CN113215180A - 玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14及应用 - Google Patents
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Abstract
玉米9‑顺‑环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14及应用属分子生物学和生物技术领域,ZmVP14的核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示;一种耐冷玉米自交系9‑顺‑环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白,由ZmVP14基因编码,其氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示;一种植物表达载体,含有耐冷玉米自交系W98169‑顺‑环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14;构建了植物表达载体并转化拟南芥,通过低温胁迫后观测转基因拟南芥的表型、根长、萌发率等生命状态,结果显示耐冷玉米自交系W98169‑顺‑环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14可提高拟南芥的耐冷性。
Description
技术领域
本发明属于分子生物学和生物技术领域,具体涉及一种玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14及应用。
背景技术
玉米(Zea mays L.)是中国三大主要粮食作物之一,种植范围遍布全国,主要集中在东北、华北和西南地区。因此,玉米生产在区域农业经济中起着至关重要的作用。在全球变暖的背景下,极端天气和气候极端事件的发生频率和强度在全球范围内呈上升趋势,这对作物单产和全球粮食安全产生了严重影响。如何提高玉米对极端天气的耐受能力以应对人口增长和气候变化,保障粮食安全已迫在眉睫。
玉米vivaparous14(VP14)编码一种9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED),它催化ABA生物合成中的限速步骤,胡萝卜素和类胡萝卜素生物合成途径已在许多植物中被广泛鉴定。
NCED可催化9-顺式黄嘌呤或9-顺式黄嘌呤的11,12碳-碳双键的氧化裂解。C15醛,黄嘌呤毒素被氧化并通过两次后续反应转化为具有生物活性的ABA。包括VP14在内的NCED是决定ABA水平的关键调控因子。类胡萝卜素的酶促裂解是由酶家族催化的,俗称类胡萝卜素裂解加氧酶(CCOs),或类胡萝卜素裂解双加氧酶(CCD)。专门作用于类胡萝卜素底物的CCD被称为类胡萝卜素裂解加氧酶。植物中CCD的两个功能不同的组又细分为CCD和NCED。
有研究发现,玉米VP14突变体出现穗发芽的表型,且突变体的ABA含量比野生型低70%,表明ABA生物合成存在缺陷,VP14受胁迫和叶片发育的调控和诱导。在拟南芥中,NCED包括五个与ABA生物合成有关的成员。其中,大多数NCED受发育调节,除了AtNCED3负责胁迫诱导下叶片中大部分ABA生物合成。这些实验证明,NCED可以通过被胁迫诱导表达并参与植物抗逆的过程,但玉米VP14基因编码的蛋白是否对植物抵抗冷胁迫产生重要作用,具体如何行使功能,以及是否与其他蛋白共同作用来行使功能的相关研究尚未十分明确。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此,本发明的目的是提供(1)提供了一种DNA序列,其是在耐冷玉米自交系W9816中克隆得到的编码9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因,命名为ZmVP14;(2)提供玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因ZmVP14在拟南芥抗冷基因工程方面的应用。
为解决上述技术问题,根据本发明的一个方面,本发明提供了如下技术方案:
玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14及应用,其核苷酸序列如序列表中SEQ ID NO:1所示
SEQ ID NO.1的序列
(i)序列特征:(A)长度:1815bp;(B)类型:核苷酸;(C)链性:单链。
(ii)分子类型:核苷酸
(iii)序列描述:SEQ ID NO.1
提取课题组自行培育的耐冷玉米自交系W9816三叶期叶片的RNA,反转录成cDNA为模板,以ZmVP14-F/R为特异引物,采用RT-PCR技术对ZmVP14基因进行克隆。将扩增产物进行电泳检测,在1815bp左右处有扩增条带,与预期目的基因大小相一致。将扩增产物的凝胶回收片段连接到pDONR207载体上,转化DH5α大肠杆菌感受态,将阳性的单克隆菌液进行Sanger测序,获得耐冷玉米自交系W9816 9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因ZmVP14预期完整的开放阅读框(ORF)全序列。
耐冷玉米自交系W9816 9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因ZmVP14 ORF全长为1815bp,起始密码子为ATG,终止密码子为TGA,如SEQ ID NO:1所示。
作为本发明所述的玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14及应用的一种优选方案,其中:所述的核苷酸序列SEQ ID NO:1编码,其氨基酸序列如序列表中SEQID NO:2所示
SEQ ID NO.2的序列
(i)序列特征:(A)长度:604aa;(B)类型:氨基酸;(C)链性:单链。
(ii)分子类型:氨基酸
(iii)序列描述:SEQ ID NO.2
耐冷玉米自交系W98169-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶由604个氨基酸组成,为探究ZmVP14与玉米中同家族基因、模式植物拟南芥中NCED酶类及其他部分植物中NCED之间的进化关系,在氨基酸水平上进行了系统进化树分析。结果表明,ZmVP14与高粱中NCED1同源性最高。
作为本发明所述的玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14及应用的一种优选方案,其中:一种重组植物表达载体,含有玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14。
根据ZmVP14基因的ORF序列及入门载体pDONR207的相关信息,设计引物时加入相应交换序列扩增ZmVP14基因。将经测序验证的、准确的ZmVP14基因连接的入门载体用LR酶与pEarleyGate101表达载体重组为ZmVP14基因的植物表达载体。之后将重组载体转化大肠杆菌、提取质粒进行PCR鉴定。
作为本发明所述的玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14及应用的一种优选方案,其中:玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14在拟南芥抗冷基因工程方面的应用。
利用蘸花法将含有ZmVP14基因的植物表达载体导入拟南芥,多代经Basta筛选及分子鉴定,获得T3代拟南芥转基因植株。对纯合的T3代转基因拟南芥植株进行抗逆性分析,结果表明,过表达植株耐冷性显著高于野生型。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:提供了一种耐冷玉米自交系W9816的核苷酸序列及氨基酸序列,构建了植物表达载体并转化拟南芥,通过低温胁迫处理后观测转基因拟南芥的表型、存活率等生命状态,结果显示玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因ZmVP14可提高拟南芥的耐冷性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为多重序列比对。
图2为玉米ZmVP14基因的系统进化树分析示意图(其中:OsNCED为水稻;AtNCED为拟南芥;SbNCED为高粱;ZmNCED为玉米;GmNCED为大豆)。
图3为-8℃处理条件下拟南芥表型示意图。
图4为-8℃处理条件下拟南芥存活率示意图。
图5为4℃处理条件下拟南芥生理生化指标测定示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因ZmVP14的克隆
1.RNA的提取
培养耐冷玉米自交系W9816至三叶期,使用康为世纪的超纯RNA提取试剂盒(CW0581)对叶片的Total RNA进行提取。
(1)取新鲜玉米叶片在液氮中充分研磨,每30-50mg组织加入1ml TRIzonReagent,混匀。
(2)样品中加入TRIzon Reagent后温和上下颠倒几次,使样本充分裂解。室温放置5min,
使蛋白核酸复合物完全分离。
(3)加入200μl氯仿,盖好离心管盖,剧烈振荡15s,室温放置2min。
(4)4℃12,000rpm离心10min,吸取上层水相550μl,将上层水相移到一个新的RNase-Free离心管中。
(5)在水相溶液中加入550μl的70%乙醇(无RNase水配制),颠倒混匀。
(6)将上一步得到的溶液全部加入到已装入收集管的吸附柱(Spin Columns RM)中。若一次不能加完溶液,可分多次转入。12,000rpm离心20s,倒掉收集管中的废液,将吸附柱重新放回收集管中。
(7)向吸附柱中加入700μl Buffer RW1,12,000rpm离心20s,倒掉收集管中的废液,将吸附柱重新放回收集管中。
(8)向吸附柱中加入500μl Buffer RW2(使用前检查是否已加入无水乙醇),12,000rpm离心20s,倒掉收集管中的废液,将吸附柱重新放回收集管中。
(9)重复步骤(8)。
(10)12,000rpm离心2min,倒掉收集管中废液。将吸附柱置于室温数分钟,彻底晾干。
(11)将吸附柱置于一个新的无RNase离心管中,向吸附柱的中间部位加入30-50μlRNase-Free Water,室温放置1min,12,000rpm离心1min,收集RNA溶液,-80℃保存RNA,防止降解。
2.反转录
使用TaKaRa的PrimeScriptTM RT reagent Kit with gDNA Eraser(RR047A)对提取的RNA进行反转录。
去gDNA反应体系如下表1:
表1去gDNA反应体系
试剂 | 体积 |
5×gDNA Eraser Buffer | 2μl |
gDNA Eraser | 1μl |
Total RNA | 1μg |
RNase Free Water | up to 10μl |
将预混液混匀后放入42℃孵育2min,随后4℃,5min。
反转录反应SYBR Green qPCR法,具体反转录反应体系如下表2,
表2反转录反应体系
整个体系放入PCR仪中,程序设置37℃,15min;85℃,5s。
3.ZmVP14基因ORF全长的扩增
根据NCBI公布的玉米ZmVP14的ORF基因序列,运用生物信息学软件Primer5.0遵循引物设计原则,设计该基因的特异性克隆引物,如下所示:
ZmVP14-F:5’-GGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCTTCATGCAGGGTCTCGCCCCGC-3’
ZmVP14-R:5’-GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTTAAACGTGGAGCTCGGTCAGGCC-3’
以反转录得到的cDNA为模板,使用高保真耐热DNA聚合酶PrimeSTAR GXL DNApolymerase克隆ZmVP14,反应体系和程序如表3。注:若cDNA浓度太低,可适当增加cDNA的用量。若第一次PCR的目的条带过浅,可用其回收产物继续进行同样步骤的PCR,PCR反应体系如表3:
表3 PCR反应体系
组分 | 体积 |
5×PrimeSTAR GXL Buffer | 10μl |
dNTP Mixture | 4μl |
ZmVP14-F | 1μl |
ZmVP14-R | 1μl |
cDNA | 2μl |
PrimeSTAR GXL DNA Polymerase | 1μl |
灭菌蒸馏水 | 31μl |
PCR反应程序如表4:
表4 PCR反应程序
4.ZmVP14的DNA片段回收
使用生工的SanPrep柱式DNA胶回收试剂盒对ZmVP14目的片段进行回收。
(1)电泳后切取含有ZmVP14目的片段的胶块,称重,置于1.5ml离心管中。根据胶块的重量,每100mg左右的凝胶对应加入300μl BufferB2。
(2)将离心管放入50℃金属浴10min,在此期间可数次颠倒离心管使融化的液体和未融化的胶块混匀,加速溶化。
(3)将所得溶液置于吸附柱中并以8000rpm离心30s。如果溶液的总体积大于750μl,每次加入750μl,多次重复操作。
(4)向吸附柱中加入300μl Buffer B2,转速设定为9000rpm,离心30s,然后倒出废液。
(5)向吸附柱中加入500μl Buffer B2,设置转速为9000rpm,离心时间30s。倒掉废液。再重复一次。
(6)把空的吸附柱和收集管一起放入离心机中,在9000rpm条件下离心60s。取一个新的1.5mL的离心管,将吸附柱放入其中,晾置10min。
(7)在吸附膜中央加入30ul TE buffer或ddH2O,室温静置2min,在9000rpm条件下离心60s。将该步骤中所得到的DNA溶液放在-20℃的冰箱中保存或用于后续试验。
5.ZmVP14连接pDONR207 Vector
使用GatewayTMBP ClonaseTM||Enzymemix将目的片段与pDONR207载体进行连接,获得重组载体用于基因测序。
连接反应体系如下表5:
表5 BP反应体系
6.DH5α大肠杆菌感受态转化及PCR检测
(1)将50μl TOP10大肠杆菌感受态置于冰上融化。
(2)用移液枪吸取连接产物或重组质粒5μl,加到50μl的TOP10大肠杆菌感受态中。
(3)冰浴30min后,42℃热激90s,冰浴5min。随后加入800μl LB液体培养基。
(4)37℃震荡培养1h,8000rpm离心5min。弃掉上清液,在离心管中留有大约50μl培养基。用移液枪吹打混匀后,将其涂布于含有相应抗生素的LB固体培养基上,37℃恒温,倒置培养12-16h。
(5)挑取单菌落于800μl含有相应抗生素的LB液体培养基中,将离心管放入摇床,37℃180rpm,振荡培养10h左右。
(6)使用Ex Taq酶对菌液进行PCR分子检测。对PCR结果为阳性的菌液进行扩摇,并在菌液中加15%甘油,送生工基因公司进行测序,原菌液于-80冰箱保存。
实施例2
玉米基因的生物信息学分析
ZmVP14基因编码一种玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶,其开放阅读框有1815bp的核苷酸,编码604个氨基酸。
如图1、图2所示,在氨基酸水平上进行了多重序列比对与系统进化树分析,结果表明ZmVP14与高粱中NCED1同源性最高。
实施例3
ZmVP14植物表达载体的构建
1.根据入门载体pDONR207序列,引物设计时加入相应置换序列。
2.把经过高保真酶扩增出的基因,通过回收、转化、PCR鉴定、测序等一系列步骤,确定表达基因的正确性,有完整的开放阅读框、无错配、无移码。
3.把测序正确的基因利用Gateway技术连接到植物表达载体pEarleyGate101上。
提取测序正确的连接目的基因的入门载体质粒,利用GatewayTMLR ClonaseTM||Enzyme mix将目的基因置换到植物表达载体上,反应体系如表6:
表6 LR反应体系
试剂 | 用量 |
表达载体 | 2μl |
Pdonr207-VP14 | 2.5μl |
LR Enzyme | 0.5μl |
连接仪中22℃过夜反应,用于大肠杆菌转化。
实施例4
转ZmVP14基因拟南芥的获得及分子检测
利用蘸花法对基因进行拟南芥转化,具体如下:
1.将开花的拟南芥倒置使花蕾朝下,侵入农杆菌菌液中2min。
2.将转化后的拟南芥植株平放,盖好保鲜膜,低光强度下生长24h后置于正常光照条件下培养生长,一周后同上再侵染一次。
3.转化后植株可正常地开花生长,待角果完全枯黄、欲开裂时,即可收获种子。
4.收获的部分T0代种子经Basta筛选,PCR鉴定,获得T1代转基因植株,经过两次加代,获得T3代拟南芥植株,可用于后续的表型筛选。
实施例5
T3代转ZmVP14基因拟南芥的低温处理与存活率统计
将突变体、野生型和转基因植株的拟南芥种子撒播于营养土中,生长25天后转移至-8℃处理2小时,在常温下恢复培养3天,观察拟南芥的存活情况如图3、图4所示,结果表明,低温下转基因拟南芥植株(OE3和OE4)存活率显著高于野生型(WT)和突变体(nced9),说明过表达ZmVP14能提高拟南芥的耐冷性。
实施例6
T3代转ZmVP14基因拟南芥的生理生化分析
将培养至4周龄的拟南芥各株系4℃处理48h,之后分别进行,PRO含量和SOD活力的测定。结果显示如图5所示。
实验结果表明,低温处理后,野生型、转基因植株和突变体的PRO的含量、POD的活力均有所上升,说明各株系均发生了胁迫响应。冷处理之后,转基因拟南芥的脯氨酸含量较对照而言显著提高,说明其耐冷性更强。转基因拟南芥植株SOD活力提高,显著高于正常生长状态的SOD活力。
总之,与野生型相比,转基因拟南芥植株在冷处理之后抗氧化能力更高,PRO含量、SOD活力显著提高,表明本发明的转基因拟南芥植株的耐冷性相对较高,过表达ZmVP14基因可以提高拟南芥的耐冷性。
根据上述技术,本发明从玉米自交系W9816中得到一个9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因ZmVP14。通过农杆菌介导的转化方法,将ZmVP14植物表达载体成功转化拟南芥,获得了纯合的T3代转基因拟南芥植株。结果显示,在低温胁迫下,转基因拟南芥存活率显著高于野生型和突变体,经低温胁迫处理后,转基因拟南芥的抗氧化能力,PRO含量、SOD活力较野生型对照均显著提高。上述结果均说明玉米自交系W98169-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因ZmVP14能提高拟南芥的耐冷性。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述,然而在不脱离本发明的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用,在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此,本发明并不局限于文中公开的特定实施方式,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (4)
1.玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14,其特征在于:其核苷酸序列如序列表中SEQ ID NO:1所示。
2.根据权利要求1所述的玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白ZmVP14,其特征在于:所述的核苷酸序列SEQ ID NO:1编码,其氨基酸序列如序列表中SEQ ID NO:2所示。
3.一种重组植物表达载体,其特征在于:含有如权利要求1所述的玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14。
4.如权利要求1所述的玉米9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶蛋白基因ZmVP14在拟南芥抗冷基因工程方面的应用。
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