CN117586982B - 一种棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19及其应用,其序列在四倍体陆地棉(G.hirsutum)TM‑1A亚组中如SEQ ID NO.1所示。本发明所述基因GhGSTU19在干旱胁迫下表达增加。在添加甘露醇进行植物模拟干旱处理的培养基中,过表达GhGSTU19转基因拟南芥的渗透耐受性增加。表明GhGSTU19的异源表达可以减少干旱对拟南芥的伤害。本发明提供的一种对棉花耐旱性具有调控功能的谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19,可以通过基因工程对该基因的表达活性进行调整,以有效达到提高棉花耐旱性的目的,此外,还根据该基因在植物基因组的保守功能,推广至单子叶和双子叶植物耐旱性改良应用。

Description

一种棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19及其应用
技术领域
本发明属于生物技术应用领域,涉及一种棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19及其应用。
背景技术
棉花作为最重要的农作物之一,生产天然的纺织工业原料,每年带动全球60亿元的纺织工业产业链,保证2千万个产业工人就业。近年来我国棉花种植面积逐年下降,生产成本相对于美国进口棉居高不下。生产成本高的主要原因是棉花种植机械化程度不高导致的人工成本高。机械化播种对水分的控制要求高,而我国棉花主要产区处于西北内陆,主要集中在新疆地区,多有干旱、高盐碱等自然条件限制。苗期干旱使棉花产量降低,纤维品质下降。因此如何提高棉花品种对干旱等逆境胁迫的耐受力,对降低我国棉花种植成本,进一步增强在国际上的竞争力具有重要的意义。培育干旱耐受性棉花品种是我国棉花生产的迫切要求。
近年来,棉花的基因组学和功能基因组学的发展为分子设计育种打开了新的道路,对主要耐旱基因的识别和应用可以直接指导棉花精准设计育种。干旱胁迫对棉花产生复杂的影响,包括种子萌发率、苗期子叶含水量、叶片光谱和光合效率。这些生理现象,引起清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量的变化。目前棉花耐旱性相关的分子遗传研究还是主要围绕着胁迫诱导基因。这类胁迫诱导基因主要可以分为以代谢功能为主的渗透调节型基因、胁迫信号转导基因和耐旱相关转录因子。在棉花基因组中,参与渗透调节作用的基因包含有脯氨酸代谢途径中的吡咯琳-5-羧酸合成酶、海藻糖代谢、水通道蛋白等。非生物胁迫信号转导基因包括受体激酶GbRLK,GhMKK1,GhMPK6a,GhMKK5,GhMAP3K40,胁迫响应基因GhRDL1等。棉花干旱调控的转录因子研究主要集中在WRKY转录因子基因家族GhWRKY27a,GhWRKY25,GhWRKY41,GhWRKY17,GhWRKY15,GhWRKY3。另外,植物对干旱胁迫进行调节的ABA信号途径中的NAC类转录因子在棉花中也可能具有重要功能。
谷胱甘肽硫转移酶GSTs是一个多功能酶的超基因家族,普遍存在于动植物体内。1970年研究人员首次发现玉米GSTs能够催化谷胱甘肽(GSH)与之偶联从而消除了除草剂对玉米的毒性作用。由此,国内外学者对不同植物中的GSTs基因家族开始进行分析研究。基于序列和结构相似性,植物中的GSTs可分为Tau(U)、Phi(F)、Theta(T)、Zeta(Z)、Lambda(L)、EF1Bγ、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、四氯代氢醌脱卤素酶(TCHDQ)、蚯蚓血红蛋白和Ⅰ类共十种不同亚类,其中Tau、Phi、Lambda和DHAR等四类为植物所特有,且Tau和Phi两类最为丰富。现今,已对拟南芥、大豆、小麦、大麦、香蕉等多种植物的GSTs基因家族进行了全基因组鉴定。
植物GSTs存在于胞质、线粒体和微粒体中。大多数GSTs以同源二聚体、异源二聚体或单体的形式存在,构成二聚体亚基的分子量大小在25-27 kDa范围内。每个亚基都有一个谷胱甘肽特异性结合位点(G位点)和一个疏水底物结合位点(H位点)。G位点位于多肽链高度保守的N端结构域,H位点所在的C端结构域则结构多样。Tau、Phi、Zeta和Theta类GSTs的活性位点上存在一个丝氨酸残基,它能与谷胱甘肽的硫醇基相结合而催化GSH;Lambda和DHAR类GSTs的活性位点上不存在丝氨酸残基,而是存在半胱氨酸残基,它能与GSH结合形成二硫化物。据研究,除G位点和H位点外,Tau类GSTs可能还存在另一个配体结合位点(I位点),使其能够作为非催化的配体或结合蛋白,防止体内分子氧化和有毒物质损害。植物GSTs具有解毒功能,它催化GSH的巯基与内源或外源化合物的亲电基团结合偶联,使受GSH标记的衍生物排出或分隔,以保护细胞免受损伤。GSTs还能作为植物激素和花青素的配体或结合蛋白,促进物质的分布和运输。因此GSTs不仅在植物适应性中的功能具有重要的意义,在提高作物适应性等应用中也具有重要的意义。
在棉花中,已有研究对陆地棉、海岛棉、草棉进行GSTs全基因组分析。在陆地棉中,鉴定到GhGSTF1、GhGSTF2、GhGSTF8和GhGSTF12与花青素的转运和积累有关,GhGSTF4、GhGSTF6和GhGSTF9的功能可能与生长调节和胁迫相应有关。陆地棉A亚基因组的9号染色体上的Tau类GSTs簇中的关键基因Gh_A09G1508、Gh_A09G1509和Gh_A09G1510对黄萎病抗性有重要作用。在草棉中,Phi类谷胱甘肽硫转移酶GaGSTF9能正调节棉花黄萎病抗性。而在棉花的抗旱、耐盐碱等非生物胁迫方面,从GSTs功能入手的应用还未有报道研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种对棉花耐旱性具有调控功能的棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19及其应用,并且通过基因工程对该基因的表达活性进行调整,以有效达到提高棉花耐旱性的目的,此外,还根据该基因在植物基因组的保守功能,推广至单子叶和双子叶植物耐旱性改良应用。
本发明的目的之一在于提供一种棉花干旱适应性调节的棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19,其核苷酸序列在四倍体陆地棉(G. hirsutum)TM-1A亚组中如SEQ ID NO.1所示。
本发明目的之二在于提供所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19的扩增方法及两组重组质粒。
其中,扩增所用的引物对如下:
GST-F:TGGAAGGTATGCGCCAAATG(如SEQ ID NO.3所示);
GST-R:ATAGGTGTCGGTGTTCCCTG(如SEQ ID NO.4所示)。
一种重组质粒VIGS-TRV2-GhGSTU19,所述重组质粒沉默所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19,具体地,将棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19序列连接到中间载体VIGS-TRV2所得。构建重组质粒VIGS-TRV2-GhGSTU19所用的扩增引物对为:
XF155-F:5’gtgagtaaggttaccgaattcTTATGTGATTATGTCAAGAAAGACGTAGG 3’
XF155-R:5’cgtgagctcggtaccggatccGAACAGGTTTCGTCTGCAACAGT 3’
本发明提供一种重组质粒35S-GhGSTU19-GFP,所述重组质粒过表达所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19,具体地,将棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19序列连接到中间载体pbinGFP4所得。构建重组质粒35S-GhGSTU19-GFP所用的扩增引物对为:
XF151-F:5’gaacgatagggtacccccgggATGGCAGAGGAAGTAGTATTGCTAGA 3’
XF151-R:5’gcccttgctcaccatggatccGTGTAGTTGATTTTTCCTATTCCATTTG 3’
本发明目的之三在于提供所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19、所述扩增引物对或所述重组质粒VIGS-TRV2-GhGSTU19和35S-GhGSTU19-GFP在基因工程中的应用,特别是在调控单子叶和双子叶植物耐旱能力或开发耐旱单子叶和双子叶农作物新品种中的应用,更优选的是在提高棉花、拟南芥耐旱性能或在培育耐旱棉花新品种中的应用。
本发明所述的应用,具体为:
在单子叶和双子叶植物中过表达所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19以提高单子叶和双子叶植物耐旱能力;将重组质粒VIGS-TRV2-GhGSTU19转染到野生型棉花品种中,可显著减弱野生型棉花品种的耐旱能力。
在单子叶和双子叶植物中沉默所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19以减弱单子叶和双子叶植物耐旱能力;将重组质粒35S-GhGSTU19-GFP转染到野生型拟南芥品种中,可显著提高野生型拟南芥品种的耐旱能力。
本发明目的之四在于提供一种构建耐旱棉花新品种的方法,具体为:
将棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19克隆并构建过表达载体,再通过转基因技术将过表达载体转染到野生型棉花品种中,获得棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19过表达植株即为耐旱棉花新品种。
本发明的有益效果是:
通过对实验结果的统计分析发现,棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19在棉花干旱胁迫中受到诱导表达。
对棉花进行干旱处理数天后,经VIGS沉默GhGSTU19的植株的耐旱性较野生型更敏感,且复水后的再恢复性也较弱。对处理过程中的棉花叶片用扫描电镜观察超微结构,发现沉默后的棉花叶片细胞中,叶绿体损伤程度更大。
本发明通过基因工程获得35S-GhGSTU19-GFP转基因拟南芥,渗透胁迫后拟南芥生长正常并显著优于野生型。35S-GhGSTU19-GFP转基因拟南芥干旱耐受性增加。
这些结果表明谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19可以参与棉花干旱耐受适应性分子调控。
附图说明
图1 是棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19结构图;
图2 是棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19在响应干旱胁迫下的相对表达量统计图;
图3 是GhGSTU19沉默植株及空载对照植株在干旱胁迫前、干旱胁迫(停水8天)后及停止干旱胁迫(恢复浇水)以后的照片,抑制GhGSTU19基因表达的GhGSTU19沉默植株表现为不耐旱表型;
图4 是qRT-PCR检测棉花瞬时转化植株中GhGSTU19基因的相对表达量统计图;图中,XF155-1、XF155-2、XF155-3、XF155-5为GhGSTU19沉默植株,TRV2为空载对照植株;
图5 是使用透射电镜拍摄的抑制GhGSTU19基因表达的GhGSTU19沉默植株及对照植株的亚显微结构图像;其中对照植株的亚显微结构图像从左至右的比例尺分别10 μm、2μm、1 μm;GhGSTU19沉默植株的亚显微结构图像从左至右的比例尺分别20 μm、2 μm、2 μm;
图6是过表达GhGSTU19基因的转基因拟南芥(XF151-1、XF151-2)和对照植株Col0的DNA鉴定凝胶电泳图像;
图7是qPCR检测对照植株Col0和过表达GhGSTU19基因的转基因拟南芥中GhGSTU19基因的相对表达量统计图;
图8是对照植株Col0和过表达GhGSTU19基因的转基因拟南芥幼苗在1/2 MS和1/2MS(200mM 甘露醇(D-Mannitol))培养基上的生长表型。
具体实施方式
实施例1:棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19结构
如图1所示,棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19位于异源四倍体陆地棉A亚组06号染色体的19824562-19829384 bp区间内,该基因全长4823 bp。其核苷酸序列在四倍体陆地棉(G. hirsutum)TM-1A亚组中如SEQ ID NO.1所示,CDS序列如SEQ ID NO.2所示。
实施例2:棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19在干旱胁迫下的表达特性
将陆地棉TM-1培养在白天28℃,夜晚25℃条件下的植物培养室中,光周期条件为16小时光照/8小时黑暗,待生长到三叶一心时期,将植物分成两组,每组15个单株。其中一组为对照组正常浇水,另一组为干旱组改浇200 mM的甘露醇模拟干旱处理,处理12小时后,按单株取棉花叶片,每5株混成一个样品,即一个生物学重复,共三个对照样品和三个干旱胁迫处理样品。将收集到的样品进行RNA提取,进行二代转录组测序。GhGSTU19的转录表达水平如图2所示,在模拟干旱胁迫条件下,GhGSTU19基因表达量明显高于对照组。结果说明,GhGSTU19基因响应了棉花干旱胁迫,GhGSTU19基因参与棉花干旱胁迫应答。
实施例3:棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19在植物干旱耐受性方面的作用
1、棉花苗期瞬时转基因沉默GhGSTU19降低干旱耐受性
1.1实验材料
植物材料为异源四倍体陆地棉遗传标准系TM-1(G. hirsutum, Texas Marker-1,TM-1)。植物生长室条件为22-25℃,光周期条件为16小时光照/8小时黑暗。实验处理选用萌发后7-10天,子叶完全展开但是没有真叶的苗。处理用农杆菌菌株GV3101。载体构建阶段使用大肠杆菌DH5α。
1.2实验方法
1.2.1病毒诱导的基因沉默(Virus induced gene silencing, VIGS)载体构建。
根据GhGSTU19基因的保守区域设计引物(引物和序列),以棉花叶片cDNA为模版进行PCR扩增。
引物序列如下:
正向引物XF155-F:
5’gtgagtaaggttaccgaattcTTATGTGATTATGTCAAGAAAGACGTAGG 3’
(SEQ ID NO.5)
反向引物XF155-R:
5’cgtgagctcggtaccggatccGAACAGGTTTCGTCTGCAACAGT 3’
(SEQ ID NO.6)
PCR反应体系如表1所示。
表1 PCR反应体系
PCR扩增条件为:98 ℃预变性3 min,98 ℃变性10 sec,50 ℃退火10 sec,68 ℃延伸40 sec,共35个循环,反应结束后降温至4 ℃保存。反应结束后,将PCR产物进行1.2wt%琼脂糖凝胶电泳,紫外凝胶成像检测。
对得到的扩增DNA片段经过测序确认序列无误后,用限制性内切酶EcoRI和BamHI进行酶切,并连接入VIGS-TRV2载体中,进行大肠杆菌DH5α的转化。转化得到的阳性克隆经过PCR和测序鉴定序列无误后,命名载体为VIGS-TRV2-GSTU19;提取VIGS-TRV2、VIGS-TRV2-GSTU19质粒DNA,再转化到农杆菌菌株GV3101中,作为下一步实验用菌株。其中,转化有VIGS-TRV2载体的GV3101农杆菌作为空载对照。
1.2.2农杆菌侵染
将转化有VIGS-TRV2载体的GV3101农杆菌、转化有VIGS-TRV2-GSTU19载体的GV3101农杆菌菌液经过液体培养过夜,菌液浓度达到OD600 = 0.5后,分别与TRV1载体菌液进行等浓度混合。实验的正对照采用VIGS-TRV2-CLA1载体,CLA1基因是叶绿体发育过程中所需基因,在棉花中沉默CLA1后会出现光漂白的现象。将混合后的菌液分别用注射器注射到棉花苗子叶背部,得到空载对照植株、GhGSTU19沉默植株各30株及3株正对照植株。注射后的植株避光放置8小时后,恢复正常16/8小时光周期培养。培养温度为22-25℃。
1.2.3 qPCR检测VIGS瞬时转基因抑制GhGSTU19的表达效果
根据GhGSTU19基因序列设计特异引物(EL97-F:TGGAAGGTATGCGCCAAATG(SEQ IDNO.9);EL97-R:ATAGGTGTCGGTGTTCCCTG(SEQ ID NO.10)),用相对定量PCR的方法对空载对照植株和GhGSTU19沉默植株中的GhGSTU19基因的表达进行检测。
1.2.4表型观察
农杆菌侵染3-4周,正对照CLA1组的植物叶脉和叶片出现白化现象后,开始对植物的生长发育情况进行观察,并进行GhGSTU19沉默植株中的GhGSTU19基因表达量鉴定。对筛选出GhGSTU19基因表达明显受到抑制的GhGSTU19沉默植株和生长情况一致的正常生长的空载对照植株开始采取停止浇水的方式进行干旱处理。停水处理8天后对植物的外观进行观察。对干旱表型的鉴定根据植物的形态学特征、叶片的萎蔫程度来进行观察。
1.2.5 沉默GhGSTU19表达的植物超微结构观察
使用透射电镜对步骤1.2.4干旱胁迫处理后的GhGSTU19沉默植株和空载对照植株的叶片进行超微结构观察。
1.3实验结果
1.3.1 VIGS干扰GhGSTU19的植株基因表达下降
qRT-PCR分析表明,如图4所示,通过VIGS手段对GhGSTU19表达进行转基因干扰后,GhGSTU19沉默植株中GhGSTU19基因的相对表达量降低。
1.3.2 抑制GhGSTU19表达导致棉花幼苗对干旱的耐受性降低
如图3所示,停水8天后,VIGS干扰GhGSTU19的GhGSTU19沉默植株表现出低于对照植株的耐旱性,植物叶片出现严重的皱缩萎蔫性状。且恢复浇水后,通过VIGS技术沉默GhGSTU19的GhGSTU19沉默植株表现出较差的复水性。观察其叶片的超微结构,结果如图5所示,GhGSTU19沉默植株的棉花叶片细胞中,叶绿体损伤程度更大,说明当在棉花中使用VIGS的方法抑制GhGSTU19表达后,棉花在干旱条件下表现出更严重的叶片损伤现象,干旱耐受性降低。
2、拟南芥过表达GhGSTU19提高干旱耐受性
2.1实验材料
拟南芥(Arabidopsis thaliana)转化植株为Col0生态型。植物在22 ℃生长室生长,光周期为16小时光照,8小时黑暗。
2.2实验方法
2.2.1过表达GhGSTU19载体构建
根据GhGSTU19基因的保守区域设计引物(引物和序列),以棉花叶片cDNA为模版进行PCR扩增。
引物序列如下:
正向引物XF151-F:
5’gaacgatagggtacccccgggATGGCAGAGGAAGTAGTATTGCTAGA 3’
(SEQ ID NO.7)
反向引物XF151-R:
5’gcccttgctcaccatggatccGTGTAGTTGATTTTTCCTATTCCATTTG 3’
(SEQ ID NO.8)
对得到的扩增DNA片段经过测序确认序列无误后,将其重组到用限制性内切酶SmaI和BamHI进行酶切的pBinGFP4载体中,进行大肠杆菌DH5α的转化。转化得到的阳性克隆经过PCR和测序鉴定序列无误后,命名载体为35S-GhGSTU19-GFP,提取质粒DNA,并转化到农杆菌菌株GV3101中,作为下一步实验用菌株。
2.2.2过表达GhGSTU19拟南芥的获得
拟南芥转化采用农杆菌介导的浸花(Floral-dip)法。取生长一个月左右,生长状况良好的拟南芥植株。遗传转化前浇水并将已结的荚剪掉,将拟南芥的花浸泡在含过表达载体的农杆菌菌液中30-45 s,用吸水纸擦尽花序及叶片上残留的缓冲液。蘸花完毕后,将拟南芥放置在温室中遮光培养24 h,再恢复正常培养。3-5天后重复浸泡一次,共三次。24 h后将植物取出,转移到正常条件下生长。等待收取T0代种子。
收取转化植株的T0代种子。种子消毒处理后均匀铺在含有Kan的1/2 MS固体培养基上,4 ℃处理2 d后温室培养(22 ℃,光照16 h);将能够在培养基上生长的转基因植株移入土中培养,成熟后单株收获种子为T1代。T1代种子在含有Kan的1/2 MS固体培养基上培养,提取RNA进行反转录和荧光定量PCR实验,鉴定拟南芥阳性克隆。重复T1代工作,直到获得足量的T3代纯合系种子,进行后续实验。
2.2.3拟南芥干旱胁迫处理
拟南芥T3代纯合系种子用10wt%次氯酸钠消毒10 min,再用70vol%乙醇浸泡5min,ddH2O漂洗去除残留的乙醇,在超净台内点播于1/2 MS和1/2 MS(200mM 甘露醇(D-Mannitol))培养基上后4℃放置2d进行春化,再移入22℃(光周期16h光照/8h黑暗)植物光照培养箱中。
2.3 实验结果
2.3.1 过表达GhGSTU19拟南芥的获得和基因表达
利用农杆菌浸花法成功在拟南芥Col0中异源过表达了GhGSTU19。获得过表达GhGSTUI9的T3代转基因拟南芥XF151-1 和XF151-2两个纯系。PCR鉴定表明,过表达载体整合到了基因组中能够被载体通用引物(GFP4-F:CAAGCAATCAAGCATTCTAC(SEQ ID NO.11);GFP4-R:CGGACACGCTGAACTTGTGG(SEQ ID NO.12))以及GhGSTUI9的特异引物检测到,在对照植株野生型拟南芥Col0背景中则检测不到(图6)。其次,通过qRT-PCR验证了转基因阳性株系中GhGSTUI9的表达水平,结果表明在 Col0 背景中检测不到GhGSTU19的表达,在XF151-1和XF151-2中检测到了GhGSTU19的表达且表达丰度较高(图7)。
2.3.2 过表达GhGSTU19增加了拟南芥对干旱的耐受性
在1/2MS培养基条件下,转基因拟南芥与对照植株Col0在生长状态上无显著差异(图8)。这表明,在拟南芥中过表达GhGSTU19对拟南芥幼苗期的生长没有影响。在加入了甘露醇 (mannitol)进行植物模拟干旱处理的培养基上,严重的渗透胁迫导致对照植株Col0几乎无法萌发和生长,但过表达 GhGSTU19的拟南芥生长正常并显著优于对照组(图8)。这些结果说明GhGSTU19的异源过表达能够提高植物的干旱耐受性。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19,其特征在于,所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
2.一种权利要求1所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19在调控拟南芥或棉花耐旱能力中的应用,其特征在于,所述应用具体为:
在拟南芥或棉花中过表达所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19,从而增强拟南芥或棉花耐旱能力。
3.一种重组质粒,其特征在于,所述重组质粒过表达权利要求1所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19
4.权利要求3所述重组质粒在增强拟南芥或棉花耐旱能力中的应用。
5.一种构建耐旱棉花新品种的方法,其特征在于,具体为:将权利要求1所述棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19克隆并构建过表达载体,再通过转基因技术将过表达载体转染到野生型棉花品种中,获得棉花谷胱甘肽硫转移酶基因GhGSTU19过表达植株即为耐旱棉花新品种。
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