CN111718942A - 一种水稻耐盐相关基因gt3及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水稻耐盐基因GT3,其核苷酸序列如SEQ ID No.1所示;该基因编码的氨基酸序列如SEQ ID No.2所示。所述基因是通过反转录PCR技术从水稻中克隆获得。本发明还公开了所述基因GT3在提高植物耐盐性中的应用,实验证实利用本发明的基因GT3构建植物过表达载体,进行植物转基因操作获得的转基因植物耐盐性得到显著提高,预示本发明的基因GT3实施后将会创造新型耐盐植物,可用于后续的作物品种改良,对我国农业生产具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物耐盐基因及其应用,尤其涉及一种水稻耐盐相关的基因GT3及其在提高植物耐盐性中的应用,属于基因工程技术领域。
背景技术
水稻(Oryza sativa L.)作为一种直接的经济作物,是全世界40%的人口的主要粮食来源,稻田受盐碱化危害日益扩大,严重制约着水稻的正常生长。土壤盐胁迫是一种复杂的环境胁迫,包括渗透胁迫、离子毒害、氧化应激等(Wong et al.,2006)。盐胁迫对植物的影响是多方面的,包括抑制种子萌发、降低植物的生物量、减弱光合作用、扰乱离子的动态平衡、增大细胞膜的透性等方面(郭瑞等,2013;刘倩等,2017)。土壤盐渍化已经成为农业减产的重要生态环境问题。目前全球盐渍化土地约有9.5亿公顷,仅我国就有15亿亩。据联合国2015年发布的《世界土壤资源状况》,全球33%的土地因盐渍化、干旱、侵蚀等等因素出现中度至高度退化。有科学家估计到2050年,50%以上的耕地会发生盐渍化,严重威胁着土地利用率和作物产量,成为制约农作物生产和生态环境建设的严峻问题。
如何科学地开发利用盐渍化土地这一宝贵资源,直接关系到我国农业的发展和环境保护。选育耐盐性好的优良作物品种,并结合盐渍化土地的有效改良,可以提高盐渍化土壤的利用效率。但因我国农作物资源中耐盐特性极其匮乏,仅依靠常规育种技术创制耐盐作物新品种已无法适应盐渍化土地的种植需求。因此,利用分子育种与常规育种相结合,加速耐盐作物新种质的定向改良与创制已成为解决上述问题的关键。为了达成这一目标,从各种植物中挖掘重要的耐盐关键功能新基因和重要调控元件,已经成为利用现代分子设计育种技术培育耐盐农作物新品种的一个重要前提。
目前国内外的研究指出,在盐胁迫环境下,植物将发展出一系列复杂的应对缓解机制,包括以下几个方面:(1)合成渗透调节物质,主要是细胞合成某些有机物质,如脯氨酸、甜菜碱、胆碱、有机酸等(Ashraf et al,2007);(2)提高酶的抗氧化能力,包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)等(Rangani et al.,2016);(3)对离子进行选择性吸收维持pH值的平衡,主要是通过限制Na+进入细胞,并选择性吸收K+来维持组织细胞的高K+/Na+值,以保证细胞的正常生理代谢(Yang et al.,2009);(4)诱导耐逆性相关基因的表达,植物的耐逆性不是由单个基因决定的,而是多个基因共同表达调控的(Ren et al.,2010;Xu and Tuyen,2012;Wei et al.,2017),包括遗传学和表观遗传学层面上的基因调控,不同的基因通过调控不同的代谢途径均可提高植物的耐逆性。目前人们发现的植物耐盐关基因主要包括四大类:a.合成渗透保护物质的相关基因,b.离子转运蛋白的相关基因,c.抗氧化相关基因,d.信号转导相关基因(包括转录因子等等)。虽然目前的研究已经发现了许多耐盐相关基因,可以通过参与不同的信号途径在一定程度上调控植物对逆境的耐受性,然而,单一基因或单一途径的耐逆效果往往是有限的,还需要独辟蹊径,进一步挖掘和探索对不同逆境适应性具有广泛作用的新基因和新途径。
如今,植物的耐盐基因及其应用研究主要来自于模式植物拟南芥,对重要粮食作物水稻耐盐基因的发现很少。研究水稻耐盐性对提高盐胁迫土壤稻谷产量和品质具有重要作用,而水稻耐盐基因的发掘也成为目前水稻遗传资源与品种改良研究的热点。因此,从水稻中克隆并鉴定具有耐盐功能植物基因,明确这些基因发挥耐性的作用机制,从科学层面上有助于加深理解植物耐盐的分子机理,丰富耐盐基因资源;从应用层面上,这些挖掘的新的耐盐基因将被用到水稻等作物新品种培育中,有助于通过遗传操作手段改良水稻,提高抗逆能力。
基于此,申请人也从水稻克隆了诸多耐盐相关的基因序列,并经过实验研究筛选确定了一段与耐盐相关的基因序列,命名为水稻耐盐基因GT3,同时证明了该基因序列能够增强植物的耐盐能力。经过检索,有关水稻耐盐基因GT3及其在提高植物耐盐性的应用未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明要解决的问题是提供一种水稻耐盐相关的基因GT3及其在提高植物耐盐性中的应用。
本发明所述的水稻耐盐相关基因,其特征在于:所述基因命名为水稻耐盐基因GT3,其核苷酸序列如SEQ ID No.1所示;该水稻耐盐基因GT3编码的氨基酸序列如SEQ IDNo.2所示。
本发明还提供了所述的水稻耐盐基因GT3在提高植物耐盐性中的应用。
其中:所述植物优选是禾本科植物或十字花科植物。
最优选的实施方式是:所述禾本科植物是水稻、玉米、小麦、高粱和燕麦,所述十字花科植物是拟南芥、芥菜、油菜、白菜或甘蓝。
本发明提供的水稻耐盐基因GT3序列能够显著增强植物的耐盐能力。
利用SEQ ID No.3和SEQ ID No.4所示的引物序列,通过RT-PCR技术从水稻中克隆出耐盐基因GT3,然后利用该基因构建植物过表达和突变体载体,进行植物转基因操作,可获得转基因植物。
实验结果显示本发明提供的水稻基因GT3可以显著提高转基因植物的耐盐性(见附图1、附图2、附图3、附图4)。预示本发明提供的水稻基因GT3实施后将会创造新型耐盐植物,可用于后续的作物品种改良,对我国农业生产具有重大意义。
附图说明
图1.转基因水稻经过盐处理后表型分析。
其中:WT为水稻野生型对照株系;gt3ko1和gt3ko2为水稻GT3基因的两个突变体株系;GT3OE1和GT3OE2为水稻GT3基因的两个过表达体株系。
其中:左侧为不浇盐水的对照组,右侧是浇300mMNaCl的实验组。结果发现,未经盐水处理的对照组,野生型、突变体和过表达转基因株系长势一致,差异不明显。盐水处理以后,突变体几乎全部出现萎蔫,野生型只部分出现萎蔫,而两个过表达转基因株系几乎无萎蔫现象,与对照差异很明显。这说明GT3基因过表达之后明显增强了植株的抗盐性。
图2.盐胁迫条件下种子萌发率统计图,在不同浓度的NaCl培养基上,GT3的突变体,过表达体转基因株系与野生型种子萌发率的比较。
其中:WT为水稻野生型对照株系;gt3ko1和gt3ko2为水稻GT3基因的两个突变体株系;GT3OE1和GT3OE2为水稻GT3基因的两个过表达体株系。
结果显示在基本MS培养基上,5个株系的萌发率基本上没有差异(左图),但是在添加NaCl的MS培养基上,两个转基因株系GT3OE1和GT3OE2萌发率要高于野生型,而两个突变株系个体gt3ko1和gt3ko2的萌发率低于野生型,并且随着NaCl浓度的提高,与野生型对照的差异更加明显(中图和右图)。这说明GT3基因参与了植物对NaCl的响应,以至于基因过表达以后增强了植株对盐的耐受性,提高了种子的萌发率。
图3.盐胁迫条件下转基因拟南芥根长统计图。
其中:WT为拟南芥野生型对照株系;OE27和OE28为GT3基因过表达的拟南芥转基因株系。
为进一步研究GT3功能,观察了拟南芥的转基因株系与对照株系在不同浓度NaCl条件下生长的根的长度。在基本MS培养基中,转基因拟南芥和野生型株系的根长基本一致,没有差异。但是在含有不同浓度NaCl的MS培养基中,GT3过表达拟南芥株系OE27和OE28的根长明显长于野生型。这说明拟南芥转入GT3基因以后使植物的耐盐性更强,进而加快了植物根系生长。这进一步说明了GT3在增强耐盐性方面的作用。
图4为盐处理后水稻野生型、GT3的突变体与GT3转基因过表达体的叶片经NBT染色的结果以及拟南芥野生型、转基因过表达体叶片经NBT染色的结果。
其中:WT为水稻野生型对照株系(上排)或拟南芥野生型对照株系(下排);gt3ko1和gt3ko2为水稻GT3基因的两个突变体株系;GT3OE1和GT3OE2为水稻GT3基因的两个过表达体株系。OE27和OE28为GT3基因过表达的拟南芥转基因株系。
植物细胞在逆境下通常积累活性氧,进而对植物细胞造成伤害。NBT染色通过检测超氧负离子在植物细胞内的积累量反映植物细胞清除活性氧的能力,染色越浅代表清除活性氧能力越多。由结果可以看出,未处理时,水稻的野生型、突变体与过表达体染色均较浅。在盐胁迫处理以后,各个株系染色程度均有加深,但过表达株系的染色比野生型浅,活性氧积累量较野生型少;水稻GT3突变体染色比野生型更深,活性氧积累较野生型更多。说明在盐胁迫下,GT3可以提高水稻细胞清除活性氧的能力。同样,利用模式生物拟南芥重复这一实验,发现盐胁迫处理后,GT3过表达转基因株系染色比野生型更浅,活性氧积累量少于野生型。进一步验证了GT3可以通过提高细胞清除活性氧的能力来应对盐胁迫的结论。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明内容进行详细说明。如下所述例子仅是本发明的较佳实施方式而已,应该说明的是,下述说明仅仅是为了解释本发明,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对实施方式所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。
下述实施例中涉及的质粒载体、菌株、试剂盒来源:
pBluescript II SK(+)载体(简称pBSK)、植物表达载体pBI121、植物表达载体pUN1301,均购自于北京鼎国生物有限公司。
Cas9载体:购自于杭州百格生物技术公司。
大肠杆菌和农杆菌GV3101:购自于北京Transgene生物公司。
TRIzol试剂盒、反转录试剂盒、高保真PrimeSTAR DNA:购自于大连TaKaRa公司。
其它所使用的材料、试剂等,如无特殊说明,均从商业途径得到。
实施例1:克隆水稻基因GT3
水稻基因GT3具体克隆步骤是:
合成两条寡核苷酸引物。
正向引物为GT3-F:5’-GGATCCATGGGTTCTCTGGGAGCAGCAGGT-3’,
反向引物为GT3-R:5’-GAGCTCCTACGACTCTTTGGCCAGGAGCACGTGG-3’。
利用TRIzol试剂盒提取水稻叶片RNA,使用反转录PCR方法和上述两个引物扩增GT3基因的DNA序列。
RNA反转录
反转录扩增程序:37℃15min,85℃5sec
基因扩增
PCR体系:
PCR扩增程序:
98℃2min;98℃10s;55℃15s,72℃1.5min,30-35cycle;72℃10min。
将扩增的DNA片段用限制性内切酶BamH I和SacⅠ酶切,后连入经过同样的两种酶酶切的pBluescript II SK(+)载体中,构建成中间载体,称为pKGT3。然后用pKGT3载体作为基因模板,使用上述两个引物进行PCR扩增以及限制性内切酶BamH I+SacⅠ双酶切验证,验证GT3序列是否被克隆。后进行克隆序列测定,并进行序列信息与特性分析,确定并命名为水稻基因GT3。
该GT3基因序列为1458bp的DNA片段,其核苷酸序列如SEQ ID No.1所示;该水稻基因GT3的DNA序列编码由485个氨基酸组成的的53.3kDa蛋白,其氨基酸序列如SEQ ID No.2所示。
实施例2:水稻基因GT3的转基因植株获得和耐盐性证明
1.水稻GT3基因的过表达体和突变体制备
(1)水稻过表达体:中间载体pKGT3经过限制性内切酶BamH I和Sac Ⅰ双酶切后,获得带有上述两种限制性内切酶酶切粘性末端的DNA序列。与此同时,用相同的两种限制性内切酶酶切pUN1301载体。将酶切后的DNA片段和酶切后的载体连接,得到以ubiquitin启动子驱动GT3基因过表达的植物表达载体。该载体交给杭州百格生物技术公司,由该商业公司通过转基因技术获得水稻过表达株系。
(2)水稻Cas9突变体:由杭州百格生物技术公司设计Cas9敲除靶点,靶点序列为CCCCGATGCTGAACGTGGCGAAG,得到针对目的基因GT3的Cas9敲除载体。将实验室构建好的GT3敲除载体,交给杭州百格生物技术公司,由该商业公司通过转基因技术获得水稻的Cas9突变体。
2.水稻GT3基因转入拟南芥获得拟南芥过表达体
(1)拟南芥过表达载体构建:中间载体pKGT3经过限制性内切酶BamH I和Sac Ⅰ双酶切后,获得带有上述两种限制性内切酶酶切粘性末端的DNA序列。与此同时,用相同的两种限制性内切酶酶切pBI121载体。将酶切后的DNA片段和酶切后的载体连接,得到以CaMV35S启动子驱动GT3基因过表达的植物表达载体。
农杆菌介导的植物转化
(2)拟南芥过表达体的获得:农杆菌菌株GV3101具有侵染植物和转移基因的能力,故将构建的含有水稻基因GT3的拟南芥过表达载体转入农杆菌菌株GV3101。然后利用浸花法(一种公开的通用方法),使含有GT3基因的农杆菌GV3101浸染拟南芥花蕾。待拟南芥长出的角果成熟之后,收集T1代种子并在筛选培养基(MS基本培养基附加30mg/L卡那霉素)上进行筛选,将能够正常生长的绿色转化苗移栽至营养土中培养。分别收获其T2代种子再进行下一轮的卡那霉素筛选,挑选出绿苗:白苗为3:1的培养皿。将此培养皿上的绿苗移栽,单株收获种子得到T3代。对每一单株的部分种子再使用筛选培养基进行筛选,在筛选培养基上为全绿的株系,即为纯合的过表达转基因株系。
3.转基因植株的分子鉴定
水稻突变体鉴定:对获得的水稻突变体植株提取DNA,利用Cas9靶点上下200bp的引物进行PCR扩增,把扩增的片段送商业公司测序,尽量选取有碱基缺失或者增加的突变株系。
水稻和拟南芥过表达体鉴定:利用反转录PCR方法检测GT3基因在水稻和拟南芥过表达植株中的表达量。分别选取在水稻和拟南芥中GT3表达量高的至少两个株系,进行后续的验证工作。
4.GT3基因的耐盐性功能验证
(1)盐处理后观察水稻植株的生长表型。通过转基因技术获得了水稻GT3基因的两个突变体gt3ko1和gt3ko2,两个过表达体GT3OE1和GT3OE2。在土壤中正常培养各个株系四周,然后对照组继续正常培养,实验组用200mM NaCl持续浇灌两周,观察表型并拍照。
结果发现,未经盐水处理的对照组,野生型、突变体和过表达转基因株系长势一致,差异不明显。盐水处理以后,突变体几乎全部出现萎蔫,野生型只部分出现萎蔫,而两个过表达转基因株系几乎无萎蔫现象,与对照差异很明显。这说明GT3基因过表达之后明显增强了植株的抗盐性。结果见图1。该实验证明了GT3基因过表达之后能够明显增强水稻植株的耐盐性。相反,如果把该基因敲除,水稻对盐胁迫更加敏感,生长受到影响。
(2)盐处理实验观察种子萌发率。将同一时期收获得野生型、突变体和过表达体水稻的种子进行灭菌后,先用75%的酒精洗1min,然后用10%的次氯酸钠溶液洗10分钟,最后用经过灭菌的去离子水洗4-5次,然后均匀点种至基本MS培养基、含不同浓度NaCl的MS培养基中,28度培养,连续统计8天的种子萌发率。
结果见图2。图中结果显示在基本MS培养基上,5个株系的萌发率基本上没有差异(左图),但是在添加NaCl的MS培养基上,两个转基因株系GT3OE1和GT3OE2萌发率要高于野生型,而两个突变株系个体gt3ko1和gt3ko2的萌发率低于野生型,并且随着NaCl浓度的提高,与野生型对照的差异更加明显(中图和右图)。这说明GT3基因参与了植物对NaCl的响应,以至于基因过表达以后增强了植株对盐的耐受性,提高了种子的萌发率。证明转基因水稻增强了在盐胁迫下的萌发率。
(3)盐处理实验观察转基因拟南芥根长。将经过灭菌的拟南芥种子铺至本MS培养基中,4度低温处理3天后,在组培室内垂直培养3-4天,待根长至1cm左右时,将生长状态基本一致的幼苗栽至含有不同浓度NaCl的MS培养基中,继续垂直培养14天,观察拍照,并统计各株系的根伸长量。
结果见图3。在基本MS培养基中,转基因拟南芥和野生型株系的根长基本一致,没有差异。但是在含有不同浓度NaCl的MS培养基中,GT3过表达拟南芥株系GT3OE27和GT3OE28的根长明显长于野生型。这说明拟南芥转入GT3基因以后使植物的耐盐性更强,进而加快了植物根系生长。这进一步说明了GT3在增强耐盐性方面的作用。证明了水稻的GT3基因转入拟南芥后也能增强拟南芥的根的耐盐性。
(4)盐处理实验观察转基因水稻和拟南芥的NBT染色。将培养一段时间的转基因水稻和转基因拟南芥进行一定浓度的NaCl处理(水稻用300mM NaCl,拟南芥用200mM NaCl,都处理24h),处理后的水稻和拟南芥分别剪取大小一致、生长部位相同的叶片,浸泡在NBT染色液中,过夜染色16h。染色完成后用95%的乙醇在沸水浴中煮沸脱色,当叶绿素完全脱去后拍照。
结果见图4。由结果可以看出,未处理时,水稻的野生型、突变体与过表达体染色均较浅。在盐胁迫处理以后,各个株系染色程度均有加深,但过表达株系的染色比野生型浅,活性氧积累量较野生型少;水稻GT3突变体染色比野生型更深,活性氧积累较野生型更多。说明在盐胁迫下,GT3可以提高水稻细胞清除活性氧的能力。同样,利用模式生物拟南芥重复这一实验,发现盐胁迫处理后,GT3过表达转基因株系染色比野生型更浅,活性氧积累量少于野生型。进一步验证了GT3可以通过提高细胞清除活性氧的能力来应对盐胁迫的结论。证明GT3基因无论转入水稻还是拟南芥,都能增强植物细胞清除活性氧的能力,从而增强对盐害的耐性。
序列表
<110>山东大学
<120>一种水稻耐盐相关基因GT3及其应用
<141> 2020-06-07
<160> 4
<210> 1
<211> 1458
<212> DNA
<213>水稻(Oryza sativa L.)
<221>水稻耐盐基因GT3的核苷酸序列
<222>(1)…(1458)
<400> 1
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<211> 458
<212> RNA
<213>人工序列
<221>水稻耐盐基因GT3编码的氨基酸序列
<222>(1)…(458)
<400> 2
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Tyr Val Asn Phe Gly Ser Ile Thr Val MET Thr Asn Glu Gln Leu Val Glu Phe Ala Trp
301 305 310 315 320
Gly Leu Ala Asn Ser Gly Arg Glu Phe Leu Trp Ile Val Arg Arg Asp Leu Val Lys Gly
321 325 330 335 340
Asp Thr Ala Val Leu Pro Pro Glu Phe Leu Ala Glu Thr Ala Glu Arg Gly Leu MET Ala
341 345 350 355 360
Ser Trp Cys Pro Gln Gln Asp Val Leu Asn His Pro Ala Val Gly Ala Phe Leu Thr His
361 365 370 375 380
Ser Gly Trp Asn Ser Thr Leu Glu Ser Leu Ala Ala Gly Val Pro Val Ile Ser Trp Pro
381 385 390 395 400
Phe Phe Ala Asp Gln Gln Thr Asn Cys Arg Tyr Gln Cys Asn Glu Trp Gly Val Gly MET
401 405 410 415 420
Glu Ile Asp Ser Asn Val Lys Arg Gly Ala Val Ala Cys Leu Ile Ala Glu Leu MET Glu
421 425 430 435 440
Gly Gln Lys Gly Lys Glu MET Arg Arg Lys Ala Glu Glu Trp Arg Glu Lys Ala Ile Arg
441 445 450 455 460
Ala Ala Lys Pro Gly Gly Ser Ser His Arg Asn Phe Glu Glu Leu Val Arg His Val Leu
461 465 470 475 480
Leu Ala Lys Glu Ser
481 485
<210> 3
<211> 30
<212> DNA
<213>人工序列
<221> GT3-F
<222>(1)…(30)
<400> 3
ggatccatgg gttctctggg agcagcaggt 30
<210> 4
<211> 34
<212> DNA
<213>人工序列
<221> GT3-R
<222>(1)…(34)
<400> 4
gagctcctac gactctttgg ccaggagcac gtgg 34
Claims (4)
1.一种水稻耐盐相关基因,其特征在于:所述基因命名为水稻耐盐基因GT3,其核苷酸序列如SEQ ID No.1所示;该水稻耐盐基因GT3编码的氨基酸序列如SEQ ID No.2所示。
2.权利要求1所述的水稻耐盐基因GT3在提高植物耐盐性中的应用。
3.如权利要求2所述的应用,其特征在于:所述植物是禾本科植物或十字花科植物。
4.如权利要求3所述的应用,其特征在于:所述禾本科植物是水稻、玉米、小麦、高粱和燕麦,所述十字花科植物是拟南芥、芥菜、油菜、白菜或甘蓝。
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CN202010518292.3A CN111718942A (zh) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 一种水稻耐盐相关基因gt3及其应用 |
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