CN116083452B - 一种胡萝卜赤霉素氧化酶基因及其表达和应用 - Google Patents
一种胡萝卜赤霉素氧化酶基因及其表达和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2及其应用,属于植物基因工程技术领域。本发明公开了一种分离的胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2,其核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示。具体涉及到在胡萝卜中表达的DcGA20ox2的克隆、转基因载体的构建、胡萝卜的转化以及上述基因在调控转基因植株生长发育中的应用。通过实验验证该基因能够应用于植物生长发育调控中,为其在植物生长方面的研究提供了科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及植物基因工程技术领域,特别是涉及一种胡萝卜赤霉素氧化酶基因及其表达和应用。
背景技术
胡萝卜(Daucuscarota L.)是伞形科(Apiaceae)一年或二年生草本植物,原产于亚洲西部,是世界十大蔬菜作物之一。我国目前胡萝卜栽培面积和产量均居世界首位。胡萝卜含有丰富的胡萝卜素和膳食纤维等营养物质,具有很高的营养价值和药用价值,深受广大消费者的喜爱。
赤霉素(Gibberellic acid, GA)是一种重要的植物激素,调控植物整个生命周期内的生理生化进程和器官形态建成,包括种子萌发、茎叶生长、开花与结果等。GA生物合成过程中的关键酶主要包括柯巴焦磷酸合酶(CPS)、内根—贝壳杉烯合成酶(KS)、内根—贝壳杉烯氧化酶(KO)、GA20–氧化酶(GA20ox)、GA–3β–羟基化酶(GA-3β- hydroxylase)等。其中GA20ox是重要的活性GA生物合成调控酶,属于可溶性的双加氧酶,它能在GA生物合成的最后阶段催化从GA12到GA9及GA53到GA20一系列的氧化反应,最后形成具有生物活性的赤霉素。
研究显示,GA20ox参与了植物生长发育的许多过程,如种子萌发,叶片伸展,开花和种子发育等。但是现有文献中还没有关于胡萝卜GA20ox基因的相关报道,这影响了利用该类基因调控胡萝卜植株生长发育的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种胡萝卜赤霉素氧化酶基因,以解决上述现有技术中所存在的问题,利用基因工程得到的含有该基因的转基因植株生长发育改变,表现为植株变高,地上部生物量增加,肉质根木质化程度加深等,说明该基因在植物株型调控研究方面具有广泛的应用前景。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2,其核苷酸序列如SEQ IDNO:1所示。
本发明还提供一种胡萝卜赤霉素氧化酶,其由胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2编码,其氨基酸序列如SEQ ID NO:4所示。
本发明还提供一种重组载体,包含所述的胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2,优选载体为pCAMBIA1301。
本发明还提供一种包含胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2的重组菌株,优选菌株为农杆菌GV3101。
本发明还提供一种胡萝卜DcGA20ox2阳性植株的构建方法,包括以下步骤:(1)利用重组载体pCAMBIA1301-DcGA20ox2转化农杆菌GV3101,得到重组菌株;(2)利用重组菌株对胡萝卜下胚轴外植体进行侵染;(3)将侵染好的下胚轴外植体进行培养,得到含DcGA20ox2基因的阳性植株。
本发明还提供胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2、胡萝卜赤霉素氧化酶以及重组载体在促进胡萝卜生长过程中的应用,应用于如下任一项:
(1)增加胡萝卜植株地上部的生物量;
(2)改变胡萝卜肉质根的结构;
(3)调控胡萝卜肉质根木质化程度。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
一、本发明从胡萝卜品种‘黑田五寸’中获得一个响应植株生长发育过程的基因DcGA20ox2,其为植物的一个新的赤霉素氧化酶基因,通过实验验证了该基因在植物生长调控方面的功能,通过基因工程获取的含有该基因的转基因植物的生长性状发生改变,表现为植株变高,地上部生物量增加,肉质根木质化程度加深等,证明该基因在调控植物生长方面具有广泛的应用前景;
二、本发明载体选用pCAMBIA1301,该载体具有高拷贝复制起点可实现高质粒产量,含有pVS1复制子使得其在农杆菌中具有高稳定性,载体小因而易于转化,还含有丰富的多克隆位点。
三、本发明菌株选用农杆菌GV3101,其侵染能力强,能通过将目的基因插入到经过改造的T-DNA区,实现外源基因高效率地整合到植物受体细胞的染色体上并得到表达,通过细胞和组织培养技术得到转基因植物。
四、本发明外植体选用胡萝卜下胚轴,其获得和再生试验周期短,速度明显快于其他外植体,对于抗生素非常敏感,且其体积小,有效减少了试验成本和工作量。
附图说明
图1为本发明转DcGA20ox2基因胡萝卜植株筛选结果图;
图2为本发明对照胡萝卜植株与转DcGA20ox2基因胡萝卜植株的生长状态对比图,其中CK表示对照组,DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6表示转DcGA20ox2基因胡萝卜植株;
图3为本发明对照胡萝卜植株与转DcGA20ox2基因胡萝卜植株的根冠比对比图,其中CK表示对照组,DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6表示转DcGA20ox2基因胡萝卜植株;
图4为本发明对照胡萝卜植株与转DcGA20ox2基因胡萝卜植株的肉质根横切面对比图,其中CK表示对照组,DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6表示转DcGA20ox2基因胡萝卜植株;
图5为本发明对照胡萝卜植株与转DcGA20ox2基因胡萝卜植株的肉质根木质部比例对比图,其中CK表示对照组,DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6表示转DcGA20ox2基因胡萝卜植株;
图6为本发明对照胡萝卜植株与转DcGA20ox2基因胡萝卜植株的肉质根木质素含量对比图,其中CK表示对照组,DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6表示转DcGA20ox2基因胡萝卜植株;
图7为本发明对照胡萝卜植株与转DcGA20ox2基因胡萝卜植株的荧光定量表达验证结果图,其中CK表示对照组,DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6表示转DcGA20ox2基因胡萝卜植株。
具体实施方式
实施例1:胡萝卜总RNA的提取及cDNA的合成
采用RNA Simple Total RNA Kit(北京天根生化科技有限公司)从胡萝卜“黑田五寸”样品中分别提取总RNA。用Prime Script RT reagent Kit(南京诺唯赞生物科技有限公司)将提取的总RNA反转录成cDNA。
实施例2:胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2的克隆
基于胡萝卜基因组和转录组测序信息,以拟南芥GA20ox家族为信息探针,进行检索分析,获得胡萝卜DcGA20ox2的基因序列。根据该序列设计一对引物:
正引物向(SEQ ID NO:3):5’-ATGTCTCAGACATCCACCAAA-3’,
反向引物(SEQ ID NO:4):5’-TCAGTTAGTAGGTAACCATGC-3’。
以“黑田五寸”c DNA为模板进行扩增,PCR反应体系为模板DNA 2μl,上游引物1.5μl,下游引物1.5μl,PrimerStar Max Premix (2X) 15 μL,dd H2O 10μl;PCR反应条件为:98℃预变性3min;98℃变性10s,55℃退火30s,72℃延伸30s,共35个循环;72℃延伸5min。PCR产物经质量体积分数1.2%琼脂糖凝胶电泳后回收目的条带,连接到,连接pMD19-T载体[TaKaRa(大连)生物工程公司],并转化大肠杆菌DH5α(南京诺唯赞生物科技股份有限公司),提取质粒经PCR鉴定后委托南京金斯瑞生物科技有限公司测序。
实施例3:DcGA20ox2基因的重组表达载体构建
(1)首先利用双酶切BamHI和SacI(ThermoScientific)方法获得pCAMBIA1301[TaKaRa(大连)生物工程公司]的线性化载体,然后通过琼脂糖凝胶电泳和胶回收试剂盒(杭州唯特洁生化技术有限公司)纯化获得高纯度的p CAMBIA1301的线性化载体;
(2)将目的片段DNA和线性化载体pCAMBIA1301以3:1的摩尔比加到1.5ml的离心管中进行重组反应,混匀后在室温连接约30min,加入10μl的反应液到50μl的DH5a感受态细胞(南京诺唯赞生物科技股份有限公司)中,用移液器轻轻混匀,于冰上孵育30min,42℃水浴中热激45s后快速置冰上冷却2min;
(3)加入300μl LB液体培养基,37℃孵育45-60min。5000rpm离心2min收集菌体,弃掉部分上清,用剩余的培养基将菌体重悬,用无菌涂布棒在含有Kan抗性的LB固体培养基上轻轻涂匀,37℃培养箱中倒置培养16-24h;
(4)挑取重组反应转化平板上若干个克隆进行菌落PCR鉴定,鉴定为阳性的菌落,挑取相应单菌落于含有Kan抗生素的液体LB培养基中37℃、200rpm培养箱中培养过夜,提取质粒或将菌液直接测序以鉴定载体准确性。
(5)鉴定成功后,保存pCAMBIA1301-DcGA20ox2的质粒。
实施例4:重组载体转入农杆菌GV3101
(1)每100μlGV3101农杆菌(北京擎科生物科技有限公司)感受态细胞中加入2μg重组载体pCAMBIA1301-DcGA20ox2,用手拨打管底混匀,依次于冰上静置5min、液氮5min、37℃水浴5min、冰浴5min。加入700μl无抗生素的LB液体培养基,于28℃振荡培养2h;
(2)6000rpm离心1min收集菌体,留取100μl左右上清,轻轻吹打重悬菌体,将其均匀地涂布于含有Kan和Rif的YEB固体培养基上,倒置放于28℃培养箱培养2天,挑取若干个阳性克隆利用菌落PCR简单验证结果。
实施例5:胡萝卜的培养
挑选带有胚的胡萝卜“黑田五寸”种子,在5 ml离心管中浸泡12h,然后用75%的酒精清洗1次,再用40%的NaClO清洗1次,后在40%的NaClO中浸泡45 min。于超净工作台中用灭菌后的ddH2O清洗3~5次,并置于滤纸上吸干水分。将种子铺于B5固体培养基上催芽,暗培养10d左右。将幼苗的下胚轴切成3~5mm长的段,并用作外植体。
实施例6:胡萝卜遗传转化
将农杆菌在含有100mg/L Rif和50mg/LKan的YEB培养基中在28℃下在震荡培养18h。将培养物4000rpm离心15min,以OD600=0.4的密度重新悬浮在含3%蔗糖和200µM乙酰丁香酮(pH5.2)的B5培养基中,并震荡培养1h。将下胚轴段浸入农杆菌悬浮液中15min,将外植体转移到B5固体培养基中,然后在黑暗25℃下共培养2d。
将侵染好的外植体转入锥形瓶,用灭过菌的ddH2O清洗4次,再加入含羧苄青霉素钠(Cb)的无菌ddH2O,放置于100rpm摇床上,清洗10min。随后将外植体转入B5筛选固体培养基中暗培养30d。
实施例7:愈伤组织的培养和转基因再生植株的分化
将有愈伤组织分化的外植体转入新的筛选培养基中继代培养,直至愈伤组织足够大。然后将其转移到不含激素的B5固体培养基中诱导生芽分化。将分化出的胚性芽放置光培养,待其长出至少4片真叶后炼苗2周,转移至营养土中培养。
实施例8:转基因胡萝卜鉴定
取筛选出的阳性植株的叶片提取DNA,利用PCR方法鉴定其含有DcGA20ox2基因,进行转基因植株的目的基因的分子验证,最终确认基因已经转入阳性植株。使用GUS染色试剂盒(上海浦迪生物科技有限公司)对阳性植株和对照植株进行染色,结果如图1所示。
实施例9:胡萝卜阳性植株表型观测
将对照植株与转基因胡萝卜植株移入植物生长间,生长75d后同时取样,结果如图2所示。
实施例10:胡萝卜阳性植株肉质根横切面结构观测
将对照植株(CK)与转基因胡萝卜植株(DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6)肉质根中间部分进行切片。根样品首先在二甲苯中脱色紧接着在乙醇中脱水,样品横切面用1%的番红染色2h,再用0.5%固绿复染15s。随后,多余的染色剂用乙醇抹去,横切面用中性树脂封存。木质化的组织被染为红色,而纤维化的组织被染成绿色。根样品经紫外线照射,利用荧光显微镜观察组织木质化,结果如图4所示。
实施例11:胡萝卜阳性植株根系测定
(1)分别测定对照植株(CK)与与转基因胡萝卜植株(DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6)根冠比和木质部占比(根中间区域木质部直径与总直径的比值)。
(2)木质素的测定:将根部样品在液氮中用研钵和研杵研磨,将粉末立即置于6ml99.7%的乙醇中溶解,14000rpm离心20min,收集沉淀,室温风干过夜。称取大约10mg干燥物转移到干净的试管中,加入1ml 2M HCl和0.1ml巯基乙酸,将混合物在100℃加热8h后在冰上冷却,4℃ 14000rpm离心20min。沉淀用1ml去离子水洗涤,并用1 ml 1M NaOH溶解,置于25℃下培养18h,14000rpm离心20min,上清液转移到新管中,加入1ml浓盐酸,置于4℃ 6h沉淀木质素巯基乙酸。离心20min后,将沉淀物溶解于1ml 1M NaOH中,以NaOH为空白,测定在280nm下的吸光值。
实施例12:胡萝卜阳性植株定量表达验证
1、取CK、DcGA20ox2-OE-1、DcGA20ox2-OE-4和DcGA20ox2-OE-6植株根部样本并立即用液氮速冻后,保存于-80℃冰箱中,根据实施例1中的方法获取RNA和cDNA。
2、选择胡萝卜的12个基因和胡萝卜中Actin的转录表达水平为内参序列设计表达检测引物,如表1。
表1引物
3、实时定量PCR使用南京诺唯赞生物科技有限公司提供的ChamQ SYBR qPCR Master Mix试剂盒,按照操作说明进行。
4、目的基因相对转录表达水平的计算公式为2-ΔΔCt,ΔΔCt=(Ct目的基因-CtActin)处理组-(Ct目的基因-CtActin)对照组。
5、对数据进行分析处理,绘制相对表达量水平验证结果图,如图7所示。
6、最终试验结果
(1)将本发明克隆获得的胡萝卜DcGA20ox2基因转入胡萝卜植株中获得的阳性植株,地上部生长状态与表型明显优于对照植株(如图2所示)。
(2)荧光定量PCR结果显示转基因植株中的12个基因的表达水平均受到DcGA20ox2基因过表达的影响,且大部分保持在较高水平(如图7所示)。
(3)根系测定结果表明:转基因植株的根冠比明显低于对照,木质部占比和木质素含量高于对照,表明DcGA20ox2基因的表达改变了受体植物的根部发育和木质化水平。
(4)荧光定量表达与生理指标分析结果可证明:胡萝卜DcGA20ox2基因基因能显著促进受体植株的地上部生长和肉质根的木质部发育。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2在促进胡萝卜生长中的应用,其特征在于:所述胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2的核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示;
所述促进胡萝卜生长为以下(1)~(3)过程中的一种:
(1)增加胡萝卜植株地上部的生物量;
(2)改变胡萝卜肉质根的结构;
(3)调控胡萝卜肉质根木质化程度。
2.一种胡萝卜赤霉素氧化酶在促进胡萝卜生长中的应用,其特征在于:所述胡萝卜赤霉素氧化酶由权利要求1所述的胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2编码,其氨基酸序列如SEQ ID NO:4所示;
所述促进胡萝卜生长为以下(1)~(3)过程中的一种:
(1)增加胡萝卜植株地上部的生物量;
(2)改变胡萝卜肉质根的结构;
(3)调控胡萝卜肉质根木质化程度。
3.一种重组载体在促进胡萝卜生长中的应用,其特征在于:所述重组载体包含权利要求1所述的胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2;
所述促进胡萝卜生长为以下(1)~(3)过程中的一种:
(1)增加胡萝卜植株地上部的生物量;
(2)改变胡萝卜肉质根的结构;
(3)调控胡萝卜肉质根木质化程度。
4.根据权利要求3所述的一种重组载体在促进胡萝卜生长中的应用,其特征在于:所述重组载体的制作方法如下,将胡萝卜赤霉素氧化酶基因DcGA20ox2插入到质粒pCAMBIA1301上的BamHI和SacI限制性酶切位点之间,使得该核苷酸序列位于CaMV35S启动子下游并受其调控,得到胡萝卜赤霉素氧化酶表达质粒。
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Exogenous gibberellin altered morphology, anatomic and transcriptional regulatory networks of hormones in carrot root and shoot;Wang GL et al.;BMC Plant Biol;第15卷(第290期);第3页左栏第1段,表1 * |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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