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        巴西橡膠樹β—木糖苷酶基因的克隆與生物信息學(xué)分析

        2014-09-02 18:58:24古小玲涂敏
        熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年7期
        關(guān)鍵詞:序列分析基因克隆

        古小玲++涂敏

        摘 要 以巴西橡膠樹根為材料,利用RT-PCR技術(shù)從總RNA中捕獲到一個β-木糖苷酶家族基因(β-xylosidase 或β-D-xyloside xylohydrolase,EC 3.2.1.37),cDNA長度2 880 bp,開放閱讀框2 319 bp,編碼773個氨基酸,命名為HbEC32。在HbEC32氨基酸序列中具有一個較強的跨膜區(qū),二級結(jié)構(gòu)分析表明其屬于混合型蛋白。HbEC32在N端前8~20氨基酸區(qū)域內(nèi)為較強的疏水區(qū),但整條多肽鏈表現(xiàn)為親水性。對15個β-木糖苷酶蛋白進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),巴西橡膠樹的HbEC32基因與蓖麻親緣關(guān)系最近。

        關(guān)鍵詞 巴西橡膠樹 ;HbEC32 ;基因克隆 ;序列分析

        分類號 S794.1

        橡膠產(chǎn)業(yè)面臨著多種病蟲害的危害,橡膠樹根病是其中的一類重要土傳性病害[1]。此類病害主要是由擔(dān)子菌和子囊菌中不同種的真菌危害巴西根系而造成,首先影響橡膠樹的生長,引起葉片發(fā)黃、樹枝缺水干枯,降低膠乳產(chǎn)量,最后直接導(dǎo)致整株樹死亡,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。目前研究表明,在植物與病原菌互作中,病原菌形成一系列入侵、快速生長、迅速擴(kuò)散的機(jī)制;而植物細(xì)胞形成了含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的細(xì)胞壁,形成了堅固的壁壘[4]。其中,木聚糖酶是其入侵寄主植物的物質(zhì)基礎(chǔ)之一,植物木聚糖酶主要包括外切β-1,4-木聚糖酶、內(nèi)切β-1,4-木聚糖酶和β-木糖苷酶[5]。筆者在橡膠樹根中克隆到橡膠樹β-木糖苷酶相關(guān)基因,為橡膠樹木聚糖酶。深入對橡膠樹β-木糖苷酶基因進(jìn)行研究,了解橡膠樹β-木糖苷酶在受根病病原菌侵染時的表達(dá)水平,是否存在表達(dá)相關(guān)的抑制性蛋白,對研究橡膠樹根病防治和抗根病具有重要意義。本研究以巴西橡膠樹(Hevea brasiliensis)嫩根為材料,通過比較分析多種植物的β-木糖苷酶基因的保守序列,設(shè)計特異引物,采用RT-PCR的方法獲得了HbEC32完整開放閱讀框序列,從而為橡膠樹根病致病機(jī)理研究和橡膠樹抗根病分子育種奠定了理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        樹根:巴西橡膠樹熱研7-33-97品系的組培苗的幼嫩根,由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所國家種質(zhì)資源圃提供。

        試劑:高保真Taq酶、T4 DNA連接酶、RNA酶抑制劑、pMD19-T載體(大連寶生物公司),反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Fermentas公司),感受態(tài)細(xì)胞菌種為Escherichia coli JM109(北京全式金生物技術(shù)有限公司),DNA凝膠和PCR產(chǎn)物回收試劑盒(Axygen公司)。

        引物合成與測序送深圳華大完成。

        1.2 方法

        1.2.1 RNA提取和cDNA第一鏈的合成

        采用改良的CTAB法[3]提取巴西橡膠樹熱研7-33-97品系組培苗嫩根的總RNA。根據(jù)反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明,取1 μg總RNA進(jìn)行cDNA第一鏈的合成,具體操作按產(chǎn)品說明書進(jìn)行。

        1.2.2 HbEC32的克隆與序列測定

        從NCBI網(wǎng)站獲取已發(fā)表的人參、番茄、蓖麻、葡萄等作物[6-9]的β-木糖苷酶基因序列,通過生物信息學(xué)分析軟件,進(jìn)行同源性比對,利用保守區(qū)域的序列設(shè)計引物,正向引物5′-GTTTGTTAGCTCTTTACTCTCTATCAAC-3′反向引物5′-TGGGAGTATGAAAAAAA TAATAATAAT-3′,采用RT-PCR技術(shù)進(jìn)行基因克隆,獲取基因開放閱讀框完整序列。以1.2.1獲得的cDNA第一鏈為模板50 ng,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增體系為20 μL。擴(kuò)增程序為:95℃變性5 min,94℃變性30 S,58℃退火30 S,72℃延伸2.5 min,30個循環(huán),最后72 ℃延伸15 min。利用1.0%瓊脂糖凝膠,電泳分離PCR擴(kuò)增產(chǎn)物,在紫外燈下回收目的條帶;利用DNA凝膠和PCR產(chǎn)物回收試劑盒進(jìn)行純化回收,回收的目的片段克隆到載體pMD19-T,轉(zhuǎn)化到大腸桿菌JM109中,篩選陽性菌株送測序。

        1.2.3 HbEC32基因生物信息學(xué)分析

        對以獲得的基因序列進(jìn)行相關(guān)的生物信息學(xué)分析。通過DNAMAN軟件對目的基因開放閱讀框的預(yù)測、以及蛋白的基本性質(zhì)進(jìn)行分析;利用NCBI序列比對分析目的基因的氨基酸保守結(jié)構(gòu)域;利用Predict Protein、TMpred和ServerProtScale在線蛋白質(zhì)分析軟件分析HbEC32蛋白的二級結(jié)構(gòu)、跨膜方向、蛋白質(zhì)跨膜區(qū)、疏水性和親水性;利用Clustal X 1.83軟件對15個不同來源的β-木糖苷酶相關(guān)基因進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 RNA與反轉(zhuǎn)錄cDNA的檢測

        電泳結(jié)果表明,通過改良的CTAB法提取的橡膠樹幼嫩根RNA完整性很好(圖1)。由圖1可以看出,28 S條帶比18 S條帶亮2倍,無拖尾;A260/A280比值在1.80~2.0,提取的RNA純度達(dá)到反轉(zhuǎn)錄cDNA要求;反轉(zhuǎn)錄cDNA的擴(kuò)增產(chǎn)物在1 100 bp左右,條帶清晰、亮度適中(圖2),提取的RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA質(zhì)量較好,可用于后續(xù)的基因擴(kuò)增。

        2.2 HbEC32的RT-PCR擴(kuò)增

        1.0%瓊脂糖凝膠上電泳結(jié)果顯示,4個重復(fù)泳道,都出現(xiàn)清晰的唯一條帶,對比Marker,大小在3 000 bp左右的地方(圖3),PCR擴(kuò)增產(chǎn)物與引物設(shè)計的目的片段的分子量大小相一致,可以用于下一步回收、連接、轉(zhuǎn)化送測序。

        2.3 HbEC32的序列分析

        DNAMAN軟件對目的基因測序分析表明,獲得的HbEC32基因長度2 880 bp,開放閱讀框2 319 bp,編碼氨基酸773個(圖4),分子量約為85.15 ku,理論等電點為7.90。通過NCBI比對結(jié)果來知,目標(biāo)蛋白與糖基水解酶家族和木糖糖苷酶有很高的同源性(圖5)。HbEC32蛋白的二級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果中,α螺旋(H)占25.90%,β折疊(E)占15.80%,無規(guī)則卷曲(L)占58.30%,預(yù)測HbEC32蛋白屬于混合型蛋白(圖6)。endprint

        2.4 HbEC32蛋白的親水性/疏水性分析

        巴西橡膠樹HbEC32蛋白的疏水性/親水性在線預(yù)測結(jié)果表明:HbEC32蛋白多肽鏈在第15位表現(xiàn)出最強的疏水性,分值為2.78;在第710位表現(xiàn)出最強的親水性,分值為-2.94;N端前8~20氨基酸范圍內(nèi)有一較強的疏水區(qū);總體來說,此多肽鏈表現(xiàn)出較強的親水性(圖7)。

        2.5 HbEC32蛋白跨膜區(qū)分析

        TMpred進(jìn)行蛋白質(zhì)跨膜區(qū)和跨膜方向的預(yù)測結(jié)果表明,HbEC32蛋白氨基酸序列中3~24和524~544處出現(xiàn)分值1367和561的跨膜結(jié)構(gòu)域,屬可溶性型、可跨膜蛋白類(圖8),這一結(jié)果與ProtScale預(yù)測的HbEC32蛋白多肽鏈表現(xiàn)為親水性一致。

        2.6 HbEC32基因的進(jìn)化分析

        利用Clustal X 1.83軟件對HbEC32基因進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析,結(jié)果顯示:15個β-木糖苷酶基因可分為2大類,可可的β-木糖苷酶基因家族4號基因與其它的進(jìn)化距離較大,其他物種和橡膠樹HbEC32歸為一類,其中蓖麻和橡膠樹進(jìn)化距離最近(圖9)。

        說明:15個β-木糖苷酶基因:橡膠樹(Hb)、蓖麻(Rc)、毛楊(Pt)、可可(Tc1、Tc2、Tc3、Tc4)、甜橙(Cs)、野草莓(Fv)、葡萄(Vv)、擬南芥(At3、At7)、馬鈴薯(St)、碧桃(Pp)、鷹嘴豆(Ca)。

        3 討論與結(jié)論

        在植物與病原菌互作中,分泌細(xì)胞壁降解酶是病原菌的一種入侵機(jī)制[10]。而寄主植物為防御病原菌的侵入,一方面主動識別病原菌木聚糖酶,使木聚糖酶作為激發(fā)子引發(fā)宿主的一系列防衛(wèi)反應(yīng)[11],另一方面,寄主植物通過合成木聚糖酶抑制蛋白來抑制病原菌木聚糖酶的活性,產(chǎn)生防御效果[12]。寄主植物的抑制蛋白會根據(jù)病原菌的木聚糖酶的不同而形成一系列結(jié)構(gòu)、表達(dá)模式、作用特異性等特征各異的家族成員,而且這種變化常常是由很少數(shù)的幾個氨基酸殘基的結(jié)構(gòu)決定的[13]。

        目前,橡膠樹的木聚糖酶家族基因的研究還比較少,而橡膠樹中真菌病害卻比較多。本研究從橡膠樹根中分離得到的β-木糖苷酶基因是木聚糖酶龐大家族的一員,推測對于橡膠樹根病病原菌來說,木聚糖酶可能是其入侵寄主植物的物質(zhì)基礎(chǔ),與橡膠樹的細(xì)胞壁合成和病原菌防御有著密切的關(guān)系。但確定其是否能夠影響橡膠樹的抗病性,還需后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行功能和表達(dá)分析的研究。本研究獲得的橡膠樹β-木糖苷酶基因?qū)橄鹉z樹根病防治和抗根病研究奠定一定的分子理論基礎(chǔ)。

        致 謝 感謝中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所國家天然橡膠種質(zhì)資源圃提供巴西橡膠樹品系熱研7-33-97的樹根材料。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 黃宗道. 熱帶北緣橡膠樹栽培[M]. 廣州:廣東科技出版社,1987.

        [2] 黃貴修,許燦光. 中國天然橡膠病蟲草害識別與防治[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2012.

        [3] 安澤偉,黃 華. 一種提取橡膠樹葉中總DNA的方法[J]. 植物生理學(xué)通訊,2005(4):513-515.

        [4] 黃宗慶. 木糖苷酶的酶學(xué)性質(zhì)分析及定向進(jìn)化[D]. 武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

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        [7] Itai A, Ishihara K, Bewley D. Characterization of expression, and cloning, of β-d-xylosidase and α-L-arabinofuranosidase in developing and ripening tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) fruit[J]. Exp Bot, 2003, 54: 2 615-2 622.

        [8] Ronen R, Zauberman G, Akerman M, et al. Xylanase and xylosidase activities in avocado fruit[J]. Plant Physiol,1991,95(3):961-964.

        [9] Minic Z, Rihouey C, Cao T Do, et al. Purification and characterization of enzymes exhibiting β-d-xylosidase activities in stem tissues of Arabidopsis[J]. Plant Physiol, 2004, 135(2):867-878.

        [10] Yejun Han,Hongzhang Chen. A β-xylosidase from cell wall of maize: Purification, properties and its use in hydrolysis of plant cell wall[J]. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2010, 63(3-4): 135-140.

        [11] 王 瑾. 茶樹葉部由病原真菌侵染引發(fā)的內(nèi)源糖苷酶及咖啡堿合成相關(guān)酶基因差異表達(dá)[D]. 合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

        [12] 周 潔,鄭祥梓,蘭 斕,等. 稻瘟病菌假定的糖基水解酶62家族初步研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(8):2 754-2 762.

        [13] Claudia A,Bustamante,Pedro M Civello,et al. Cloning of the promoter region of β-xylosidase (FaXyl1) gene and effect of plant growth regulators on the expression of FaXyl1in strawberry fruit[J]. Plant Science, 2009, 177: 49-56.endprint

        2.4 HbEC32蛋白的親水性/疏水性分析

        巴西橡膠樹HbEC32蛋白的疏水性/親水性在線預(yù)測結(jié)果表明:HbEC32蛋白多肽鏈在第15位表現(xiàn)出最強的疏水性,分值為2.78;在第710位表現(xiàn)出最強的親水性,分值為-2.94;N端前8~20氨基酸范圍內(nèi)有一較強的疏水區(qū);總體來說,此多肽鏈表現(xiàn)出較強的親水性(圖7)。

        2.5 HbEC32蛋白跨膜區(qū)分析

        TMpred進(jìn)行蛋白質(zhì)跨膜區(qū)和跨膜方向的預(yù)測結(jié)果表明,HbEC32蛋白氨基酸序列中3~24和524~544處出現(xiàn)分值1367和561的跨膜結(jié)構(gòu)域,屬可溶性型、可跨膜蛋白類(圖8),這一結(jié)果與ProtScale預(yù)測的HbEC32蛋白多肽鏈表現(xiàn)為親水性一致。

        2.6 HbEC32基因的進(jìn)化分析

        利用Clustal X 1.83軟件對HbEC32基因進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析,結(jié)果顯示:15個β-木糖苷酶基因可分為2大類,可可的β-木糖苷酶基因家族4號基因與其它的進(jìn)化距離較大,其他物種和橡膠樹HbEC32歸為一類,其中蓖麻和橡膠樹進(jìn)化距離最近(圖9)。

        說明:15個β-木糖苷酶基因:橡膠樹(Hb)、蓖麻(Rc)、毛楊(Pt)、可可(Tc1、Tc2、Tc3、Tc4)、甜橙(Cs)、野草莓(Fv)、葡萄(Vv)、擬南芥(At3、At7)、馬鈴薯(St)、碧桃(Pp)、鷹嘴豆(Ca)。

        3 討論與結(jié)論

        在植物與病原菌互作中,分泌細(xì)胞壁降解酶是病原菌的一種入侵機(jī)制[10]。而寄主植物為防御病原菌的侵入,一方面主動識別病原菌木聚糖酶,使木聚糖酶作為激發(fā)子引發(fā)宿主的一系列防衛(wèi)反應(yīng)[11],另一方面,寄主植物通過合成木聚糖酶抑制蛋白來抑制病原菌木聚糖酶的活性,產(chǎn)生防御效果[12]。寄主植物的抑制蛋白會根據(jù)病原菌的木聚糖酶的不同而形成一系列結(jié)構(gòu)、表達(dá)模式、作用特異性等特征各異的家族成員,而且這種變化常常是由很少數(shù)的幾個氨基酸殘基的結(jié)構(gòu)決定的[13]。

        目前,橡膠樹的木聚糖酶家族基因的研究還比較少,而橡膠樹中真菌病害卻比較多。本研究從橡膠樹根中分離得到的β-木糖苷酶基因是木聚糖酶龐大家族的一員,推測對于橡膠樹根病病原菌來說,木聚糖酶可能是其入侵寄主植物的物質(zhì)基礎(chǔ),與橡膠樹的細(xì)胞壁合成和病原菌防御有著密切的關(guān)系。但確定其是否能夠影響橡膠樹的抗病性,還需后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行功能和表達(dá)分析的研究。本研究獲得的橡膠樹β-木糖苷酶基因?qū)橄鹉z樹根病防治和抗根病研究奠定一定的分子理論基礎(chǔ)。

        致 謝 感謝中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所國家天然橡膠種質(zhì)資源圃提供巴西橡膠樹品系熱研7-33-97的樹根材料。

        參考文獻(xiàn)

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        [9] Minic Z, Rihouey C, Cao T Do, et al. Purification and characterization of enzymes exhibiting β-d-xylosidase activities in stem tissues of Arabidopsis[J]. Plant Physiol, 2004, 135(2):867-878.

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        [12] 周 潔,鄭祥梓,蘭 斕,等. 稻瘟病菌假定的糖基水解酶62家族初步研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(8):2 754-2 762.

        [13] Claudia A,Bustamante,Pedro M Civello,et al. Cloning of the promoter region of β-xylosidase (FaXyl1) gene and effect of plant growth regulators on the expression of FaXyl1in strawberry fruit[J]. Plant Science, 2009, 177: 49-56.endprint

        2.4 HbEC32蛋白的親水性/疏水性分析

        巴西橡膠樹HbEC32蛋白的疏水性/親水性在線預(yù)測結(jié)果表明:HbEC32蛋白多肽鏈在第15位表現(xiàn)出最強的疏水性,分值為2.78;在第710位表現(xiàn)出最強的親水性,分值為-2.94;N端前8~20氨基酸范圍內(nèi)有一較強的疏水區(qū);總體來說,此多肽鏈表現(xiàn)出較強的親水性(圖7)。

        2.5 HbEC32蛋白跨膜區(qū)分析

        TMpred進(jìn)行蛋白質(zhì)跨膜區(qū)和跨膜方向的預(yù)測結(jié)果表明,HbEC32蛋白氨基酸序列中3~24和524~544處出現(xiàn)分值1367和561的跨膜結(jié)構(gòu)域,屬可溶性型、可跨膜蛋白類(圖8),這一結(jié)果與ProtScale預(yù)測的HbEC32蛋白多肽鏈表現(xiàn)為親水性一致。

        2.6 HbEC32基因的進(jìn)化分析

        利用Clustal X 1.83軟件對HbEC32基因進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析,結(jié)果顯示:15個β-木糖苷酶基因可分為2大類,可可的β-木糖苷酶基因家族4號基因與其它的進(jìn)化距離較大,其他物種和橡膠樹HbEC32歸為一類,其中蓖麻和橡膠樹進(jìn)化距離最近(圖9)。

        說明:15個β-木糖苷酶基因:橡膠樹(Hb)、蓖麻(Rc)、毛楊(Pt)、可可(Tc1、Tc2、Tc3、Tc4)、甜橙(Cs)、野草莓(Fv)、葡萄(Vv)、擬南芥(At3、At7)、馬鈴薯(St)、碧桃(Pp)、鷹嘴豆(Ca)。

        3 討論與結(jié)論

        在植物與病原菌互作中,分泌細(xì)胞壁降解酶是病原菌的一種入侵機(jī)制[10]。而寄主植物為防御病原菌的侵入,一方面主動識別病原菌木聚糖酶,使木聚糖酶作為激發(fā)子引發(fā)宿主的一系列防衛(wèi)反應(yīng)[11],另一方面,寄主植物通過合成木聚糖酶抑制蛋白來抑制病原菌木聚糖酶的活性,產(chǎn)生防御效果[12]。寄主植物的抑制蛋白會根據(jù)病原菌的木聚糖酶的不同而形成一系列結(jié)構(gòu)、表達(dá)模式、作用特異性等特征各異的家族成員,而且這種變化常常是由很少數(shù)的幾個氨基酸殘基的結(jié)構(gòu)決定的[13]。

        目前,橡膠樹的木聚糖酶家族基因的研究還比較少,而橡膠樹中真菌病害卻比較多。本研究從橡膠樹根中分離得到的β-木糖苷酶基因是木聚糖酶龐大家族的一員,推測對于橡膠樹根病病原菌來說,木聚糖酶可能是其入侵寄主植物的物質(zhì)基礎(chǔ),與橡膠樹的細(xì)胞壁合成和病原菌防御有著密切的關(guān)系。但確定其是否能夠影響橡膠樹的抗病性,還需后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行功能和表達(dá)分析的研究。本研究獲得的橡膠樹β-木糖苷酶基因?qū)橄鹉z樹根病防治和抗根病研究奠定一定的分子理論基礎(chǔ)。

        致 謝 感謝中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所國家天然橡膠種質(zhì)資源圃提供巴西橡膠樹品系熱研7-33-97的樹根材料。

        參考文獻(xiàn)

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