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        陸地棉GhCRE1影響種子萌發(fā)初探

        2022-07-11 08:05:58徐敏慧JoseeOrnellaMusaniwabo韓少凡劉一涵杜麗樺劉愛玉汪啟明屠小菊
        華北農學報 2022年3期
        關鍵詞:靶位細胞分裂株系

        徐敏慧,Josee Ornella Musaniwabo ,韓少凡,劉一涵,杜麗樺,劉愛玉,汪啟明,屠小菊

        (1.湖南農業(yè)大學 生物科學技術學院,湖南 長沙 410128;2.湖南農業(yè)大學 農學院,湖南 長沙 410128)

        種子萌發(fā)關系著物種的生存和繁衍,細胞分裂素(Cytokinin,CK)等植物激素作為一種小分子信號物質,在濃度極小時仍對種子萌發(fā)具有舉足輕重的作用[1]。細胞分裂素的作用涉及包括細胞分裂與分化及種子萌發(fā)和果實發(fā)育等許多方面[2-4],它可通過拮抗ABA信號加快種子萌發(fā)[5-7],且這種拮抗作用依賴于細胞分裂素受體CRE1以及下游組氨酸磷酸轉移蛋白等[7]。在種子發(fā)育的早期階段,添加一定濃度的細胞分裂素能加速萌發(fā)[8],這一時期,細胞分裂素水平暫時升高,還能最終決定種子大小[2,9]。

        CRE1可能是表達最強的細胞分裂素受體,它是細胞程序性死亡(Programmed cell death,PCD)所必需的[10-11],大多數已知的CRE1基因突變不會導致較強的植物形態(tài)表型[9,12],但會改變生理參數,如磷酸鹽饑餓反應和硫酸鹽獲取的調節(jié)[12-13]。Tran等[14]研究發(fā)現,擬南芥(Arabidopsisthaliana)CRE1的T-DNA插入突變體種子萌發(fā)勢稍低于野生型,但是未見陸地棉(GossypiumhirsutumLinn)CRE1基因調控種子萌發(fā)的報道。

        CRISPR/Cas9技術提供了一種直接的方法,可以精確設計基因組中所需的突變,且可篩選到不含外源基因的突變體,已成為基因功能研究的重要工具[15]。Wang等[16]利用CRISPR/Cas9技術對西瓜(Citrulluslanatus)Clbg1基因進行了靶向突變,發(fā)現Clbg1功能缺失型突變體萌發(fā)率顯著提高。Zhou等[17]利用CRISPR/Cas9技術構建水稻(Oryzasativa)Os05circ02465基因功能缺失型突變體,發(fā)現其種子萌發(fā)后生長速度加快。Shi等[18]利用CRISPR/Cas9技術敲除煙草(Nicotianatabacum)NtCIPK23基因,發(fā)現敲除突變體顯著延遲了種子萌發(fā)時間。

        本研究以陸地棉細胞分裂素受體基因GhCRE1為研究對象,通過克隆該基因,構建棉花GhCRE1過表達載體,轉化擬南芥獲得過表達轉基因株系。采用最新的CRISPR/Cas9 基因編輯技術獲得擬南芥CRE1功能缺失突變體,通過對過表達株系及功能缺失株系的表型觀察,解析GhCRE1基因在調控植物生理過程中的功能,旨在為進一步研究陸地棉GhCRE1基因的功能提供植物材料,為明確植物萌發(fā)的分子機制奠定基礎。

        1 材料和方法

        1.1 試驗材料

        供試棉花品種為陸地棉矮化突變體陸矮1號(LA-1),由湖南農業(yè)大學棉花研究所提供。大腸桿菌菌株DH5α和農桿菌菌株GV3101均購自長沙擎科生物技術有限公司。載體pYLCRISPR/Cas9Pubi-B、pYLsgRNA-AtU6-1、pYLsgRNA-AtU3d-LacZ、pCUbi1390由華南農業(yè)大學劉耀光院士實驗室贈送,擬南芥野生型Col-0由湖南農業(yè)大學道地藥用植物規(guī)范化栽培與利用湖南省工程實驗室贈送。

        1.2 試驗方法

        1.2.1 陸地棉GhCRE1基因的克隆 使用TRIzol提取法獲得純度較高的陸地棉總RNA,反轉錄獲得全cDNA。利用擬南芥中的CRE1基因序列,在NCBI數據庫(www.ncbi.nlm.nih.gov)及COTTONGEN數據庫(www.cottongen.org)中進行同源比對,選取2個數據庫中相同序列信息,使用Primer Premier 5.0設計并在NCBI中驗證獲取特異性引物序列GhCRE1-F/R。以cDNA為模板,以GhCRE1-F/R為引物進行PCR反應擴增GhCRE1全長,引物序列為GhCRE1-F:5′-TACCCAGAATTCAACGTTGTCTCG-3′,GhCRE1-R:5′-CTATGAGTCCGAGATGGGTTTCG-3′,反應產物通過1%瓊脂糖凝膠進行電泳檢測;產物回收純化后,連接T clone載體轉化大腸桿菌進行菌落PCR,選擇陽性克隆測序,確定獲得GhCRE1基因cDNA序列具有完整的開放閱讀框。

        1.2.2 重組過表達載體的構建 將pCUbi1390載體用PstⅠ酶切,以含有目的基因重組T clone載體質粒為模板進行PCR擴增,PCR產物純化后與線性表達載體進行無縫克隆(圖1)。將無縫克隆后的表達載體轉化到大腸桿菌,挑選單克隆菌落進行PCR,選擇陽性單克隆提取質粒,采用酶切及測序的方法進行驗證。驗證引物序列為:GhCRE1-CDS-F:5′-GCTTTGGGTAATGGTGATG-3′,GhCRE1-CDS-R:5′-CAATAAGCAGATCACGAAGAATAAG-3′。

        圖1 重組GhCRE1過表達載體構建方法示意Fig.1 Schematic diagram of construction method of recombinant GhCRE1 overexpression vector

        1.2.3 擬南芥GhCRE1基因過表達株系的篩選 構建的過表達載體用凍融法轉化農桿菌GV3101,隨后用浸花法侵染花蕾期的擬南芥Col-0,收獲T0種子。T1潮霉素篩選具有抗性的植株,利用驗證引物GhCRE1-CDS-F/R進行PCR檢測,得到陽性植株,同樣的方法篩選至純合子。以Actin11為內參,設計qPCR引物GhCRE1-qF/R,檢測GhCRE1基因的表達量,篩選表達量高的株系進行后續(xù)試驗,引物序列如表1。

        表1 擬南芥GhCRE1過表達材料的篩選與鑒定引物Tab.1 Primers used in screening and identification of Arabidopsis GhCRE1 overexpression plants

        1.2.4 擬南芥CRE1靶向敲除載體構建 sgRNA靶向確定和引物設計:對擬南芥CRE1基因的ORF的5′區(qū)及功能區(qū)均設計一個靶位點,以提高突變效率。利用軟件CRISPR-P設計擬南芥CRE1靶位點分別為:靶位點1:ATCCTCTCACAACTCATTAC位于5′UTR區(qū),GC含量40%,選用AtU3d-LacZ作為啟動子;靶位點2:GCTGCTGCGTTTGAAAGAAA位于外顯子區(qū)域,GC含量45%,選用 AtU6-1作為啟動子。采用Overlapping PCR的方法分別將2個靶位點序列引入PCR正向及反向引物中,并引入依次排列的BsaⅠ酶切位點至引物5′端,獲得所需 sgRNA。相應的引物如表2。

        表2 sgRNA表達盒引物Tab.2 Primers used in construction of sgRNA expression cassette

        CRISPR/Cas9基因敲除載體的構建:使用限制性內切酶BsaⅠ酶切pYLCRISPR/Cas9質粒,酶切產物經電泳后切膠回收。采用Golden Gate cloning(NEB)的方法,利用T4連接酶將pYLCRISPR/Cas9線性化載體分別與CRE1的2個sgRNA表達盒片段組裝。將重組載體轉入大腸桿菌DH5α,使用含相應抗生素的LB培養(yǎng)基培養(yǎng),菌落PCR篩選陽性菌。利用各靶點引物特異性,對陽性菌進行靶位點測序,采用的引物為SP-L與SP-R,序列如下:SP-L:GCGGTGTCATCTATGTTACTAG,SP-R:CCCGACATAGATGCAATAACTTC。

        1.2.5 擬南芥CRE1基因編輯植株的獲得及篩選 將構建的敲除載體利用凍融法轉化農桿菌GV3101,用浸花法侵染花蕾期的野生型擬南芥Col-0。收集得到T0種子。使用引物CRE1T1-F/R和CRE1T2-F/R對T0植株分別進行PCR擴增,獲得的擴增片段切膠回收后測序檢測,測序結果顯示,在靶位點處為套峰的,對其相應的植株進行單株收種并檢測編輯效果。逐代篩選后,使用CRE1功能缺失型突變體純合子進行后續(xù)試驗,測序引物見表3。

        表3 擬南芥CRE1基因編輯植株的篩選與鑒定Tab.3 Primers used in screening and identification of of CRE1 gene editing plants

        1.2.6 種子萌發(fā)試驗 將篩選得到的GhCRE1過表達轉基因株系、擬南芥CRE1基因編輯突變體及野生型Col-0 各50顆點種于1/2 MS固體培養(yǎng)基上,并在4 ℃下春化3 d后轉入22 ℃ 16 h光照/8 h黑暗條件下培養(yǎng),每天固定時間檢測種子萌發(fā)勢,每個處理3個重復。數據均采用SPSS 26.0軟件進行統計分析,并用Origin 2019b作圖。

        2 結果與分析

        2.1 陸地棉GhCRE1基因過表達轉基因株系構建

        2.1.1GhCRE1基因克隆 以擬南芥CRE1基因序列為模板,Blast比對得到陸地棉該基因序列,以陸地棉葉片為材料,液氮研磨后提取RNA,并反轉錄為cDNA。以陸地棉cDNA為模板,以GhCRE1-F及GhCRE1-R為引物進行PCR擴增得到GhCRE1基因編碼序列的CDS片段。經瓊脂糖凝膠電泳鑒定,結果顯示(圖2),PCR擴增得到3 000 bp左右條帶,將擴增產物純化后測序發(fā)現,克隆的基因長度為3 012 bp,克隆得到的條帶與目的條帶一致,結果表明,成功克隆了GhCRE1-CDS片段。

        M.DNA Marker DL1000;1,2.GhCRE1-CDS片段。M.DNA Marker DL1000;1,2. GhCRE1-CDS segment.

        2.1.2GhCRE1基因過表達載體的構建 根據GhCRE1序列,利用Primer Premier 5.0軟件設計引物驗證無縫克隆后的過表達載體陽性單克隆,如圖3-A所示,將重組載體轉化大腸桿菌(Escherichiacoli)后,用上述檢測引物進行菌落PCR,所有菌落均擴增獲得長913 bp的條帶,將重組質粒用PstⅠ酶切后獲得3 012 bp的條帶(圖3-B),測序結果顯示,GhCRE1-CDS已插入pCUbi1390過表達載體,且無堿基突變,以上結果均符合預期,表明GhCRE1重組過表達載體構建成功。

        A.重組載體菌落PCR:M.DNA Marker DL2000;1—8.菌落PCR檢測。B.重組質粒電泳及Pst Ⅰ酶切重組質粒:M.DNA Marker DL10000;1.Pst Ⅰ酶切重組質粒;2.重組質粒。

        2.1.3 陽性擬南芥GhCRE1過表達材料的獲得及篩選 將得到的重組質粒使用農桿菌介導法轉化擬南芥Col-0,潮霉素篩選后獲得的T0植株,經選取新鮮葉片提取DNA及引物GhCRE1-CDS-F/R序列擴增,共獲得7個陽性株系(圖4-A)。以Actin11為內參,進行qPCR分析后,選擇GhCRE1相對表達量高的株系GhCRE1 5-1 與GhCRE1 9-2進行后續(xù)試驗(圖4-B)。

        A.T0植株PCR檢測:M.DNA Marker DL2000;1—7.GhCRE1 過表達檢測PCR電泳條帶。B.qPCR檢測GhCRE1相對表達量。A.PCR assay of T0 generation plants:M.DNA Marker DL2000;1—7.PCR electrophoresis bands for GhCRE1 overexpression detection.B.qPCR assay of GhCRE1 relative expression.

        2.2 擬南芥CRE1靶向敲除載體材料構建

        2.2.1 基因編輯靶位點的選擇及敲除載體的構建 根據CRISPR-P軟件分析及CRE1基因序列分析,設計sgRNA序列分別為sgRNA-tg1:ATCCTCTCACAACTCATTACAGG(劃線部分為靶位點1);sgRNA-tg2:GCTGCTGCGTTTGAAAGAAACGG(劃線部分為靶位點2)。靶位點1位于5′UTR區(qū),選用AtU3d-LacZ作為啟動子,靶位點2位于外顯子區(qū),選用 AtU6-1作為啟動子。

        分別將靶位點1和靶位點2通過Overlapping PCR的方法與PYLsgRNA-AtU6-1、pYLsgRNA-AtU3d-LacZ中間載體連接。第一輪Overlapping PCR(圖5-A),出現3條帶,所需的條帶為453 bp,泳道3和4分別為CRE12個靶位點的特異性產物。第二輪Overlapping PCR過后(圖5-B),453 bp的條帶更清晰。隨后PCR增加BsaⅠ 酶切位點(圖5-C),將重組后的2個中間載體分別連接T clone載體,之后轉大腸桿菌,菌落PCR擴增結果見圖5-D,表明重組中間載體構建成功。

        M.DNA Marker DL2000;A.第一輪Overlapping PCR;B.第二輪Overlapping PCR:泳道3和4分別為CRE1-tg1和CRE1-tg2;C.增加Bsa Ⅰ酶切位點后跑膠;D.菌落PCR。M.DNA Marker DL2000;A.First round of Overlapping PCR;B.Second round of Overlapping PCR:lanes 3 and4 are CRE1-tg1 and CRE1-tg2;C.Running gel after addition of the Bsa Ⅰ digestion site;D.Colony PCR.

        BsaⅠ酶切終載體pYLCRISPR/Cas9Pubi-B(圖6-A),重組中間載體連接后轉化大腸桿菌,利用SP-L及SP-R這一對檢測引物進行PCR擴增,產生與預計大小一致的目的片段(圖6-B),可見擬南芥CRE1雙靶點敲除載體初步構建成功,將該載體命名為PYLCas9-CRE1-T1/T2。

        M.DNA Marker DL2000;A.BsaⅠ酶切pYLCRISPR/Cas9;B.菌落PCR。M.DNA Marker DL2000;A.pYLCRISPR/Cas9 was digestion by BsaⅠ;B.Colony PCR.

        載體PYLCas9-CRE1-T1/T2經序列比對發(fā)現,sgRNA已插入pYLCRISPR/Cas9Pubi-B線性化基因編輯載體,且無堿基突變,表明靶向CRE1基因的CRISPR/Cas9基因編輯載體構建成功(圖7)。

        序列標記的陰影矩形部分為靶位點DNA序列(上為靶位點1,下為靶位點2)。The target DNA sequence is labeled with shadow rectangles(the top is target site 1,bottom is target site 2).

        2.2.2 擬南芥CRE1靶向敲除材料的構建 T0植株經除草劑初篩后共獲得27株生長良好的株系,經測序后發(fā)現4個株系(CRE1 T0-14、CRE1 T0-18、CRE1 T0-22、CRE1 T0-27)在靶位點1處測序結果為疊峰,說明這4個株系在靶位點1處發(fā)生了突變。經生物信息學分析得知,這4個株系均在靶位點處缺失了1個堿基T(圖8),導致轉錄提前終止,造成擬南芥CRE1的功能缺失型突變。因為這4個株系編輯效果一致,篩選到純合子后,采用cre127-1進行后續(xù)種子萌發(fā)試驗。

        紅色標志序列部分ATCCTCTCACAACTCATTAC為靶位點1。The red marker sequence part ATCCTCTCACAACTCATTAC is the target site 1.

        2.3 陸地棉GhCRE1基因影響擬南芥種子萌發(fā)

        如圖9所示,在1/2 MS 培養(yǎng)基中,相比野生型,cre127-1萌發(fā)率在第1天低9%左右,第2,3天低15%左右差異均達到顯著水平(P<0.05);與野生型相比,GhCRE1 5-1與GhCRE1 9-2第2天萌發(fā)率分別高近15%與11%,差異達到顯著水平(P<0.05)。因此,擬南芥CRE1功能缺失會導致種子萌發(fā)速度明顯減慢,而陸地棉GhCRE1基因在擬南芥中過表達能顯著加快種子萌發(fā)速度。

        A.CRE1基因各突變體萌發(fā)勢;B.CRE1基因各突變體種子萌發(fā)表型。A.Germination potential of each CRE1 mutant;B.Seed germination phenotype of each CRE1 mutant.

        3 結論與討論

        作為植物必需的激素之一,細胞分裂素能調節(jié)諸如細胞分裂、組織和器官以及個體的生長發(fā)育、營養(yǎng)吸收等過程[19]。組氨酸激酶(CRE1)作為細胞分裂素的重要受體,對細胞分裂素信號轉導途徑中信息的傳遞具有重要的調節(jié)作用。但是,CRE1在調控除擬南芥之外的包括陸地棉等物種的種子萌發(fā)中的功能還未見相關的報道。因此,本試驗研究陸地棉GhCRE1基因在種子萌發(fā)中的功能具有重要的意義。

        本研究首次成功克隆了陸地棉GhCRE1基因,并獲得GhCRE1的過表達擬南芥植株和CRE1基因編輯擬南芥。通過表型驗證發(fā)現,CRE1對啟動種子萌發(fā)具有正調控作用,為進一步研究陸地棉GhCRE1基因的功能提供植物材料,為明確植物萌發(fā)的分子機理奠定基礎。

        值得注意的是,湖南農業(yè)大學棉花研究所前期針對目前陸地棉矮稈種質資源匱乏的問題,通過對陸地棉矮化突變體陸矮1號(LA-1)和高稈近等基因系(LH-1)的研究,篩選得到陸地棉細胞分裂素受體基因(CRE1)與LA-1的矮化密切相關。但本試驗經過對陸地棉GhCRE1過表達擬南芥成苗株高的測量,未觀測到矮化現象,且在正常生長條件下,未觀察到GhCRE1過表達擬南芥、CRE1基因編輯擬南芥在其他生長發(fā)育方面的差別,說明GhCRE1可能不參與調控擬南芥株高等生長發(fā)育的表型。

        種子萌發(fā)受復雜的信號網絡和基因表達調控,不同植物可能具有相似的分子機制,包括植物激素的調節(jié)、環(huán)境因素等[20]。湖南農業(yè)大學棉花研究所在培養(yǎng)基中添加不同濃度的外源脫落酸(Abscisic acid,ABA)處理本研究獲得的擬南芥GhCRE1過表達種子及基因編輯突變體擬南芥cre127-1種子,結果發(fā)現,在外源ABA存在下,GhCRE1過表達種子比野生型萌發(fā)速度更慢,而突變體萌發(fā)速度相比野生型更快。眾所周知,細胞分裂素與脫落酸具有拮抗作用[21],有研究發(fā)現,CK缺乏增加了植物對外源ABA的敏感性,但它也能導致ABA生物合成關鍵基因的下調,從而使CK缺乏植株的內源ABA,水平明顯低于野生型[22]。因此,推測GhCRE1過表達擬南芥對外源ABA更敏感,而CRE1缺失突變體通過降低內源ABA的合成從而影響萌發(fā)勢。本研究發(fā)現,外源ABA和CRE1能共同調控種子萌發(fā),接下來會針對其調控的具體分子機制進行進一步的研究。這一發(fā)現有助于進一步了解脫落酸和細胞分裂素的拮抗作用發(fā)生機制。后期本課題組會將該基因轉入陸地棉中,進一步驗證該基因在調控棉花種子萌發(fā)及其他生理過程中的功能。

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