CN111088239B - 玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7、其编码基因及应用 - Google Patents

玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7、其编码基因及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7、其编码基因及应用,旨在筛选鉴定出能够响应高温的CDPK并明确其功能的技术问题。本发明筛选出了一种玉米蛋白激酶ZmCDPK7和编码ZmCDPK7基因,并设计了其基因扩增引物,及表达载体。该ZmCDPK7或其编码基因能够应用于玉米高温抵制调控中,还可应用于耐高温玉米品种的选育。本发明首次筛选并确证了玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7基因能够增强玉米耐高温胁迫的生物学功能,为玉米抗高温育种提供了新的技术途径。

Description

玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7、其编码基因及应用
技术领域
本发明涉及分子生物学技术领域,具体涉及一种玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7、其编码基因及应用。
背景技术
玉米是我国第一大粮食作物,产量与种植面积均居粮食作物之首,在国家粮食安全中发挥着重要作用。但近几年高温热害频发对全国玉米生产带来严重损失。玉米生殖生长的最适温度为25~28℃,较高温度可加快其生长和发育,缩短其生育期,但极端高温可阻碍其生长和发育,如32℃以上的高温不利于其干物质积累,而连续超过5天35℃以上的高温会严重影响玉米开花、授粉与灌浆,出现秃尖、满天星、空杆等畸形穗现象。
研究预测全球平均气温每升高1℃,玉米产量将会降低7.4%。面对高温对玉米生产带来的严峻考验,解决这一问题最基本、最有效的手段是选育和推广耐高温玉米新品种,而当前玉米育种工作的成效主要取决于玉米耐高温新种质的鉴定与优异基因资源的挖掘与利用。
截至目前,国内外农作物育种所取得的突破性成绩无不与重要基因的发现与利用密切相关。玉米耐热性是复杂的数量性状,筛选优异耐高温自交系、了解其遗传规律并鉴定功能基因是耐高温育种的关键环节。
因此,在全基因组水平上开展耐高温性状重要基因的挖掘,对关键调控基因进行功能解析并加以利用,不仅可促进现代生物技术与常规育种的有机结合,推进玉米育种从“经验育种”向“精准育种”转变,而且可为培育耐高温玉米品种提供重要的基因资源与技术支撑,从而为分子育种以及基因组选择育种奠定坚实的基础。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何筛选鉴定出能够响应高温的ZmCDPK,并明确其功能,为培育出一批综合抗性突出、适应性广的优良玉米新品种提供候选基因资源,以促进我国玉米生产的发展。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
经过长期大量的试验研究,发明人筛选出了一个在高温胁迫条件下显著表达的蛋白激酶ZmCDPK7,其氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示;编码ZmCDPK7基因的DNA序列如SEQ IDNO.2所示。并通过分析研究发现在其启动子区域中包含有响应ABA和高温胁迫的顺式作用元件。
并且提供了一种能有效扩增编码ZmCDPK7的基因的引物,其碱基序列为:
ATGGGCAACTGCTGCGTAAC或CTACTGCGTACTCTCCATCT。
设计了一种装载有所述DNA序列的表达载体。
通过瞬时过表达和RNAi技术证明了ZmCDPK7在玉米抵制高温胁迫伤害中的作用,所述ZmCDPK7或其编基因能够应用于玉米高温抵制调控中。
编码ZmCDPK7的基因应用在耐高温玉米品种的选育中。即:构建超表达ZmCDPK7的表达载体,利用农杆菌介导的玉米成熟胚原位转化法将该表达载体转化玉米,经筛选后获得T0代阳性植株,再自交至T2代并得到了转基因植株的果穗。
与现有技术相比,本发明的主要有益技术效果在于:
1.本发明首次筛选并确证了ZmCDPK7基因能够增强玉米耐高温胁迫的生物学功能,为玉米抗高温胁迫育种提供了新的技术途径。
2.本发明解析了ZmCDPK7基因在玉米耐高温胁迫伤害作用机制,为玉米生产中解决高温胁迫伤害、选育耐高温新品种提供了新的优异候选基因。
3.本发明从分子生物学层面探明了玉米高温胁迫的作用机制,为从基因调控、分子育种等方面探求解决玉米受高温胁迫伤害奠定了坚实的技术基础。
附图说明
图1为ZmCDPK家族的进化树分析图。
图2为筛选出ZmCDPK7启动子区域的顺式作用元件的预测图。
图3为瞬时过表达、沉默ZmCDPK7在高温胁迫下对玉米中sHSP17.4、sHSP70、APX和CAT基因的表达量,MDA和H2O2的含量及CAT和APX的活性对比图;
图中,CK为对照;H为原生质体高温胁迫处理;OE-ZmCDPK7+H为原生质体经转化过表达载体OE-ZmCDPK7之后高温胁迫处理;RNAi-ZmCDPK7+H为原生质体经转化ds-ZmCDPK7之后高温胁迫处理;平均值为±SE(n=6),同一字母表示的均值在P<0.05时无显着性差异。
图4为qPCR检测转基因株系ZmCDPK7的表达量对比图。
图5为玉米ZmCDPK7的过表达转基因材料的获得、表型鉴定对比照片。
图6为玉米CRISPR-Cas9的沉默转基因材料的获得、表型鉴定对比照片。
图7为检测ZmCDPK7的过表达和CRISPR-Cas9沉默转基因植株在高温胁迫下对玉米中的MDA、H2O2含量的影响、对抗氧化防护酶APX和CAT的影响和光合速率影响对比图。
图8为ZmCDPK7的过表达和CRISPR-Cas9沉默转基因植株在高温胁迫下对玉米中的sHSP17.4、HSP70、APX、CAT、RBOHA、RBOHB、RBOHC和RBOHD基因的表达量对比图;
图中,WT-H为经高温胁迫处理的野生型;OE1-H、OE2-H、OE3-H为经高温胁迫处理的3种过表达株系的;C1-H、C2-H、C3-H为经高温胁迫处理的3种敲除株系;平均值为±SE(n=6),同一字母表示的均值在P<0.05时无显着性差异。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式,但以下实施例只是用来详细说明本发明,并不以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明,均为常规仪器设备;所涉及的试剂如无特别说明,均为市售常规试剂;所涉及的试验方法,如无特别说明,均为常规方法。
实施例1:玉米中高温响应白激酶CDPK7的鉴定
(1)玉米CDPK家族的进化树分析
研究发现,钙依赖蛋白激酶(CDPKs) 是一个具有丰富功能的大家族,其在调控植物的生长、发育、应激反应中起着重要的作用,是参与调控不同细胞生物学过程的多功能激酶。当前,CDPK家族功能多样化,命名没有固定标准,不同物种的不同成员功能和机制也不尽相同。在香蕉中,CDPKs参与抗寒功能;在水稻中,CDPKs参与干旱、盐渍等胁迫相应。
玉米CDPK家族成员的鉴定,在一些文献中已经有过报道,例如,CDPK10CDPK30在玉米原生质体中被鉴定为ABA诱导型HVA1启动子的正向调节因子的CDPK。在水稻中过表达OsCDPK21,可以提高植株对盐胁迫的耐受能力以及对ABA的敏感性。玉米中虽然已发现了几十种CDPKs,但目前对于玉米中响应高温胁迫的CDPK及其功能解析并无报道。
因此,本发明人基于长期以来在玉米抗性基因研究方面的经验,也对CDPKs家族与玉米高温抗性的关系进行了持续的跟踪研究。
比如,基于NCBI基因数据库,对玉米中的CDPK家族成员进行了筛选鉴定。其中,参照拟南芥和水稻的CDPK蛋白质序列在NCBI上(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)对玉米的基因数据库进行BLAST检索,通过反复的序列比对,从玉米基因库中初步筛选鉴定了40个ZmCDPKsZmCDPK1-ZmCDPK40)。
进一步分析得到了每个ZmCDPK的基因组序列、cDNA序列以及启动子序列。借助DNAMAN软件对40个ZmCDPKs的氨基酸序列进行比对,并运用MEGA5中的邻接法(NJ)构建了系统发育树(见图1)。综合分析研究了系统发育树和氨基酸序列比对的结果,设计了用于q-PCR的基因特异性引物(见表1),通过实时定量PCR,研究分析它们在高温胁迫下的表达情况。
表1 引物序列
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
qPCR分析研究结果显示,在40个ZmCDPKs中,包括ZmCDPK7等在内的7个ZmCDPKs的表达受高温胁迫诱导,其中ZmCDPK7最为显著。
(2) ZmCDPK7的启动子分析
ZmCDPK7的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示,DNA序列如SEQ ID NO.2所示。
在NCBI 确定ZmCDPK7的基因组序列及其转录起始位点,截取转录起始位点上游的2 kb序列,即为ZmCDPK7的启动子序列,如SEQ ID NO.3所示。
将启动子序列放入PlantCARE(http://bioinformatics.psb.ugent.be/ webtools/plantcare/htmL)数据库中,结果如图2所示,ZmCDPK7显示与非生物胁迫相关的高温响应元件(CCAAT-box)和ABA响应元件(ABRE)。
以上分析研究结果表明,ZmCDPK7具有响应高温,并且与植物的非生物胁迫特别是高温胁迫有关。
实施例2: ZmCDPK7的耐高温功能验证
热休克蛋白(HSPs)是重要的分子伴侣,在胁迫条件下维持蛋白质的可溶状态,使解折叠的蛋白质重新折叠成有活性的构象,在提高植物对干旱、高温等胁迫的应激能力上起着关键的作用。丙二醛(MDA)含量是植物细胞膜质过氧化程度的体现,丙二醛含量高,说明植物细胞膜质过氧化程度高,细胞膜受到的伤害严重。而H2O2含量的积累,可以直接或者间接地氧化细胞内核酸、蛋白质等生物大分子,并使细胞膜遭受损害,从而加速细胞的衰老和解体。过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸酶(APX)可以清除H2O2,是植物体内重要的酶促防御体系之一。
为确定ZmCDPK7是否参与玉米对高温的抵制,利用原生质体RNAi干扰技术,将过表达载体OE-ZmCDPK7ZmCDPK7的双链RNA和蒸馏水分别转化入玉米叶片原生质体中,室温孵育12h,然后在高温胁迫(38℃)下孵育30 min。
利用qRT-PCR(引物序列见表1)检测在高温胁迫下原生质体中sHSP17.4、sHSP70、APX和CAT基因的表达,并测定MDA和H2O2的含量及CAT和APX的活性。
结果如图3所示,过表达ZmCDPK7后,显著诱导了高温诱导的HSP基因表达的增加,但显著抑制了高温诱导的H2O2和MDA含量的增加,调高了CAT和APX酶的活性;RNAi干扰ZmCDPK7表达后,显著抑制了高温诱导的HSP基因表达的增加,但显著促进了高温诱导的H2O2和MDA含量的增加,降低了CAT和APX酶的活性。
可知,ZmCDPK7参与了玉米对高温的抵制,在玉米中过表达ZmCDPK7,可以促进高温诱导的HSP基因表达、抑制高温诱导的H2O2和MDA含量,提高抗氧化防护酶CAT和APX的活性,进而能有效抵制高温胁迫产生的伤害。
实施例3:耐高温玉米的转化及培育
为了进一步探究ZmCDPK7的功能,将其在玉米中过表达和敲除。
构建pFGC5941-ZmCDPK7CRISPR-Cas9-ZmCDPK7载体,利用农杆菌介导的玉米成熟胚原位转化法将pFGC5941-ZmCDPK7CRISPR-Cas9-ZmCDPK7载体分别转化玉米,经除草剂筛选后获得T0代阳性植株,再自交至T2代并得到了转基因植株的果穗。
对T2代转基因株系,利用Basta草铵膦基因为标记进行转基因株系的筛选,并使用qPCR(引物序列见表1)和测序对ZmCDPK7的基因进行检测(见图4),筛选出三个表达量较高的株系(OE-1、OE-2和OE-3)和三个表达量明显下调的株系(C-1、C-2和C-3)。
高温处理6个株系,孵化箱内高温处理为44℃/14h、35℃/10h,连续处理5天,直到有明显的表型差异;大田高温处理为在所种植的小区搭建密封的塑料大棚,连续处理5天。
检测上述6个株系在高温处理下的表型,结果如图5和图6所示。
结果如图5所示,高温胁迫下过表达ZmCDPK7的3个转基因植株的表型明显强于其野生型,在高温胁迫下显现出了更强的耐性;而图6的结果也显示 ,在高温胁迫下敲除ZmCDPK7的3个转基因植株的表型性明显弱于其野生型。利用qRT-PCR(引物序列见表1)在高温胁迫下原生质体中sHSP17.4、sHSP 70、APX和CAT基因的表达,并测定MDA和H2O2的含量及CAT和APX的活性。
结果如图7和图8所示,高温胁迫下过表达ZmCDPK7的转基因植株的耐高温性明显强于其野生型;敲除ZmCDPK7的转基因植株的耐高温性明显弱于其野生型。并且,在过表达ZmCDPK7株系中,显著诱导了高温诱导的HSP基因和RBOH基因表达的增加,但显著抑制了高温诱导的H2O2和MDA含量的增加,调高了CAT和APX酶的活性;但却在敲除ZmCDPK7的转基因植株正好与之相反。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明,但是,所属技术领域的技术人员能够理解,在不脱离本发明宗旨的前提下,还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更,形成多个具体的实施例,均为本发明的常见变化范围,在此不再一一详述。
SEQUENCE LISTING
<110> 河南农业大学
<120> 玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7、其编码基因及应用
<130> 2019
<160> 5
<170> PatentIn version 3.2
<210> 1
<211> 539
<212> PRT
<213> Zea mays
<400> 1
Met Gly Asn Cys Cys Val Thr Pro Asn Gly Ala Ala Asp Ala Gly Gly
1 5 10 15
Gly Lys Lys Pro Lys Glu Pro Lys Gln Lys Lys Gly Lys Lys Pro Asn
20 25 30
Pro Phe Ser Ile Glu Tyr Asn Arg Ser Thr Pro Ala Ser Ala Pro Arg
35 40 45
Leu Val Val Leu Arg Glu Pro Thr Gly Arg Asp Ile Ala Glu Arg Tyr
50 55 60
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Cys Thr Asp Arg Ala Ser Gly Glu Ala Leu Ala Cys Lys Ser Ile Ser
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Lys Lys Lys Leu Arg Thr Pro Val Asp Val Glu Asp Val Arg Arg Glu
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Arg Asp Thr Tyr Glu Asp Asp Asn Ala Val His Leu Val Met Glu Leu
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Cys Glu Gly Gly Glu Leu Phe Asp Arg Ile Val Ala Arg Gly His Tyr
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195 200 205
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Tyr Gly Pro Glu Val Asp Val Trp Ser Ala Gly Val Ile Leu Tyr Ile
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Leu Leu Cys Gly Val Pro Pro Phe Trp Ala Glu Ser Glu Gln Gly Val
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Ala Gln Ala Ile Ile Arg Ser Val Ile Asp Phe Lys Arg Asp Pro Trp
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Pro Asp Pro Lys Arg Arg Leu Thr Ala Gln Gln Val Leu Asp His Pro
305 310 315 320
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325 330 335
Val Lys Ala Arg Leu Gln Gln Phe Ser Val Met Asn Lys Phe Lys Lys
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355 360 365
Asp Ile Lys Asp Met Phe Glu Lys Met Asp Leu Asn Lys Asp Gln Met
370 375 380
Leu Asn Phe Asp Glu Leu Lys Leu Gly Leu His Lys Phe Gly His Gln
385 390 395 400
Ile Pro Asp Ala Asp Val Gln Ile Leu Met Glu Ala Ala Asp Ala Asp
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Gly Asn Gly Ser Leu Asp Tyr Gly Glu Phe Val Thr Leu Ser Val His
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Leu Arg Lys Ile Gly Asn Asp Glu His Leu His Lys Ala Phe Ala Tyr
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Phe Asp Arg Asn Gln Ser Gly Tyr Ile Glu Ile Asp Glu Leu Arg Glu
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465 470 475 480
Ile Ile Arg Asp Val Asp Thr Asp Lys Asp Gly Lys Ile Ser Tyr Asp
485 490 495
Glu Phe Ala Ala Met Met Lys Ala Gly Thr Asp Trp Arg Lys Ala Ser
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Lys Asp Gly Ser Leu Gln Met Glu Ser Thr Gln
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ataaataaac cgtatcttaa gaggttctag tgaataatat ataaggccta tatacgttgt 840
gttgtataaa atagtttatt agatgtaact agtgcgtgga gaaccggacc atattatcta 900
ggttgtacat gccttaacaa caaattctcc ttttcctttg aggccattaa agggttgttt 960
gttttcatct caatacatat ggattggagg agatgtgata ggtttaaatc tttagcgcaa 1020
gtcaaagtac ttcataattt tttcaatctt atctgatcta gggctaaaac aagctgaacc 1080
gagccgagga ggctcgactc gactcggctc ggtggtgtgg atcgttgtct cacctagttc 1140
atcttggctc ggctcaaagc tggctcacga gttacacctt aatagataat attgtattat 1200
gtagtgattt aatagtatat aaatgtgaaa aatataatca tcattcaaca ttataacatt 1260
ataagtaata taaattataa attgccgtat atatcatcag aggataaaaa caagtcgcat 1320
atctataaaa ttaaccaata tcaattatta ttctataggt tgattaaatt ggtacaactc 1380
gcgagtcaga acggctctgc ttgttggacc aatgagctcg aaaatcaaac tcgtctcggc 1440
tcgctcgagg ttcgcgaacc gctataaact cgagccagct cgtgagcctc aataactcta 1500
atcccatcta tgctatggga ataaccggac aaaatcctaa taagataaca attcatagga 1560
aaagtaaata ggaaaaataa acctgaattt aaaaagaatg agaaaaaatt aaattaaaat 1620
gaaaacgaga ggagaaaaga aagacgatag gggaagaggg atggcgtgag ccaggcggga 1680
gcgaggtcgt gtttgaccac ctccccctcc gcgtccccgt cgctgctggg cttggcttta 1740
ccactggggc gggttcccac accggggcca gacgccgcca ccgctgtccc cgtctacacc 1800
gagttccccc cgcgcgattt aacccctcgc ctcgctcgct gcctccggtt ccctacaacg 1860
cgcacaccaa acgcgcacgc ggcgttcgtt cctcggccgc tctccctacc cacgtccttc 1920
tccccccaca gatctccgcg ggccgtgagg ttccttgatt cgccttctcc ggggctgccg 1980
gatctccgcggcggctgggg 2000
<210> 4
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 4
atgggcaact gctgcgtaac 20
<210> 5
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 5
ctactgcgta ctctccatct 20

Claims (3)

1.玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7或编码玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7的基因在玉米高温抵制调控中的应用,其特征在于:
所述玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示;
所述编码玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7的基因DNA序列如SEQ ID NO.2所示。
2.编码玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7的基因在耐高温玉米育种中的应用,其特征在于:
所述编码玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7的基因DNA序列如SEQ ID NO.2所示。
3.依据权利要求2所述的应用,其特征在于,包括以下步骤:
构建超表达玉米高温响应蛋白激酶ZmCDPK7的表达载体,利用农杆菌介导的玉米成熟胚原位转化法将所述表达载体转化玉米,经筛选后获得T0代阳性植株,再自交至T2代并得到了转基因植株的果穗。
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