技术领域
本发明涉及植物基因工程领域,更具体涉及一种油菜呼吸代谢相关酶基因 BnAOX1,同时还涉及一种油菜呼吸代谢相关酶基因BnAOX1在提高油料作物的产 量和含油量中的应用。
背景技术
油菜籽是世界上食用植物油和饲用蛋白质的最主要来源之一,也是欧洲生 物柴油最重要的原料。油菜是我国种植面积最大的油料作物,也是继水稻、小麦、 玉米和大豆之后我国的第五大农作物。菜籽油是我国居民的主要食用油,占国产 植物油消费总量的40%以上。我国作为世界第一植物油消费大国,植物油的自给 率不足40%。为解决这些需求矛盾,除扩大种植面积外,提高油菜含油量和产量 是提高其单位面积产油量的最有效途径。高产油量能够显著提高油菜生产效益, 提高油菜籽的总体利润。
植物线粒体电子传递链有多条途径存在,其中主要有细胞色素主路和抗氰 交替途径支路两条途径。抗氰呼吸(交替途径)指的是对氰化物不敏感的一条呼吸 途径。交替氧化酶(alter native oxidase,AOX)是植物线粒体呼吸链中抗氰 呼吸途径(cyanide-resistant respiration pathway)的末端氧化酶,它广泛 存在于高等植物及部分真菌和藻类中。交替氧化酶作为交替途径的末端氧化酶, 其内源底物包括还原泛醌和02。交替途径的呼吸电子流从主路(细胞色素途径) 泛醌处分支出来,绕过复合物III和IV两个ATP形成位点,直接由AOX催化分子氧 的4个电子还原成水,而未用来合成ATP的能量则以热的形式被散失掉。
交替氧化酶是一种双铁羧基蛋白(di-iron carboxylate protein),它不 仅具有其它双铁羧基蛋白共有的结构特点以及去除分子氧的功能,更重要的是 它还可以通过改变自身结构等方式来主动调节抗氰呼吸途径的运行程度,进而 调节细胞多方面的代谢和功能,以适应环境条件的改变,增强植物适应各种逆 境的能力,调节植物生长速率,并与细胞凋亡和光合作用相关。AOX活性调控受 多种因素影响,环境胁迫、植物受伤、冻害、干旱、渗透压及病菌等都可诱导 AOX表达。水杨酸(SA)、过氧化氢、乙烯和主呼吸链抑制剂也同样能诱导AOX在 植物中的表达。抗氰呼吸活性和AOX表达在产热植物的佛焰花序中较高。在非 产热植物中,AOX表达水平与发育状态有关,如在衰老和果实成熟过程中都有 AOX的表达。
AOX调节能量代谢,当能量代谢饱和时,AOX途径以散热方式释放能量,维 持电子传递和TCA。Lambers(1982)提出的能量溢满理论认为:当主呼吸链活 性受到抑制时,或细胞还原力偏高时,电子通过AOX传递可使TCA循环和糖酵 解继续进行。AOX活性能为TCA循环底物丙酮酸激活,说明TCA循环的底物过 高时可诱导AOX途径转移部分电子。环境变化导致AOX表达差异,不仅改变线 粒体功能,也影响线粒体外细胞功能。氧胁迫诱导AOX表达并抗氧化,当细胞色 素途径受抑时,主呼吸链产生活性氧(ROS),AOX氧化可使ROS下降。在转基 因烟草中AOX的超量表达时ROS水平下降,反之ROS水平则提高。Hansen等 (2002)测量热呼吸发现环境变化能改变植物生长率,AOX对植物生长动态起平 衡作用。产热植物通过AOX释放的热量可使花粉散发芳香气味吸引虫媒(Meeuse 等,1975)。非产热植物组织中AOX的表达与此同产热无关(Borecky and Vercesi,2005)。AOX可有效调控呼吸率保持细胞能量恒定以保证植物在环境 变化时正常生长(Hansen等,2002)。AOX不仅使拟南芥在低温下发芽,而且AOX 能防止植物组织在逆境中产生过氧化物而广泛影响细胞功能(Fiorani等, 2005)。AOX在细胞质和一些碳代谢途径中发挥重要作用(Umbach等,2005)。各 种环境胁迫都能改变植物抗氰途径的运行,但这些研究还很肤浅,其运行的信 号调节机制和生理意义还不清楚。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1,本发明 提供了这个基因的核苷酸序列,如SEQ ID NO:1所示的DNA序列,也包括与SEQ ID NO:1所示的DNA序列至少有70%同源性的本物种及其它物种中的基因序列。 该基因属于植物交替氧化酶家族中的一员,它通过调节抗氰呼吸途径的运行程度, 来调节细胞多方面的代谢和功能,以适应环境条件的改变,调节植物生长速率, 并与细胞凋亡和光合作用相关。在拟南芥中该基因被抑制可导致部分基因表达量 发生改变,但未见对其表型的影响报道。
本发明的另一个目的是在于提供了一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1在 提高油料植物含油量中的应用。将此基因应用于油料作物育种,可以提高油料作 物种子的含油量,最大限度的提高油料作物的产油量。
本发明的再一个目的是在于提供了一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1在提 高拟南芥植物种子千粒重中的应用。通过模式植物拟南芥证实BnAOX1基因不但 可调控种子含油量的变化,同时还增加了千粒重。
为了达到上述目的,本发明采用了以下技术措施:
本发明申请人通过分析油菜含油量差异显著的两亲本及F2代分离群体混合 样本的基因表达差异,筛选出一类在亲本及F2代极端分离材料中同时存在表达 差异的基因,其中包括BnAOX1基因。为了验证该基因是否影响种子含油量或种 子其它性状,申请人通过基因全长的克隆,表达载体的构建以及模式植物拟南芥 的转化。该油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1在提高油料植物含油量和千粒重中应 用。
一、基因的来源:
一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1的制备方法,其步骤是:
以高低含油量品系zy036与y817(含油量分别为51%和35%)杂交构建F2代 群体共得到169个后代单株为材料;分别收集各F2单株开花后25天左右的角果 (带角果皮和胚珠);各单株成熟种子进行含油量检测,将含油量检测大于47% 和小于38.5%的单株的角果分别取等量200mg混合组成两极端含油量混合样本 分别编号H(含油量大于47%的有11株)和L(含油量小于38.5%的有11株), 两个混样平均含油量相差11.1%。分析两亲本及两混样表达基因,找出亲本与F2 代混样表达量同时表现差异的基因,BnAOX1基因即源于此。本研究中所用的亲 本材料zy036和Y817,均由中国农科院油料所生物技术育种课题组技术人员在 王汉中研究员带领下育成。zy036品系是由中双4号、中双7号、中双9号、华 双3号、油研9号(中双4号、中双7号、中双9号、华双3号、油研9号)构 建轮回选择群体,轮回选择两代后选优良单株进行小孢子培养轮回选择第三代, 最终经高油定向选择得到。Y817是杂交品种中油杂1号的保持系(中油杂一号 制种技术研究与应用,农村经济与科技,2001年第10期)。
二、基因的全长克隆:
通过筛选基因表达差异,发现BnAOX1基因在油菜高油亲本及高油F2混合 群体中表达量高于低油亲本及低油F2混合群体。因此申请人根据arabidopsis网 站拟南芥AOX1基因的序列和申请人自己的测序数据库,寻找与之同源的油菜 基因组序列拼接,并设计基因编码区序列的两侧引物。以亲本zy036cDNA第一 链为模板进行RT-PCR扩增,将扩增得到的片段进行测序,获得BnAOX1基因 的编码区序列,还包括在添加、取代、插入或缺失一个或多个核苷酸而产生的突 变体等位基因或衍生物。一种分离的蛋白质,其碱基序列为SEQ ID NO:1所示 的核苷酸序列。一种分离的蛋白质,其蛋白质序列为SEQ ID NO:2所示的氨基 酸序列。同时,利用arabidopsis网站上的基因序列设计引物扩增拟南芥中同源基 因AtAOX1序列。利用拟南芥作为受体的转基因结果证实,此类基因的过量表 达可以提高拟南芥种子的含油量,同时也增加了种子的粒重。因此,此类基因在 油菜及其他油料作物的产油量育种中具有很好的应用前景。
三、转基因载体的构建、转化及验证:
通过上述方法获得了油菜BnAOX1基因,采用一种提高油菜基因表达活性 的转基因拟南芥,其特征在于与受体对照(非转基因植株)相比,转基因植物表 现为基因表达量增加,其具体措施是:
一种PCR8/GW/TOPO质粒(invitrogen公司购买),可以与表达载体质粒 重组构建基因表达质粒的实验方法(invitrogen公司购买)。
一种质粒表达载体Pearleygate100(invitrogen公司购买),它含有35S 启动子和翻译控制件。
一种可在植物中表达的宿主菌(如GV3101,LBA4404等),本发明优选的是 农杆菌(GV3101,invitrogen公司购买)。
一种能够过量表达某基因的转基因拟南芥,其特征在于拟南芥中所转基因 表达量增加。其应用过程包括下列步骤:
1)将克隆得到的油菜基因与PCR8/GW/TOPO质粒连接,利用PCR8/GW/TOPO 质粒与质粒表达载体Pearleygate100可以体外重组的特性将油菜基因转移至 表达载体;
2)将步骤1)中制备的表达载体转入根癌农杆菌GV3101,再导入拟南芥植株 中。
3)转基因阳性植株PCR鉴定,除草剂(Bar,草苷膦)筛选后正常条件生长 并收获种子测定含油量。结果表明,转基因拟南芥种子的含油量与对照拟南芥相 比有较大幅度的提高。
本发明中所用的术语“转基因植物”是指含有导入的基因并能够稳定地增 强或抑制所导入的基因表达并产生具有特定的生物学性状的植物。克隆本发明中 所述的油菜基因的方法是本领域中所常采用的方法如:利用CTAB法提取植物叶 片DNA,提取mRNA的方法也有多种成熟的技术,如采用TRIzol Reagent, Invetrogen公司或Total RNA extraction,qiagen公司,可从商业途径获得。 构建cDNA文库也是常用的分子生物学技术。构建本发明中所述的载体和将载体 转染入植株也是本领域中所常采用的方法。其中所涉及的质粒(入门载体 PCR8/GW/TOPO,质粒表达载体Pearleygate100),转染用媒体(如根癌农杆菌 GV3101和所用试剂(蔗糖等)可从商业途径获得。聚丙烯酰胺凝胶电泳是分子 标记的多态性分析的最常用手段,所有试剂如丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺等均可从 商业途径获得。
转基因拟南芥分析:通过在野生拟南芥中过量表达BnAOX1、AtAOX1基因,转基 因拟南芥整体植株表型与野生型没有明显区别。收获种子后发现,转AOX1基因的 植株种子明显大于野生型对照。通过脉冲式核磁共振仪测定含油量,结果表明转 基因植株与对照相比,含油量均有不同程度的提高,转基因拟南芥种子含油量与 野生型拟南芥相比有明显提高,最高幅度可达20%以上。而千粒重也有所增加, 增加幅度最高达25%(见表1)。上述结果表明,不仅油菜AOX1基因可以提高种子 含油量,同时还可以增加粒重,而且与此类油菜基因序列有70%同源性的其它物 种基因同样可以提高含油量。
本发明的优点是:本发明中油菜BnAOX1基因为首次报导与种子含油量、粒 重相关。交替氧化酶(AOX1)具有其它双铁羧基蛋白共有的结构特点以及去除分 子氧的功能,属于植物交替氧化酶家族中的一员。它通过调节抗氰呼吸途径的运 行程度,来调节细胞多方面的代谢和功能,以适应环境条件的改变,增强植物适 应各种逆境的能力,调节植物生长速率,并与细胞凋亡和光合作用相关。在拟南 芥中该基因被抑制可导致部分基因表达量发生改变,但未见对其表型的影响报 道。通过在拟南芥中的转基因研究证实,此类基因确实可以提高种子含油量,同 时还可以增加种子粒重。此类基因可以应用于油菜高含油量育种,通过使用组成 型启动子35S在油菜品种中超量表达此类基因,得到含油量提高且千粒重增加的 油菜新品种,加快油菜含油量育种的步伐。同时,将其扩展到其他油料作物如大 豆、花生、芝麻等的育种应用中,最大限度的提高油料作物的产油量。
附图说明
图1为一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1的拟南芥表达载体示意图
图2为一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1的拟南芥T1代的转基因鉴定结果。
图3为一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1的野生型对照种子的大小比较示意
图。其中图3A为野生对照,图3B为转基因株系的种子。
具体实施方式
实施例1:BnAOX1、AtAOX1cDNA编码区序列
一种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1的制备方法,其步骤是:
在NCBI数据库中检索已发表的拟南芥基因序列,BLAST NCBI网站的油菜 EST序列,并结合拟南芥序列设计基因编码序列的两侧引物(BnAOX1F:正向引 物:[5’-atgatgatgagtcgctacgg-3’],反向引物: [5’-tcaatgatccaattggag-3’]用来从油菜15天角果cDNA中扩增对应序列。拟 南芥中的扩增引物分别为:AtAOX1(arabidopsis网站)正向引物: [5’-atgatgatgagtcgtcgcta-3’],反向引物: [5’-tcaatgatatccaatgggagc-3’],直接在拟南芥10天角果cDNA中扩增。
1、提取油菜、拟南芥mRNA。
RNA的提取(TRIZOL TM Kit提取RNA),液氮研磨100mg材料。
A.加1mlTRIZOL,室温(20-25℃,以下相同)放置5min。
B.加入200ul氯仿,剧烈振荡30s,室温放置2min。
C.12000g,15min,4℃,取上清至新管中,加入500ul异丙醇,混匀后室温放 置15min。
D.12000g,15min,4℃,去上清,加入1ml70%(体积比)乙醇。
E.7500g,7min,4℃,去上清,空气干燥。
F.DEPC-H2O溶解。
2、cDNA第一链的反转录采用RevertAid H Minus First Strand cDNA Synthesis Kit(Fermentas),操作参照所用试剂盒说明进行。
3、以cDNA为模板进行PCR扩增,得到了BnAOX1及AtAOX1基因序列如:一 种油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1,一种分离的蛋白质,其碱基序列为SEQ ID NO:1 所示的核苷酸序列。一种分离的蛋白质,其蛋白质序列为SEQ ID NO:2所示的氨 基酸序列所示以及NCBI网站数据库中已发表的拟南芥基因序列。
实施例2:转基因表达载体的构建及拟南芥的转化:
将PCR扩增得到的基因序列与TOPO入门载体(invitrogen公司)连接后, 转化到感受态细胞DH5α(invitrogen公司)中,壮观酶素筛选,载体引物(T7 引物,TAATACGACTCACTATAGGG)与基因引物(基因上游引物,引物序列见实施例 1)扩增鉴定正向插入克隆,质粒经小量制备后与Pearleygate100(invitrogen 公司)进行重组,并转化到感受态细胞DH5α中,卡那霉素筛选,其插入片段经 载体引物(35S启动子序列引物,CACGTCTTCAAAGCAAGTGGA)与基因引物(基因 下游引物,引物序列见实施例1)PCR鉴定,示意图见图1。
拟南芥的转化过程:
试剂配制:
渗透培养基(1L):1/2xMurashige-Skoog;5%(质量比)蔗糖;0.5克MES; 用KOH调至pH5.7;再加:10ul 1mg/ml的6-BA(6-苄氨基嘌呤)母液;200微 升Silwet L-77。
转化步骤:
(1)制备好已转化了相应质粒的农杆菌(GV3101,市场可购买)菌液10ml, 在转化前一天晚上,转入大瓶培养过夜,第二天取出使用时农杆菌液0.D600当 在1.2到1.6之间。
(2)室温5000rpm离心15分钟。
(3)弃上清,将农杆菌沉淀悬浮于相应体积的渗透培养基里,使O.D600在0.8 左右。
(4)将整个植株直接浸泡至农杆菌悬浮液30s。
(5)避光培养过夜,然后正常培养至结子,收获种子作下一步筛选鉴定。
实施例3:转基因拟南芥的筛选和验证:
转化子的筛选:
将春化过的拟南芥种子种于浇过饱和花宝二号(商业购买)营养液的人工土中, 并用保鲜膜罩上。两天后光照,三天后揭膜。
人工培养室条件:相对湿度80%,恒温20-240C,光照强度80-200umol/M2/S, 光照周期为8h黑暗、16h光照培养。一周左右,喷除草剂(草苷膦)筛选阳 性植株。
PCR鉴定:
(1)用于PCR的转化植株总DNA的提取:
A.70%(体积比)乙醇擦洗叶片,称取大约100mg
B.加入600ul抽提缓冲液(0.2M Tris-Cl,0.25NaCl,25mM EDTA,0.5%(质 量比)SDS,pH 7.5),室温快速研磨。
C.1.5ml Ependorff管中涡旋混匀5-10s。
D.12000rpm,25min,室温。取上清,加等体积异丙醇,-20摄氏度沉淀过夜。
E.12000rpm,15min,室温。加入70%(体积比)乙醇200ul泡洗DNA沉淀。
F.12000rpm,15min,室温。去乙醇。倒置于纸巾上,待乙醇挥发干净。
G.加无菌水100ul溶解粗提DNA沉淀。用分光光度计测定或电泳估测其浓度。
H.以总DNA为模板,进行PCR。
(2)PCR程序:
PCR反应混合液的配比同质粒PCR鉴定,依据植物表达载体中35S启动子序列和 BnAOX1、AtAOX1基因下游引物5’-tcaatgatccaattggag-3’,5’- tcaatgatatccaatgggagc-3’,反应的时间和温度如下:94℃3min,94℃45s, 59℃45s,72℃2min 30s,30cycles,72℃5min。
检测结果显示,大多数转化植株均能够扩增出预期大小的电泳条带,而阴性对 照则没有,表明已经获得多株转基因拟南芥株系。
实施例4.:转基因拟南芥种子含油量及千粒重检测
转基因纯合株系生长于21-23℃温室中,收获种子后测其含油量及千粒重的变 化(图3)。结果显示,转基因拟南芥种子含油量与野生型拟南芥相比有明显提高, 最高幅度可达20%以上。而千粒重也有所增加,增加幅度最高达25%。
表1过量表达BnAOX1、AtAOX1基因的拟南芥含油量及千粒重测定结果
SEQUENCE LISTING
<110> 中国农业科学院油料作物研究所
<120> 油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1及应用
<130> 油菜呼吸代谢相关基因BnAOX1及应用
<160> 2
<170> PatentIn version 3.1
<210> 1
<211> 975
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 1
atgatgatga gtcgctacgg agccaaggta atggtaacta ctggaccaag gctcttctct 60
tccagtgccg tgtctcccaa ccatcttttg aattctaggg ttccggcgag agagttcagc 120
aagatgacat ttgagaaaaa gaagaaaacg gaggataacc aatgggagaa aggttcaagt 180
ggtggcaagg gtgatcaagg gaacaaaggg gagcaattaa tcgttagcta ttggggagtg 240
aagcctatga aaatcaccaa agatgatgga actgaatgga aatggagctg ctttcggcca 300
tgggagacgt ataaagcaga tctgacaata gatttgaaga agcatcatgt tccatcgact 360
ttaccggaca aattagctta ctggacggtt aaatctctcc gatggcctac cgatttgttc 420
ttccagaggc ggtacggatg ccgagcgatg atgttggaaa cggtagcagc ggttccagga 480
atggtcggag gaatgttagt acactgcaaa tcgctgaggc ggtttgaaca aagcggcggt 540
tggatcaaag cactccttga agaagcagag aacgagagaa tgcacttgat gacattcatg 600
gaagtcgcaa aacccaattg gtacgaacgt gccctcgtga tcgccgttca aggcgttttc 660
ttcaacgcat atttcctcgg atacataatc tcgcccaagt ttgctcaccg tatggttgga 720
taccttgagg aagaagcaat ccactcttac actgaattcc tcaaggaact tgataatggt 780
aacatcgaaa acgttcctgc accagccata gccattgatt actggaggct ccctgctgat 840
gcaacgcttc gtgatgttgt catggtggtt cgtgctgatg aagcacatca ccgtgacgtt 900
aaccattatg catccgatat tcattaccaa ggtcgtgaac ttaaggaagc tccagctcca 960
attggatatc attga 975
<210> 2
<211> 324
<212> PRT
<213> 人工合成
<400> 2
Met Met Met Ser Arg Tyr Gly Ala Lys Val Met Val Thr Thr Gly Pro
1 5 10 15
Arg Leu Phe Ser Ser Ser Ala Val Ser Pro Asn His Leu Leu Asn Ser
20 25 30
Arg Val Pro Ala Arg Glu Phe Ser Lys Met Thr Phe Glu Lys Lys Lys
35 40 45
Lys Thr Glu Asp Asn Gln Trp Glu Lys Gly Ser Ser Gly Gly Lys Gly
50 55 60
Asp Gln Gly Asn Lys Gly Glu Gln Leu Ile Val Ser Tyr Trp Gly Val
65 70 75 80
Lys Pro Met Lys Ile Thr Lys Asp Asp Gly Thr Glu Trp Lys Trp Ser
85 90 95
Cys Phe Arg Pro Trp Glu Thr Tyr Lys Ala Asp Leu Thr Ile Asp Leu
100 105 110
Lys Lys His His Val Pro Ser Thr Leu Pro Asp Lys Leu Ala Tyr Trp
115 120 125
Thr Val Lys Ser Leu Arg Trp Pro Thr Asp Leu Phe Phe Gln Arg Arg
130 135 140
Tyr Gly Cys Arg Ala Met Met Leu Glu Thr Val Ala Ala Val Pro Gly
145 150 155 160
Met Val Gly Gly Met Leu Val His Cys Lys Ser Leu Arg Arg Phe Glu
165 170 175
Gln Ser Gly Gly Trp Ile Lys Ala Leu Leu Glu Glu Ala Glu Asn Glu
180 185 190
Arg Met His Leu Met Thr Phe Met Glu Val Ala Lys Pro Asn Trp Tyr
195 200 205
Glu Arg Ala Leu Val Ile Ala Val Gln Gly Val Phe Phe Asn Ala Tyr
210 215 220
Phe Leu Gly Tyr Ile Ile Ser Pro Lys Phe Ala His Arg Met Val Gly
225 230 235 240
Tyr Leu Glu Glu Glu Ala Ile His Ser Tyr Thr Glu Phe Leu Lys Glu
245 250 255
Leu Asp Asn Gly Asn Ile Glu Asn Val Pro Ala Pro Ala Ile Ala Ile
260 265 270
Asp Tyr Trp Arg Leu Pro Ala Asp Ala Thr Leu Arg Asp Val Val Met
275 280 285
Val Val Arg Ala Asp Glu Ala His His Arg Asp Val Asn His Tyr Ala
290 295 300
Ser Asp Ile His Tyr Gln Gly Arg Glu Leu Lys Glu Ala Pro Ala Pro
305 310 315 320
Ile Gly Tyr His