性30s,72℃延伸2min,共35个循环,最后72℃延伸5min。
4.鉴定
采用1.5%琼脂糖凝胶电泳对扩增产物进行检测,结果如图3所示,在1000bp左右的位置,出现了目的条带,对目的条带进行切胶回收后连接到测序载体中并转化到大肠杆菌里进行筛选单克隆,挑选4-5个阳性单克隆送到擎科创新生物科技有限公司进行测序。经过序列比对发现多个阳性克隆所测得的序列完全一致,序列长度为1086bp。
5.启动子元件分析
1)分析方法
通过以下启动子预测软件进行分析:
PlantCARE
(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg);
PLACE(http://www.dna.affrc.go.jp/PLACE/)
2)分析结果
表1显示,该启动子含有CAATBOX1、ROOTMOTIFTAPOX1、OSE2ROOTNODULE元件,这些是器官或组织特异元件。
表1 CsHT11基因启动子元件分析
实施例3、pBI121-CsHT11p表达载体构建
1.引物设计
上游引物:
pBI121-CsHT11pF:5'-GACCATGATTACGCCAAGCTTCTTAATTCCACATTTGCCTTCT-3'
下游引物:pBI121-CsHT11pR:5'-
GGACTGACCACCCGGGGATCCCTCCCTGTGAACTTGACTTT-3'
(波浪线部分为pBI121载体Hind III、BamH I重组接头引物)
2.pBI121-CsHT11p扩增、连接、转化及鉴定
1)PCR扩增(同1.3.PCR扩增)
2)载体酶切
3)基因与线性化载体连接
4)大肠杆菌感受态转化
配制含有载体抗性-卡那霉素的固体LB培养基。
转化步骤:
a)在超净工作台中,取50μL大肠杆菌感受态细胞于灭菌的1.5mL离心管中,然后加10μL连接产物。轻轻吸打混匀,立即冰浴25min。
b)42℃水浴90s,勿摇动,之后快速冰浴2min。
c)在超净台中加入500μL液体LB培养基(不加抗生素),混匀。37℃,200rpm摇床培养1h,使细胞复苏。
d)在超净工作台中操作,每个平板涂约100-150μL转化菌,用涂布器将菌液均匀的涂布在固体LB平板上。
e)将封好口的平板倒置于37℃培养箱中培养10-13小时。
5)菌落PCR鉴定
挑取单克隆菌斑接入800μL液体LB培养基(含抗生素)中37℃摇床培养,对摇浑的菌液进行PCR鉴定。将鉴定出目的条带的菌液送到测序公司进行测序并将测序结果准确的菌液进行扩繁,用于保存和提起pBI121-CsHT11p重组质粒,备用。
实施例4、pBI121-CsHT11p重组质粒转化农杆菌
1.感受态制备(冻融法)
(1)挑取农杆菌GV3101单菌落接种于约10mL含有70mg/L利福平的YEB液体培养基中,于28℃,200rpm摇床中过夜。
(2)OD600>1时,吸取少量培养物转接到50mL新的液体YEB中培养至OD600为0.5左右。
(3)将OD600=0.5的培养物冰浴30min后于4℃,5000rpm离心5min,弃去上清液。
(4)用10mL 0.1M冰冷的NaCl溶液悬浮菌体。
(5)4℃,5000rpm,离心5分钟,弃掉上清。
(6)最后用1mL 20mM冰冷的CaCl2溶液悬浮菌体并按200μL/管分装到2mL离心管中,用液氮速冻后置于-80℃超低温冰箱保存备用。
2、冻融法转化农杆菌
(1)从-80℃超低温冰箱中取出农杆菌感受态细胞置于冰上冻融。
(2)向感受态细胞中加入1-2g pBI121-CsHT11p重组质粒DNA,轻弹混匀后,冰浴45min,液氮速冻1min,37℃水浴3min(水浴过程中勿晃动菌体)。
(3)水浴完成后加入1mL无抗生素的YEB液体培养基,于28℃,200rpm摇床培养3h。
(4)12000rpm离心1min以浓缩菌液,300-500μL YEB液体培养基回溶菌体。
(5)将上述回融菌体涂布于含有50mg/L Kan,50-70mg/L Rif的YEB固体培养基上。28℃暗培养2-3天。
(6)固体培养基上能够长出农杆菌单克隆菌斑,初步说明转化成功,进一步挑斑进行PCR鉴定。
在侵染拟南芥之前,将鉴定正确的转化农杆菌保存在-80℃冰箱中备用。
实施例5、拟南芥的遗传转化和抗性筛选
1、待转化植株的培养
(1)种子消毒:70%乙醇消毒1分钟后再用3%次氯酸钠溶液震荡消毒15-20分钟;吸去次氯酸钠,用无菌蒸馏水清洗3次;将消毒清洗干净的种子均匀撒播于MS固体培养基上(超净台内操作)。
(2)低温春化:将播下种子的MS培养板放到4℃冰箱中放置2-3天。
(3)将春化完成的MS培养板放置在23℃/20℃(白天/黑夜)光照培养箱8h/16h(光照/黑暗)中培养,待幼苗长出3~5片真叶后,进行分苗移栽。(4)诱导抽薹开花:待短日照条件下生长的幼苗长出8-12连坐叶以后将培养箱的光照条件改成16h长光照诱导抽薹开花。当大多数植株第一个花序形成后可剪去第一个花序,解除顶端优势,促使多个次生花序的出现。当大多数花序约2~10cm高时准备浸润。
2、农杆菌的培养
取出-80℃保存的鉴定正确的pBI121-CsHT11p农杆菌的甘油菌,吸取少量菌液接种于50-100mL无菌YEB液体培养基中(含75mg/L利福平和100mg/L卡那霉素),28℃恒温下200rpm振摇过夜培养使农杆菌的浓度达到OD600=1.0-1.8,然后在4℃下5000rpm离心15min,弃去上清液后用浸染液(该浸染液只含有5.0%的蔗糖和0.05%[500μL/L]的SilwetL-77)重悬农杆菌,悬浮液OD600约0.8。
3、花序的浸润
将上述菌体悬浮液放入口径约为9cm的培养皿(30~50mL/皿)中,将带花序的拟南芥植株倒转,使花序全部浸没在农杆菌悬浮液中5~60s(侵染时间依植株长势而定,植株长势弱应缩短侵染时间,以免花序死亡,长势好可以适当延长,提高侵染率)并要轻轻搅动。浸润过的植株可以倒放在塑料盘中,用干净的塑料或保鲜膜覆盖以保湿,然后放置在暗处过夜。处理约12~24h后去掉覆盖。长光照培养植株,植株进一步生长3~5周,直至角果变褐变干,收获种子。注:长势好的植物可以侵染2-3次,每次侵染时间间隔7-10天,每次侵染完需要浇足水促进抽薹。
4、抗性种子的筛选
将收获的种子消毒后均匀撒播在含50mg/L卡那霉素的MS固体培养基上,低温春化过后,放到光照培养箱中培养,15-20天之后,能够长出墨绿色真叶并且发出长根的小苗说明具有卡那霉素抗性,将抗性苗移栽到营养钵当中培养成株。
5、转基因植株的鉴定
采用SDS法提取拟南芥基因组DNA:剪取适量叶片放入1.5mL离心管中,加入100μlDNA提取液(100mM NaCl,100mM Tris base,100mM硼酸,100mM Na2EDTA,10%(w/v)SDS,pH=7.5),用研磨棒研烂叶片后,60~80℃水浴10min,冰浴10min,12000rpm离心10min,吸取10μl上清并用ddH2O稀释10倍后用1μl做模板进行PCR鉴定。
经过筛选鉴定,获得了含有pBI121-CsHT11p的阳性拟南芥植株。
实施例6、GUS组织化学染色
将T1代pBI121-CsHT11p转基因拟南芥的各个组织放入离心管或小烧杯中,加入适量GUS染液,真空泵抽真空5min后,置于37℃培养箱过夜,之后用70%-80%乙醇脱色数次,至阴性对照材料呈白色。肉眼或显微镜观察GUS表达情况,白色背景下的蓝色即为GUS表达部位。体式显微镜和Olympus BX53光学显微镜下拍照记录染色结果。
图4显示在转基因拟南芥的花序中,只有花药变成了蓝色,说明GUS基因特异在花药中表达。进一步放大花药进行观察发现CsHT11p启动的GUS基因特异在拟南芥花粉中表达(图5),说明该启动子具有启动基因特异在花粉表达的特性。
序列表
<110> 华中农业大学
<120> 一种花粉特异性启动子及其应用
<160> 5
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1548
<212> DNA
<213> 黄瓜(Cucumis sativus L.)
<400> 1
atggctggag gaggatttgt tgctgaaggg agatcaggaa ggaactatga aggaggagtg 60
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tttgtgttga taatgacggt gtttatatat ttcttcttgc cggagacaaa gaatgtgccg 1440
attgaagaaa tgaatagagt gtggaaggcg cattggtttt gggggaagta cattcccgac 1500
gaggtgatca ttggcggccc tgtggggaag catgacgacg atgcttaa 1548
<210> 2
<211> 515
<212> RNA
<213> 黄瓜(Cucumis sativus L.)
<400> 2
<210> 3
<211> 1086
<212> DNA
<213> 黄瓜(Cucumis sativus L.)
<400> 3
aacatacgtt gagtttttga ttccgggttg gggtttctac aggacgtaac ataagggact 60
gaccacccgg ggatccctcc ctgtgaactt gacttttccc cattcttcac ttctcttctt 120
atataccctt ttccacttct ccatttttag tatttctttt ccccatttta ttatcttact 180
gttcaaacaa tattatcctc tgtctcaact ttgaaaatct tcttcctatt aattaccctc 240
catttttaag accaattcct gtggattctc tttattttag cagaactgct ttcccatttt 300
tcctattttt gggatattta tcatatcata catttactca ttatcttctt tcttcctttt 360
tttcagattt agttggcaga tttgcttctg tccaaattca acttatttca ttaaccaaaa 420
tgaaaggtgt tcgagttatt accacaattc ttatccctta gttgttgtct tataaagtat 480
aaaaattgta ttatcttaat agtgtatcat ccaaatgaat tacactgtat tttactcaaa 540
aacatagtgt tcatatatac tgcttgtgtc ctgttgaggt tgaaaaaggc taaacttgtg 600
ttttgatata cttctcaagt catgttaagg ttaagaaatg aaatttttat caagaaagta 660
acgaaatttt ttaaagctga attcaaatga gtgccgaatt tgatcaaata atgcaagaac 720
atgatcgttg tatttaaaat aatggatagt ttttttaagc ctaagtgtta aatcaataat 780
attcattaaa attagtagag aacagtgaag atcctaaagt gaaaagtgaa gctatttgta 840
tagctactaa taaatttgaa aaattttgaa tttcttgtta ggcatgacta tatttcatga 900
tatccaattc attcatatat ttaaaattga ttttattcag aacataaatc tatccaataa 960
aaaatattcg tagttataaa atacttaaat tatatatatt atctatttaa acacaaaatg 1020
tataacaaaa atattcaata gaatggaaaa tggggtgata tggatggaga ggatgcctag 1080
aggaac 1086
<210> 4
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 4
cttaattcca catttgcctt ct 22
<210> 5
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 5
ctccctgtga acttgacttt 20

Claims (8)

1.一种花粉特异性启动子,具有如SEQ ID NO:3所示的核苷酸序列。
2.含有权利要求1所述花粉特异性启动子的重组表达载体。
3.含有权利要求1所述花粉特异性启动子的转基因细胞系。
4.含有权利要求1所述花粉特异性启动子的重组菌。
5.权利要求1所述的启动子、或权利要求2所述的重组表达载体在调控外源基因特异表达于植物花粉中的应用。
6.一种调控外源基因特异表达于植物花粉中的方法,其特征在于包括以下步骤:将权利要求2所述的重组表达载体通过转基因的手段表达于植物中,得到能将外源基因特异表达于花粉中的转基因植物。
7.扩增权利要求1所述启动子的引物。
8.根据权利要求7所述的引物,其特征在于具有以下核苷酸序列:
正向引物CsHT11pF:5'-CTTAATTCCACATTTGCCTTCT-3'
反向引物CsHT11pR:5'-CTCCCTGTGAACTTGACTTT-3'。
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