劉勝男 劉志華 王玉成
(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué)),哈爾濱,150040)
責(zé)任編輯:潘 華。
目前,在世界各地,鹽堿、干旱和低溫等逆境條件嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)和作物的產(chǎn)量,及人類(lèi)的生活環(huán)境和糧食安全。因此,研究植物抗逆機(jī)理對(duì)植物生長(zhǎng)具有重要意義。隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展,已有大量研究表明轉(zhuǎn)錄因子在植物逆境信號(hào)傳遞過(guò)程中起著非常重要的作用,它通過(guò)調(diào)控植物體內(nèi)特定功能基因的表達(dá),來(lái)應(yīng)答逆境脅迫[1]。因此,對(duì)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子蛋白功能的研究是解決植物抗逆的關(guān)鍵所在。
在真核生物中,轉(zhuǎn)錄因子,也被稱(chēng)為反式作用因子,通過(guò)與真核生物基因啟動(dòng)子中的順式作用元件特異性結(jié)合,從而對(duì)轉(zhuǎn)錄過(guò)程起到激活或抑制作用[2]。Riechmann 和Jakboy 等人研究發(fā)現(xiàn),堿性區(qū)域亮氨酸拉鏈蛋白,即bZIP(Basic region/leucine -zipper motif)類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子,是真核生物轉(zhuǎn)錄因子中分布最為廣泛且最為保守的一類(lèi)蛋白,在人類(lèi)、動(dòng)物、植物和微生物中均有報(bào)道[3-4]。研究發(fā)現(xiàn),bZIP 類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子廣泛參與植物生長(zhǎng)發(fā)育、種子儲(chǔ)藏、種子成熟、衰老、光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、損傷修復(fù)和病菌防御等多種生物學(xué)過(guò)程[5-14]。bZIP 類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別的核心序列為 AGTC 順式作用元件,其中包括 G 盒(CACGTG)、C 盒(GACGTC)、A 盒(TACGTA),一些受光、脫落酸(ABA)誘導(dǎo)的基因的啟動(dòng)子區(qū)都含有這些元件[15]。轉(zhuǎn)bZIP 基因的植株在高鹽、干旱、低溫和高溫逆境條件下都表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)[16]。目前,已從擬南芥、煙草、水稻等大量草本植物中分離獲得bZIP 類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子[17],但木本植物中bZIP 類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子功能的研究報(bào)道較少。
檉柳是一種具有極強(qiáng)抗逆能力的木本植物。徐晨曦等人[18]對(duì)檉柳TaelF5A 基因抗逆功能研究發(fā)現(xiàn),該基因?qū)}堿、干旱、過(guò)氧化物及重金屬在內(nèi)的多種脅迫具有抵抗能力;李紅艷等[19]研究發(fā)現(xiàn)檉柳lea 和MnSOD 基因具有抗鹽、抗旱能力。目前已有研究表明,檉柳中ERF 乙烯響應(yīng)因子、WRKY 轉(zhuǎn)錄因子及bZIP 轉(zhuǎn)錄因子具有抗逆能力[15,20-21]。
為了進(jìn)一步對(duì)檉柳中抗逆相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子蛋白活性分析,抗體制備及蛋白與特定元件結(jié)合驗(yàn)證等試驗(yàn)的研究,獲得純化的重組蛋白已成為關(guān)鍵性問(wèn)題;而目前已有的植物蛋白提取方法很難對(duì)專(zhuān)一性蛋白進(jìn)行提取,尤其對(duì)木本植物而言。突破以往原核表達(dá)技術(shù)在微生物及草本植物專(zhuān)一性蛋白獲取實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)克隆檉柳中ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子基因,并將其構(gòu)建到原核表達(dá)載體pGEX -4T -2 中,利用IPTG 誘導(dǎo)并純化重組蛋白,從而獲得了檉柳bZIP1轉(zhuǎn)錄因子蛋白。獲取的專(zhuān)一性bZIP1 轉(zhuǎn)錄因子蛋白為檉柳bZIP1 轉(zhuǎn)錄因子的抗逆功能研究提供了抗體制備的純化重組蛋白,也為對(duì)檉柳中bZIP1 轉(zhuǎn)錄因子蛋白活性分析及其與特定元件結(jié)合驗(yàn)證試驗(yàn)提供了前提保障。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)的研究方法也為木本植物專(zhuān)一性蛋白的獲取拓寬了研究思路,提供了方法借鑒。
檉柳(Tamarix hispida)由新疆吐魯番沙漠植物園提供;Top10 大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞購(gòu)自北京蓋寧生物公司;原核表達(dá)載體pGEX -4T -2 購(gòu)自GE Healthcare 公司;Ex Taq、RNA 反轉(zhuǎn)錄試劑盒等購(gòu)自TaKaRa 公司;BamHI,SalI 和T4 DNA ligase 等購(gòu)自Promaga 公司;質(zhì)粒(小量)提取試劑盒、膠回收試劑盒、PCR 產(chǎn)物純化試劑盒均購(gòu)自O(shè)MEGA 公司;其它試劑均購(gòu)自哈爾濱伊士達(dá)生物公司。
將扦插3~4 周大的組培檉柳苗用液氮速凍、充分研磨,利用CTAB 法[22]提取檉柳總RNA,并用DNase I 進(jìn)行處理。利用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA 濃度。
根據(jù)ThbZIP1 的基因序列設(shè)計(jì)引物,并在其上游和下游分別引入BamHI 和SalI 的酶切位點(diǎn),引物序列 為,bZIP1 - F:5’- TCGGGATCCATGTATCAACCCGTGAGTTC - 3’;bZIP1 - R:5’- CGATGTCGACCCGAACTGAAACATATCAGCGGT - 3’;其中酶切位點(diǎn)用下劃線表示。以提取的檉柳總RNA反轉(zhuǎn)錄的cDNA 為模板,PCR 擴(kuò)增ThbZIP1 基因;反應(yīng)體系為:RT 產(chǎn)物200 ng,10 ×Ex Taq buffer 2 μL,bZIP1 -F 引物1 μL,bZIP1 -R 引物1 μL,dNTP 0.4 μL,Ex Taq DNA 聚合酶0.3 μL,去離子水補(bǔ)至20 μL。反應(yīng)程序:94 ℃預(yù)變性3 min,94 ℃變性30 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,32 個(gè)循環(huán),72 ℃復(fù)性7 min。PCR 產(chǎn)物用瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),并回收目的片段。
利用ORF Finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)網(wǎng)站查找ThbZIP1 基因的開(kāi)放讀碼框序列;利用Expasy(http://web.expasy.org/cgi-bin/protparam/protparam)在線查找ThbZIP1 基因的分子量和等電點(diǎn);利用Clustalx1 8.3 軟件進(jìn)行多序列比對(duì),利用MEGA5.1 軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。
將回收的目的片段和pGEX-4T-2 質(zhì)粒,分別用BamHI 和SalI 進(jìn)行雙酶切,回收酶切產(chǎn)物,T4 DNA 連接酶將ThbZIP1 基因與pGEX -4T -2 質(zhì)粒16 ℃過(guò)夜連接,并將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化Top10 大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞,37 ℃過(guò)夜培養(yǎng)后,挑取單斑菌液PCR檢測(cè),挑取單克隆提取質(zhì)粒送交上海生工(http://www.sangon.com/sangon)測(cè)序。提取陽(yáng)性克隆質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化宿主菌BL21 中。經(jīng)菌液PCR 檢測(cè)后確定的陽(yáng)性克隆保存菌種備用。
分別在16、30、37 ℃條件下挑取已鑒定的陽(yáng)性克隆,在10 mL 含有50 μg/mL 羧芐青霉素的LB 液體培養(yǎng)基中180 r/min 震蕩培養(yǎng)。在OD600為1.7時(shí),IPTG 分別誘導(dǎo)4 h,收集2 mL 菌液,將收集的菌體4 ℃,12 000 r/min 離心5 min。棄上清,向沉淀中加入200 μL 大腸桿菌蛋白提取液,并在蛋白提取30、40、50、60 min 4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)收集提取液,在4 ℃條件下,12 000 r/min 離心15~20 min,分離沉淀和上清,10% SDS-PAGE 檢測(cè)。
取一段6~8 cm 透析袋,在沸水中煮沸10 min后浸泡于50%乙醇溶液10 min,然后用EDTA 溶液和蒸餾水依次沖洗1 次。將脫色后的目的蛋白用刀片切割回收,切割下來(lái)的目的蛋白膠粒置于備好的透析袋中同時(shí)向透析袋中加入Tris - glycine 溶液(pH=8.13),封好透析袋后,放入預(yù)冷的Tris -glycine 溶液(pH=8.13)的電泳槽中,100 V,電泳透析4 h;每30 min 攪動(dòng)透析袋待考馬斯亮藍(lán)完全從膠粒上脫離下來(lái)時(shí)倒轉(zhuǎn)電源,電泳5 min,停止電泳;將透析袋置于4 ℃的100 mm PBS 溶液中,過(guò)夜處理,期間要緩慢攪動(dòng)。透析結(jié)束后取出透析袋里的液體,并加入等體積的預(yù)冷丙酮,于4 ℃靜置1 h,14 000 r/min,離心30 min。沉淀用適量的10 mm PBS 溶液溶解,10% SDS-PAGE 電泳檢測(cè)。
以檉柳總RNA 反轉(zhuǎn)錄的cDNA 為模板,擴(kuò)增片段長(zhǎng)度為435 bp,與目的片段長(zhǎng)度相符(如圖1)。生物信息學(xué)分析表明,ThbZIP1 基因(GenBank 登錄號(hào)為:FJ752700)ORF 序列長(zhǎng)435 bp,共編碼144 個(gè)氨基酸,分子量為16.5 kDa,等電點(diǎn)為6.60。通過(guò)BlastP 進(jìn)行保守區(qū)預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)結(jié)果表明,ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子蛋白保守區(qū)從第20 位的氨基酸開(kāi)始,到80 位的氨基酸結(jié)束(如圖2)。在NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行多序列比對(duì)分析,結(jié)果表明這些氨基酸序列N 末端有一段高保守序列(圖3中黑色背景部分),即大概由20 個(gè)左右的亮氨酸組成的亮氨酸拉鏈(Leucine Zipper)LZ 區(qū)域;能夠參與寡聚化作用LZ 區(qū)域與堿性區(qū)域(Basic region)緊密相連,并且每7 個(gè)氨基酸的第7 位含有一個(gè)亮氨酸[16]。檉柳bZIP1 保守區(qū)域可以與專(zhuān)一的DNA 序列進(jìn)行相互作用,該區(qū)域?qū)τ赽ZIP1 轉(zhuǎn)錄因子蛋白的功能具有重要作用(如圖3)。利用MEGA5.1,將ThbZIP1 基因編碼的氨基酸序列與基因庫(kù)中毛果楊(Populus trichocarpa,XP -002301511 和XP -002306888)、大豆(Glycine max,NP - 001237222.1 和AB134674)、小 麥(Triticum aestivum,BAF99134)、擬南芥(Arabidopsis thaliana,XP-002301511)、煙草(Nicotiana tabacum,AAK92214)、木氏 煙(Nicotiana benthamiana,CBM56257)、蘋(píng)果(Malus domestica,ADL36616)、可可(Theobroma cacao,XP-007042116)和甜椒(Capsicum annuum,ABB17073)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。分析表明,ThbZIP1 基因編碼的蛋白與木氏煙的bZIP 蛋白親緣關(guān)系最近,與小麥的bZIP 蛋白親緣關(guān)系最遠(yuǎn)(圖4)。
圖1 檉柳總RNA 及bZIP1 基因PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物電泳
圖2 ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子蛋白保守區(qū)預(yù)測(cè)
圖3 檉柳ThbZIP1 與其它植物bZIP 轉(zhuǎn)錄因子氨基酸序列多序列比對(duì),其中黑色背景為高度保守序列
將引物bZIP1 -F 和bZIP1 -R 擴(kuò)增得到的目的片段用BamHI 和SalI 酶切回收后與酶切線性化載體pGEX-4T -2 連接,經(jīng)菌液PCR 產(chǎn)物電泳檢查條帶與目的條帶位置一致(如圖5),提取質(zhì)粒再次測(cè)序,測(cè)序結(jié)果表明,測(cè)序序列與目的條帶序列比對(duì)完全。分析表明:ThbZIP1 基因的表達(dá)載體pGEXThbZIP1 構(gòu)建成功。
構(gòu)建的BL21 -ThbZIP1 陽(yáng)性克隆菌液OD600達(dá)到1.7 左右時(shí),用濃度為1.0 mmol/L IPTG 分別在16、30、37 ℃條件下,誘導(dǎo)4 h 后,收集2 mL 菌液,并分別在用大腸桿菌蛋白提取液處理30、40、50、60 min 4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)收集提取液,SDS -PAGE 檢測(cè)結(jié)果表明,在沉淀樣品45 kDa 下方的位置處有明顯增粗的條帶,ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子分子量為16.5 kDa,加上表達(dá)標(biāo)簽大小為26 kDa,目的蛋白大小約為42.5 kDa,與預(yù)期相符;對(duì)照菌株BL21 - pGEX 及未經(jīng)IPTG 誘導(dǎo)的重組菌株BL21 -ThbZIP1 未見(jiàn)目的條帶,說(shuō)明重組蛋白rThbZIP1 主要以包涵體形式存在(如圖6)。同時(shí),電泳結(jié)果表明,誘導(dǎo)溫度為37 ℃時(shí),大腸桿菌蛋白提取液提取時(shí)間為50 min 時(shí),所獲目的蛋白量最大,占總蛋白76.42%(如圖7)。
圖4 檉柳ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)
圖5 重組載體pGEX-ThbZIP1 轉(zhuǎn)化后菌液PCR 檢測(cè)
圖6 重組蛋白rThbZIP1SDS-PAGE 電泳檢測(cè)
圖7 不同誘導(dǎo)溫度與不同蛋白提取時(shí)間下檉柳重組蛋白rThbZIP1 SDS-PAGE 電泳檢測(cè)
通過(guò)對(duì)重組蛋白條帶回收,電純化法純化重組蛋白,回收液經(jīng)SDS -PAGE 電泳檢測(cè)得到純度較好的單一蛋白條帶,無(wú)雜帶(如圖8)。
圖8 37 ℃IPTG 誘導(dǎo)后不同蛋白提取時(shí)間重組蛋白rThbZIP1 及重組蛋白rThbZIP1 電純化回收SDS -PAGE 電泳檢測(cè)
Ji 等人[23]已對(duì)檉柳ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子基因的分子抗逆機(jī)理做了深入研究,而對(duì)ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子蛋白與特定元件的驗(yàn)證試驗(yàn),如EMSA 等研究還沒(méi)有報(bào)道。臧聞、翟瑩等人[24-25]利用原核表達(dá)的方法分別獲取了小麥“陜253”P(pán)DI 基因的重組蛋白和大豆GmERF6 轉(zhuǎn)錄因子基因的重組蛋白;草本植物利用該方法獲得重組蛋白已有大量文獻(xiàn)記載,但木本植物利用該方法獲取專(zhuān)一性重組蛋白的報(bào)道少之又少。木本植物生長(zhǎng)周期較長(zhǎng),利用試劑盒獲取專(zhuān)一性植物蛋白較困難,且效率較低。因而,想要快速高效地獲取純化的重組蛋白,最為簡(jiǎn)便、快速、高效的方法就是利用原核表達(dá)系統(tǒng)獲取重組蛋白。本實(shí)驗(yàn)中,為了確定ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子最適原核表達(dá)條件,分別對(duì)誘導(dǎo)溫度、誘導(dǎo)時(shí)間、大腸桿菌蛋白提取液提取時(shí)間,以及菌體收集數(shù)量等不同參數(shù)進(jìn)行控制變量分析,試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),菌體收集數(shù)量對(duì)重組蛋白表達(dá)量幾乎沒(méi)有影響,大腸桿菌蛋白提取液提取時(shí)間影響也較小,對(duì)蛋白表達(dá)量影響最大的兩個(gè)因素為誘導(dǎo)時(shí)間和溫度(部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)未列出)。本實(shí)驗(yàn)是在37 ℃條件下,用濃度為1.0 mmol/L 的IPTG,誘導(dǎo)4 h,大腸桿菌提取液提取50 min,收獲的蛋白提取液,經(jīng)SDS -PAGE 電泳,回收重組蛋白條帶進(jìn)行的后續(xù)純化實(shí)驗(yàn)。以上條件是檉柳ThbZIP1轉(zhuǎn)錄因子重組蛋白表達(dá)量最大,重組蛋白條帶最為清晰的表達(dá)條件。
目前,蛋白質(zhì)的純化方法根據(jù)不同的參量有不同的方法。根據(jù)蛋白大小不同,分為透析,超濾,離心和凝膠過(guò)濾等;根據(jù)溶解度不同分離純化蛋白的方法分為等電點(diǎn)沉淀和pH 值調(diào)節(jié),蛋白質(zhì)的鹽析和鹽溶,有機(jī)溶劑分級(jí)分離法,雙水相萃取法和反膠團(tuán)萃取法;根據(jù)電荷不同分離純化蛋白的方法包括電泳和離子層析法;利用選擇性吸附的分離純化方法包括羥磷石灰層析和疏水作用層析;利用配體的特異生物學(xué)親和力的純化方法包括凝集素親和層析,免疫親和層析,金屬螯合層析,染料配體層析和共價(jià)層析等方法;有研究分析發(fā)現(xiàn),還有高效液相層析和快速蛋白質(zhì)液相層析法[26]。本試驗(yàn)采用的電純化法是基于蛋白質(zhì)電荷不同電泳純化法的一種蛋白純化方法。通過(guò)該方法較準(zhǔn)確且單一地回收了重組蛋白,該方法操作原理簡(jiǎn)單,用材簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn);對(duì)于存在于包涵體中蛋白而言,該方法省去了對(duì)包涵體溶解的過(guò)程。但是該方法也存在著一定不足,電純化蛋白法操作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。
綜上,以原核表達(dá)系統(tǒng)快速獲取重組蛋白,電純化法獲取純化重組蛋白,為更好地在蛋白質(zhì)水平研究ThbZIP1 轉(zhuǎn)錄因子的生物學(xué)功能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),并為木本植物專(zhuān)一性蛋白的獲得提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。
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