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植物基因工程研究的中心内容之一是基因的表达和调控,启动子及其顺式作用元件在转录水平的调控上起重要作用,已经成为分子生物学研究的热点。目前,在植物转基因工程中最常用的启动子还是组成型启动子,驱动外源基因在所有组织器官中过量表达,对于选择标记基因等一些不需要过量表达的外源基因,不分空间和时间的过量表达,表达会大量消耗营养和能量,而抑制植物其他的生理代谢活动,影响植物正常生长发育,增加转基因植物的适应性代价。因此,为了克服组成型启动子的这些缺点,有时需要驱动外源基因在转基因植物特定时间及特定部位表达,并且启动活性适中的特异性启动子。 在对玉米PPR(Pentatricopeptide repeats)基因家族做全基因组分析时,我们发现其中一个序列编号为GRMZM2G129783的成员在叶片中有适中的特异性表达,推测该基因的启动子可能是一个启动活性适中的叶片特异性启动子。因此,本研究在生物信息学分析的基础上,克隆PPRGRZM2G129783基因全长启动子pPPR1830及其5-端缺失不同顺式作用元件的序列片段,构建驱动GUS报告基因的表达载体,转化烟草,通过GUS组织化学染色和GUS酶活测定,初步验证其特异性启动子的功能。结果如下: (1)荧光定量PCR检测表明,PPRGRMZM2G129783基因只在幼苗的茎叶中表达,在根部几乎不表达,推测该基因的启动子可能为绿色组织特异性启动子。 (2)利用PLACE和PlantCARE数据库,对PRGRMZM2G129783基因全长启动子pPPR1830进行序列分析发现,该启动子除含有TATAbox和Inr核心启动子元件外,还含有3-AF1 binding site、GT-1 motif、 G-box、I-box、CATT motif、-10promoter element、ATCT motif七种光应答相关元件;MBS、LTRE、ABRE、CGTCAmotif和ARF五种逆境诱导性相关元件,以及与根特异性表达相关的ROOTMOTIFTAPOX1元件。 (3)从玉米自交系B73基因组中克隆得到的PPRGRMZM2G129783基因的启动子,全长1830bp,命名为pPPR1830。根据序列分析结果,将全长启动子序列从5-端截短成1387、437、146和128bp的不同长度序列,分别命名为pPPR1387、pPPR437、pPPR146和pPPR128,用以替换双子叶植物表达载体pRI201-AN-35S-GUS上的35S启动子,分别构建5个表达载体pRI201-AN-pPPR1830-GUS、pRI201-AN-pPPR1387-GUSpRI201-AN-pPPR437-GUS、 pRI201-AN-pPPR146-GUS和pRI201-AN-pPPR128-GUS。 (4)用上述5个表达载体分别注射烟草叶片,并以pR1201-AN-35S-GUS为阳性对照,通过GUS组织化学染色,检测GUS基因的瞬时表达,对不同长度启动子序列的转录活性做定性鉴定。结果表明,除全长启动子序列pPPR1830外,其他4种不同长度的启动子序列均能驱动GUS基因在烟草叶片中表达。 (5)用上述5个表达载体,并以pRI201-AN-35S-GUS为阳性对照,农杆菌介导法转化烟草,获得25个T0代阳性植株。其中pPPR1830转化5株,pPPR1387转化3株,pPPR437转化4株,pPPR146转化4株,pPPR128转化3株,阳性对照6株。 (6) GUS组织化学性染色和GUS酶活性检测表明,全长启动子序列pPPR1830和5-端缺失的pPPR1387、pPPR437启动子序列在根、茎、叶中均能驱动GUS基因表达,但其活性均低于阳性对照35S。但pPPR146和pPPR128序列仅在茎和叶中有启动活性,而在根中没有启动活性。此外,全长启动子序列pPPR1830在根、茎、叶中的启动活性均低于5-端缺失的pPPR1387启动子序列,在茎和叶中还低于pPPR437启动子序列。由此推断,在pPPR1830启动子的5-端序列中可能存在负调控元件。 由此推断,pPPR1830可能是一个转录活性适中的单子叶植物组织特异性启动子,在其-397至-106 bp区段存在与根特异性表达相关的顺式作用元件ROOTMOTIFTAPOX1,5-端序列中可能存在负调控元件,启动子活性适中的序列在-1346至-1799 bp之间,经进一步验证或改造后有望用于单子叶植物转基因研究。