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        柱花草SgSTOP1和SgSTOP2基因的克隆與表達(dá)分析

        2019-04-04 03:23:10羅佳佳向晨瑩劉攀道王文強劉國道陳志堅
        草業(yè)科學(xué) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:分析

        羅佳佳,向晨瑩,劉攀道,胡 璇,唐 軍,王文強,劉國道,陳志堅

        (1. 海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院,海南 ???570228;2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所 /農(nóng)業(yè)部華南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,海南 儋州 571737)

        世界范圍內(nèi),超過50%的可耕作土壤為pH低于5.0的酸性土壤,并主要分布于熱帶和亞熱帶地區(qū)[1]。在我國,有超過2 000萬hm2土壤為酸性土壤,占全國耕地面積的21%[2]。酸性土壤存在著多種限制作物生長的不利因素,主要包括金屬離子毒害 (如 Al3+、Fe3+、Mn2+等)和養(yǎng)分缺乏 (如 P、Ca、Mg等)[3]。在酸性土壤中,Al3+能通過阻礙細(xì)胞分裂和伸長而抑制根系生長,阻礙根系對礦質(zhì)營養(yǎng)和水分的吸收[4]。在長期進(jìn)化過程中,植物形成了一系列適應(yīng)鋁毒脅迫的機制。例如,植物受到鋁毒脅迫時,可以促進(jìn)根分泌有機酸,螯合根際鋁離子,阻止鋁進(jìn)入細(xì)胞。進(jìn)入細(xì)胞的Al3+可被固定在細(xì)胞壁內(nèi),或被有機酸螯合并隔離在液泡中,從而緩解鋁毒害[5]。

        鋅指轉(zhuǎn)錄因子 STOP(sensitive to proton rhizotoxi city)是Cys-2-His-2(C2H2)型轉(zhuǎn)錄因子家族成員[6]。C2H2鋅指蛋白(ZF)是核酸綁定蛋白,定位于細(xì)胞核中,起轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用[7]。在擬南芥(Arabidopsis thaliana)中,AtSTOP1含有4個高度保守的C2H2鋅指結(jié)構(gòu)域(ZF domain),能調(diào)控下游耐鋁關(guān)鍵基因表達(dá),如鋁激活表達(dá)蘋果酸轉(zhuǎn)運子AtALMT1(Aluminum acti vated malate transporter 1)、鋁敏感因子AtALS3(Aluminum sensitive 3)和檸檬酸轉(zhuǎn)運蛋白AtMATE1(Multidrug and toxic compound extrusion 1)[8-9]。 擬 南 芥stop1突變體對鋁極為敏感,根系生長嚴(yán)重受阻,這可能是由于耐鋁相關(guān)基因表達(dá)受阻所致[8]。近年來,在其他植物中,相繼克隆了與AtSTOP1同源的基因,如水稻(Oryza sativa)[10-12]和煙草(Nicotiana tabacum)[13]。因此,STOPs在植物抵御鋁毒脅迫中起重要的調(diào)控作用。

        柱花草(Stylosanthes guianensis)起源于熱帶和亞熱帶地區(qū),是重要的豆科牧草,可作為飼草喂養(yǎng)牲畜、作為綠肥覆蓋果園和改良土壤等[14-16]。柱花草具有較強的耐鋁毒能力,是研究植物適應(yīng)酸性土壤鋁毒脅迫機制的優(yōu)良材料[17-18]。研究發(fā)現(xiàn),柱花草蘋果酸酶基因SgME1(malic enzyme)具有調(diào)控根系蘋果酸合成螯合鋁離子的功能,是柱花草耐酸鋁脅迫的重要基因[19]。目前,對柱花草耐鋁毒能力評價的研究較多,但其耐鋁毒的分子調(diào)控機制尚不清楚。因此,本研究以柱花草為材料,克隆獲得了柱花草兩個鋅指轉(zhuǎn)錄因子SgSTOP1和SgSTOP2,并對其進(jìn)行生物信息學(xué)和表達(dá)模式分析,以期為進(jìn)一步探索柱花草適應(yīng)鋁毒脅迫的分子調(diào)控機制提供基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        本研究所用的8份圭亞那柱花草(Stylosanthes gui anensis)基因型分別為TPRC2001-1、TF268、TF305、TF387、TF238、TF278、TF207、TF323。柱花草種子由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所熱帶牧草研究室提供。

        1.2 方法

        1.2.1 鋁處理和相對根長測定

        參照Sun等[19]方法,挑選飽滿的柱花草種子剝?nèi)シN殼,80 ℃水浴3 min,冷卻后播種于浸潤500 μmol·L-1CaSO4溶液的濾紙上。柱花草幼苗根長至2 cm時,進(jìn)行2個鋁濃度處理,分別為0 μmol·L-1AlCl3(對照,CK)和 60 μmol·L-1AlCl3(鋁處理,Al),每個處理設(shè)置4個生物學(xué)重復(fù)。分別在處理 0和 24 h后,用根系掃描儀 (EPSON,日本)掃描根長圖像,并用根系分析軟件Image J(National Institutes of Health, 美 國 )統(tǒng) 計 根 長 (root

        length, RL), 然 后 根 據(jù) 公 式 (RLAl24 h- RLAl0 h)/(RLCK24 h- RLCK0 h) × 100% 計算相對根長。

        1.2.2 柱花草根系總 RNA 提取和 cDNA 合成

        參照 TRIzol(Invitrogen Inc,美國)方法提取鋁處理下TPRC2001-1根系總RNA:取0.1 g根系樣品加入 1 mL TRIzol提取液,充分研磨后加入 0.2 mL氯仿。室溫放置 5 min 后,4 ℃,12 000 r·min-1離心15 min。吸取上清,加入0.5 mL異丙醇,充分混勻后室溫放置 10 min。4 ℃,12 000 r·min-1離心10 min 后,棄上清,用 75 % 乙醇洗滌沉淀。4 ℃,7 500 r·min-1離心 5 min 后,棄上清,風(fēng)干沉淀,加入DEPC水溶解RNA。

        參照M-MLV反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Invitrogen Inc,美國)方法合成cDNA第一鏈:在PCR管中加入2 μg RNA、 1 μL Oligo(dT)18(100 nmol·μL-1), 并 加 入ddH2O 補足體積至 10 μL。于 70 ℃ 保溫 5 min,冰浴 5 min。隨后分別加入 5 μL M-MLV 5 × Reaction Buffer,1.25 μL dNTPs(10 mmol·L-1),0.5 μL RNase 抑制劑 (25 U)和 1 μL M-MLV RT(200 U)。于 42 ℃ 反應(yīng) 60 min,70 ℃ 滅活 10 min。反應(yīng)結(jié)束后,-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.2.3SgSTOPs全長 cDNA 克隆

        參考柱花草鋁毒脅迫轉(zhuǎn)錄組結(jié)果[18],篩選獲得SgSTOP1和SgSTOP2基因全長序列,根據(jù)基因序列,設(shè)計引物SgSTOP1-TL-F和SgSTOP1-TL-R,SgSTOP2-TL-F和SgSTOP2-TL-R(表1)。以根系cDNA為模板,通過PCR擴增SgSTOP1和SgSTOP2基因。PCR擴增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測、目的片段回收、連接到克隆載體pEASY-T1(Takara公司)、轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α和測序分析后,獲得SgSTOP1和SgSTOP2全長cDNA序列,并將序列提交至NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/)。SgSTOP1和SgSTOP2在NCBI上的序列號分別為MH795120和MH-795121)。

        1.2.4 生物信息學(xué)分析

        運用DNAMAN進(jìn)行多序列比對分析;利用WoLF PSORT(https://www.genscript.com/wolf-psort.html)進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測分析;利用OCTOPUS(http://octopus.cbr.su.se/index.php)預(yù)測跨膜結(jié)構(gòu)域和信號肽;采用MAGA(v5.05)進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹分析;采用MEME在線軟件(http://meme-suite.org/)進(jìn)行蛋白Motif分析;利用NCBI網(wǎng)站進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域分析。

        1.2.5 實時熒光定量 PCR 分析

        運用SYBR Green(Takara,日本)定量試劑盒進(jìn)行實時熒光定量PCR,用Rotor-Gene 3000系統(tǒng)(Corbett Research,澳大利亞)進(jìn)行反應(yīng)。定量PCR反應(yīng)體系為:10 μL 2 × SYBR Green PCR master mix,6.4 μL Mili-Q 水 ,0.8 μL 10 μmol·L-1的引 物 ,2 μL 稀 釋100 倍的 cDNA 模板。反應(yīng)程序為:95 ℃ 30 s,94 ℃15 s,60 ℃ 15 s,72 ℃ 30 s,40 次循環(huán)。相對表達(dá)量=目的基因表達(dá)量/看家基因(SgEF-1a)表達(dá)量,目的基因SgSTOP1、SgSTOP2和看家基因SgEF-1a的定量引物如表1所列。

        1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

        采用 Microsoft Excel 2003 進(jìn)行作圖,用 SPSS19.0(SPSS Institute,美國)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示測定結(jié)果,對鋁處理下不同柱花草基因型間進(jìn)行單因素方差分析,對基因在根和葉、CK和鋁處理間分別進(jìn)行t檢驗分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 鋁毒對柱花草相對根長的影響

        60 μmol·L-1AlCl3處理顯著抑制柱花草根系生長,并且,柱花草的耐鋁能力表現(xiàn)出基因型差異。在 60 μmol·L-1鋁處理下,柱花草 TPRC2001-1 的相對根長最大,顯著大于其他7份基因型(P<0.05);TF268和TF305次之,TF323最小(圖1)。這表明,8份試驗材料中TPRC2001-1是耐鋁柱花草基因型。

        2.2 柱花草SgSTOP1和SgSTOP2的克隆與序列分析

        根據(jù)轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果[18],獲得SgSTOP1和SgSTOP2基因序列,設(shè)計正向和反向引物,以鋁毒脅迫下TPRC2001-1根系cDNA為模板,擴增出SgSTOP1和SgSTOP2基因cDNA全長序列。經(jīng)測序分析發(fā)現(xiàn),SgSTOP1和SgSTOP2基因全長序列與轉(zhuǎn)錄組結(jié)果一致,基因大小分別為 1 515、1 077 bp(圖 2)。SgSTOP1和SgSTOP2分別編碼504、358個氨基酸殘基,蛋白分子量分別為56.2和39.7 kDa,理論等電點分別為5.78、5.76,均為親水性蛋白質(zhì)。此外,利用在線軟件OCTOPUS預(yù)測分析發(fā)現(xiàn),SgSTOP1和SgSTOP2均無跨膜結(jié)構(gòu)域和信號肽。利用WoLF PSORT預(yù)測分析發(fā)現(xiàn),SgSTOP1和SgSTOP2均定位于細(xì)胞核中,表明SgSTOP1和SgSTOP2具備作為轉(zhuǎn)錄因子的特點。

        圖 2 SgSTOP1 和 SgSTOP2 全長 cDNA 克隆Figure 2 Full length cloning of SgSTOP1 and SgSTOP2

        2.3 柱花草 SgSTOP1 和 SgSTOP2 多序列比對和蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析

        CDD Tools預(yù)測表明,SgSTOP1和SgSTOP2屬

        圖 3 SgSTOP1 和 SgSTOP2 保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測Figure 3 Conserved domain prediction of SgSTOP1 and SgSTOP2

        于ZF-C2H2家族成員,兩者分別含有2個Zn綁定位點,2個核酸綁定位點(圖3)。將SgSTOP1和SgSTOP2蛋白序列與已報道的不同物種STOPs進(jìn)行多序列比對分析,發(fā)現(xiàn)SgSTOP1和SgSTOP2與其他物種STOPs同源性較高。并且,SgSTOP1和SgSTOP2與其他同源蛋白均具有4個鋅指結(jié)構(gòu)域,其中,SgSTOP1的鋅指結(jié)構(gòu)均為C2H2型,而SgSTOP2具有3個C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)域和1個C2HC型鋅指結(jié)構(gòu)域。此外,STOPs蛋白在鋅指結(jié)構(gòu)域部分較保守,而N端或C端同源性均較低(圖4)。

        圖 4 SgSTOP1 和 SgSTOP2 與其他 STOPs同源蛋白氨基酸比對分析Figure 4 Multiple alignment analysis of SgSTOP1 and SgSTOP2 with homologous plants

        2.4 系統(tǒng)進(jìn)化樹分析

        系統(tǒng)進(jìn)化樹分析表明,STOPs蛋白可以被分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ共 3類群 (圖 5)。柱花草 SgSTOP1和SgSTOP2同屬第Ⅲ類群。其中,SgSTOP1與赤小豆VuSTOP1屬同一分枝,相似性最高,達(dá)75.9%,而SgSTOP2與水稻ART1、擬南芥AtSTOP2和高粱SgSTOP1b同源性最高。此外,運用MEME軟件進(jìn)行蛋白Motif預(yù)測分析,發(fā)現(xiàn)STOPs蛋白包含 16個保守 Motifs(圖 5)。SgSTOP1和 SgSTOP2均含有完整的Motif1(ZF-C2H2結(jié)構(gòu)域),表明兩者均屬于鋅指蛋白家族成員,可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。

        圖 5 SgSTOP1和SgSTOP2與其他STOPs同源蛋白系統(tǒng)進(jìn)化樹及Motif分析Figure 5 Phylogenetic tree and Motif analysis of SgSTOP1 and SgSTOP2 with other STOP proteins

        2.5 SgSTOP1和 SgSTOP2基因表達(dá)模式分析

        本研究進(jìn)一步對SgSTOP1和SgSTOP2的表達(dá)模式進(jìn)行分析。結(jié)果表明,在正常生長條件下,SgSTOP1和SgSTOP2在根和葉中均有表達(dá),且SgSTOP1在葉部的表達(dá)量高于根部,而SgSTOP2在根部的表達(dá)量高于葉部(圖6A)。相比對照(CK),鋁處理(Al)顯著增強了SgSTOP1基因在根部和葉部中的表達(dá),但對SgSTOP2基因在根部和葉部的表達(dá)均無顯著影響(圖6B、C)。

        圖 6 柱花草 SgSTOP1 和 SgSTOP2 基因的表達(dá)分析Figure 6 Expression analysis of SgSTOP1 and SgSTOP2 genes

        3 討論與結(jié)論

        鋁毒是酸性土壤中限制作物生長的主要因素之一,不同植物或基因型對鋁毒害忍耐能力不一樣[20]。起源于熱帶和亞熱帶地區(qū)的植物被認(rèn)為對酸性土壤鋁毒害具有較強的適應(yīng)性[21]。研究表明,柱花草具有較強的耐鋁毒害能力,但表現(xiàn)出基因型差異,其中,柱花草TPRC2001-1耐鋁毒能力與水稻“XN1”相當(dāng)[20]。本研究比較了8份柱花草基因型耐鋁能力差異,發(fā)現(xiàn)TPRC2001-1的相對根長顯著高于其他7份材料,進(jìn)一步表明TPRC2001-1是耐鋁柱花草基因型(圖1)。在此基礎(chǔ)上,本研究在TPRC 2001-1中克隆了柱花草鋅指轉(zhuǎn)錄因子SgSTOP1和SgSTOP2基因 (圖 2)。

        近年來,對C2H2型鋅指轉(zhuǎn)錄因子STOPs功能研究較為廣泛,STOPs基因在植物耐鋁毒害中起重要作用[6, 8, 22]。在擬南芥中,具有 2 個 STOPs,在大豆(Glycine max)中,具有3個STOPs,在水稻中,具有1個STOPs的同源蛋白OsART1,在高粱中,具有4個STOPs[22-24]。STOPs轉(zhuǎn)錄因子具有高度保守的C2H2鋅指結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域由23~27個氨基酸殘基組成,含有兩個保守的半胱氨酸和組氨酸殘基[7]。在本研究中,SgSTOP1和SgSTOP2蛋白均屬于鋅指蛋白家族成員,兩者的氨基酸序列均包含4個鋅指結(jié)構(gòu)(圖3、圖4),并且亞細(xì)胞定位預(yù)測其可能與其他物種STOPs相似,定位于細(xì)胞核中。

        系統(tǒng)進(jìn)化樹分析表明,柱花草SgSTOP1和SgSTOP2同屬第Ⅲ類群,所在類群包括已被證明具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能STOPs蛋白,如AtSTOP1、LjSTOP1和NtSTOP1等,它們是耐鋁毒脅迫的重要基因[13, 25]。其中,SgSTOP1與調(diào)控赤小豆(Vigna umbellata)VuSTOP1相似性最高。研究表明,VuSTOP1具有轉(zhuǎn)錄激活功能,能調(diào)控檸檬酸轉(zhuǎn)運蛋白VuMATE1的表達(dá),從而增強赤小豆的耐鋁性[26]。SgSTOP2與高粱SbSTOP1b同源性最高。Huang等[22]研究發(fā)現(xiàn),SbSTOP1b定位于細(xì)胞核中,與SbSTOP1d形成異源二聚體發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性功能,從而調(diào)控SbSTAR2和SbMATE的表達(dá)。此外,SgSTOP1和SgSTOP2蛋白序列與其他物種STOPs類似,均包含保守的C2H2鋅指結(jié)構(gòu)域 Motif1(圖 5),表明 SgSTOP1和SgSTOP2是典型的鋅指結(jié)構(gòu)蛋白,可能具有調(diào)控下游基因表達(dá)的功能。

        已有研究表明,鋁毒脅迫能夠調(diào)控植物STOPs基因的表達(dá)。如在擬南芥和大豆中,AlCl3處理后,根中AtSTOP1和GmSTOP1的表達(dá)量均顯著增加[8, 27]。在赤小豆中,Al3+和 H+均能誘導(dǎo)VuSTOP1基因的表達(dá)[26]。在高粱(Sorghum bicolor)中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果,AlCl3處理能誘導(dǎo)4個SbSTOP1基因的表達(dá)[22]。但是,Yamaji等[10]研究發(fā)現(xiàn),OsART1基因表達(dá)不受Al3+影響,但 Al3+能增強OsART1下游調(diào)控基因OsSTAR1和OsSTAR2的表達(dá),表明OsART1基因在RNA水平上不受Al3+的調(diào)控,Al3+可能在蛋白水平上影響OsART1轉(zhuǎn)錄活性,進(jìn)而調(diào)控下游基因的表達(dá)。在本研究中,鋁毒脅迫顯著增強SgSTOP1在根和葉中的表達(dá),但鋁毒脅迫對SgSTOP2在根和葉中的表達(dá)影響不明顯(圖6),結(jié)果暗示了SgSTOP1在轉(zhuǎn)錄水平上能響應(yīng)鋁毒脅迫,而SgSTOP2可能與直系同源基因OsART1相似,在轉(zhuǎn)錄水平不受Al3+影響,其功能仍需做進(jìn)一步研究論證。

        綜上所述,本研究克隆了柱花草SgSTOP1和Sg STOP2基因。亞細(xì)胞預(yù)測發(fā)現(xiàn),SgSTOP1和SgSTOP2均定位于細(xì)胞核中,兩者均為ZF-C2H2家族成員,均含有4個鋅指結(jié)構(gòu)域。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析發(fā)現(xiàn),SgSTOP1與赤小豆VuSTOP1同源性最高,SgSTOP2與高粱SbSTOP1b同源性最高。鋁毒處理顯著增強SgSTOP1基因在柱花草根和葉中的表達(dá),暗示其參與了柱花草應(yīng)答鋁毒脅迫的過程。為此,后續(xù)研究將對SgSTOP1和SgSTOP2的亞細(xì)胞定位、基因功能,基因與柱花草耐鋁毒能力的相關(guān)性進(jìn)行深入分析,這將有助于進(jìn)一步揭示柱花草適應(yīng)鋁毒脅迫的分子調(diào)控機制。

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