荻MsFT1及MsFT2基因的克隆及序列分析

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  摘要 FT(Flowering locus T)基因是最初在拟南芥中发现的一个控制光周期途径开花的一个关键基因,禾本科水稻中发现Hd3a(Heading date 3a)基因被证明与FT的同源且功能相同。该研究采用同源序列法通过水稻Hd3a的mRNA序列在近缘物种甜高粱基因组序列中进行BLAST得到cDNA序列进行引物设计,从禾本科芒属荻中克隆出2条FT的同源基因,命名为MsFT1和MsFT2。MsFT1全长543 bp,编码181个氨基酸;MsFT2全长540 bp,编码180个氨基酸。MsFT1和MsFT2的碱基序列相似性达98%,推导的氨基酸序列相似性达97%,均含有PEBP特异结构域。通过clustal软件将MsFT1和MsFT2与其他物种FT基因比较显示与甜高粱的相似性最高达98%、96%,其次是玉米、小麦、水稻等禾本科植物相似度较高。将MsFT1和MsFT2氨基酸序列和水稻FT家族18个成员进行对比,MsFT1及MsFT2属于FT家族中的FT-like亚族,且与Hd3a处于同一进化分支上。
  关键词 荻;光周期;Hd3a;FT
  中图分类号 Q785 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2015)08-0009-04
  Abstract FT(Flowering locus T)gene was originally discovered in Arabidopsis as a photoperiodic control of flowering,It′s a key pathway genes.Hd3a(Heading date 3a)which was found in rice grassy was proven to be a homologous genes of FT and had the same feature.In this study,we designed primer by homologous cDNA sequence in sorghum.Two homologous genes of FT were cloned in the species of Miscanthus sacchariflorus,named them MsFT1 and MsFT2.MsFT1 had full length of 543bp,encoding 181 amino acids;MsFT2 had full length of 540 bp,encoding 180 amino acids.The sequence of MsFT1 and MsF2 were of 98% the same,and they both had the spatial structure of PEBP.When MsFT1 and MsFT2 were compared with other species′ FT gene,They had more than 98%,96%similarities with sorghum,followed by corn,wheat,rice and other grasses.When comparing MsFT1 and MsF2 with rice FT/TFL1 family,MsFT1 and MsFT2 both belong to FT-like subfamily,and were at the same evolution branches with Hd3a.
  Key words Miscanthus Sacchariflorus;photoperiod;Hd3a;FT
  植物的开花除受到内部因素影响外,外界环境因子如光照等通过诱导植物自身相关开花基因的表达调控[1]对开花产生影响。光敏感植物在适宜的日照长度下通常要经过一定时间的诱导后才能完成成花转变,这种光照时长决定开花时间的现象称为光周期现象。Garner等[2]在烟草晚花突变的研究中就发现了植物光周期现象,随后,研究者们也发现了水稻、拟南芥等多种植物中光周期反应的存在[3]。1936年Chailakhyan根据嫁接试验提出开花素概念[4-6],认为在不同的植物中存在某种相同物质在光周期途径起促进作用。植物成熟叶片感受光周期信号并产生这种物质,刺激该物质从叶片到茎尖进行长距离运输,最终引起茎顶端成花反应。最近研究证明,FT蛋白产物就是开花素[7-9]。
  随着对植物光周期反应的研究,已在多种植物中分离出FT同源基因。FT的转基因过表达可促进植物早花[10-12],进一步确定FT 基因开花素的本质。FT受上游光周期诱导的CO(CONSTANS)基因激活调控表达[13],表达产物从叶片移动到顶端组织后与一个带碱性亮氨酸拉链蛋白(basicregionleucine-zipper,b-ZIP)结构域的转录因子蛋白FD(FD 在顶端分生组织中特异表达)相互作用,共同促进下游成花基因AP1的表达从而促进开花[14]。荻是一种能源植物,为短日照植物[15],荻开花早晚极重要,不仅影响生物产量,且影响荻是否能顺利越冬。该研究通过对荻FT基因的克隆,初步了解荻光周期开花基因FT相关内容,为深入研究荻光周期调控途径打下基础。
  1 材料与方法
  1.1 试验材料及光周期诱导
  试验材料为原生长地为东北吉林的荻,2007年移栽种植于湖南农业大学芒属资源圃内,田间编号为B0232L。2012年3月初,材料未出苗前在田间挖取荻根状茎埋种于高45 cm、口径40 cm的塑料花盆中,放置于光周期调控室,调节温度为20~25 ℃,培养到叶片数为10片左右时对材料进行遮光处理,调整光照条件为(8 h光照,16 h黑暗),其他条件保持不变。培养4周后取材料完全展开嫩叶,冻置于液氮后存放于-70 ℃超低温冰箱中,提取mRNA。   1.2 MsFT1及MsFT2基因的克隆
  1.2.1 RNA的提取和cDNA的制备。总mRNA的提取采用改良的 TRIzol法,称取100 mg左右的叶片剪碎置于研钵中,加液氮进行研磨至粉末状后,转移到2.0 mL的去酶EP管中,加入1 mL TRIzol(TianGen)提取液和20 μL的巯基乙醇,漩涡振荡1 min,混匀后静置5~10 min,再加入200 μL的氯仿漩涡振荡30 s,静置5 min,其他步骤按TRIzol试剂盒的步骤进行。得到乳白色mRNA沉淀后加入30 μL的DEPC处理水溶解,取2 μL进行琼脂糖凝胶电泳检测,确定提取的mRNA条带符合要求后,再进行下一步用Dnase I(Thermo)的消化,cDNA的第1条链合成采用Thermo公司提供的试剂盒(具体步骤按照其说明书进行)。
  1.2.2 克隆基因引物的设计。通过在NCBI水稻蛋白质数据库中输入Hd3a得到(登录号:NM_001063395)蛋白质序列在甜高粱蛋白质数据(http://www.phytozome.net/index.php)中搜索得到甜高粱的cDNA全长序列后,用Premier5.0软件设计引物,3条正向引物为MSFT-F、MSFT-c、MSFT-d,3条反向引物为MSFT-F、MSFT-a、MSFT-b,3对引物组成5种组合,进行PCR扩增(表1、图1)。
  1.2.3 PCR扩增与克隆测序。将合成好的cDNA稀释10倍后作为PCR扩增的模板,采用20 μL体系,模板cDNA取1 μL,10 μmol/L的正反引物各1 μL,10×Taq缓冲液(Mg Plus)2 μL,DNTPMIX 1.2 μL,Taq DNA聚合酶1 U,再加入灭菌的ddH2O补足20 μL,PCR体系反应条件为94 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,53 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,35个循环;72 ℃ 延伸10 min。PCR后经凝胶电泳检测,将得到的与预计大小相符片段分别进行切胶回收。PCR产物回收采用Omega Bio-Tek公司提供的核酸纯化试剂盒,具体操作均按说明书步骤进行。产物回收后,将产物与PTZ57R/T载体相连接,具体操作步骤按克隆试剂盒(Thermo)上说明进行,载体由试剂盒提供。载体连接后,以感受态大肠杆菌DH5A作为受体进行转化,采用蓝白斑进行筛选,挑取白色的单菌落扩增,将PCR检测为阳性的克隆送往上海桑尼生物科技有限公司进行测序,每个PCR产物10个重复。
  1.2.4 序列比较分析及进化树的构建。将测得为特异性扩增序列与水稻Hd3a碱基序列对比判定是否为FT同源基因,为同源基因则利用DNAMAN、CLUSTALX、MEFA5等生物软件对序列进一步分析。
  2 结果与分析
  2.1 mRNA的提取及MsFT1基因、MsFT2基因的克隆
  采用改良Trizol法提取荻叶片的总mRNA用琼脂糖凝胶电泳检测后,条带(图2)清晰完整性较好可以进行下一步。设计好的内参基因ACTIN11引物ACTIN11-F:CAAGCAGTAT GAAGATCAAGGT;ACTIN11-R:GCCTGACTCATCATACTCAC对反转后的cDNA进行PCR检测,均得到134 bp左右清晰的亮带,证明得到的cDNA第1条链结果良好,可进行下一步克隆的操作。cDNA作为扩增的模板,利用5对引物进行PCR扩增经凝胶电泳检测得到a、b、c、d、e共5条亮带,条带大小与预计大小相符。进行切胶回收纯化,载体连接,转入到DH5a感受态扩增培养,再经过PCR检测为阳性菌后,每个PCR产物10个重复,送往海东盛生物有限公司进行测序。
  回收测序后结果显示,e条带的10个克隆测序中皆为特异性扩增,9个为一条完整的cDAN全序列,与水稻Hd3a基因高度同源,该序列全长543 bp,编码181个氨基酸,命名为MsFT1。a、b、c、d各10个克隆测序经过整理和拼接,与MsFT1完全相同a(5个)、b(4个)、C(2个)、D(3个)。另外,a(1个)、b(3个)与C(3个)、D(2个)除长度不等序列相同(其他17个克隆为一个或若干个位点存在差异),经拼接得到一条cDNA全序列,与水稻Hd3a对比高度同源,与MsFT1相似度高达98%,全长540 bp,编码180个氨基酸,将其命名为MsFT2。
  2.2 MsFT1及MsFT2序列比较
  将MsFT1及MsFT2碱基序列进行整理,通过软件翻译得到推导氨基酸序列(图3),对比MsFT1基因和MsFT2基因的碱基序列及推导的氨基酸序列发现,2个基因的核苷酸序列有10个不同(红色标记处)和MsFT1的3个连续碱基ATC的插入。10个碱基的不同分别是MsFT1的C(5)、G(2)、T(2)、A(1),MsFT2的T(4)、A(3)、C(3)。氨基酸序列中存在6个位点的不同及MsFT1基因存在一个异亮氨酸I的插入(绿色标记处)。
  2.3 MsFT1及MsFT2基因的序列分析
  为揭示MsFT1和MsFT2在不同物种间的进化亲缘远近,通过dnaman软件将MsFT1、MsFT2的推导氨基酸序列与其他物种的FT基因进行同源性分析,建立种间进化树(图4)。经比较MsFT1、MsFT2和其他植物的FT基因高度同源,尤其是禾本科植物,其中,MsFT1、MsFT2与甜高粱的同源性分别达到98%、96%,与水稻的同源性分别达89%、88%,与拟南芥的同源性也分别达到69%、68%。充分说明FT蛋白的进化保守性高。
  2.4 MsFT1及MsFT2序列分子进化树分析
  FT/TFL1基因家族的结构含有PEBP家族的特异结构域,在哺乳动物中和膜有关。目前研究证明,PEBP家族结构在动物和植物中均存在且高度保守。在植物中该家族包含FT-like、MFT-like和TFL1-like 3个亚家族。FT-like家族中大多数基因与植物生长和开花有密切关联,现克隆出来的可以直接调控植物开花的FT基因就属于FT-like亚族。为了揭示MsFT1、MsFT2基因在FT-like基因家族的进化地位,将MsFT1、MsFT2的氨基酸序列与水稻FT/TFL1基因家族18个成员进行CLUSTAL对比,构建FT/TFL1家族进化树(图5),左边进化树分为3个大的分支,分别为FT-like、MFT-like和TFL1-like 3个亚家族,对应右面为亚族内部成员对比,标记为关键氨基酸及保守区域。可见MsFT1、MsFT2均属于FT/TFL1基因家族中FT-LIKE亚族,且与水稻中OsFTL-2(即Hd3a)和OsFTL-3(即The Twins of Hd3a)处于同一进化分支上。说明MsFT1、MsFT2在FT/TFL1家族中与OsFTL-2和OsFTL-3相似度最高,进化关系最为靠近。   在 FT/TFL1家族中,FT-like、TFL1-like 2个亚族有序列相似度比较高,但FT亚族区分于TFL1亚族的关键在于(图6)第87个氨基酸位置残基酪氨酸 Y(第1个蓝箭头TFL1-like亚族则为组氨酸H)、第143个氨基酸位置的谷氨酰胺Q(第2个蓝箭头TFL1-like亚族则为天冬氨酸D),也包含有FT类蛋白的LYN/IYN三联体及14个保守氨基酸序列LGRQTVYAPGWRQN[14](下划线部分)。将MsFT1、MsFT2氨基酸序列和几个同属于FT-LIKE亚族OsFTL-3、OsFTL-4和OsFTL-7进行对比发现,MsFT2在关键氨基酸残基第87个氨基酸位置(第1个红箭头)为组氨酸H,与TFL1-like相同,其他与TFL1-like相同;MsFT1在14个保守氨基酸序列中存在1个氨基酸异亮氨酸I的插入。
  3 讨论
  研究采用了同源克隆法通过对荻光周期调控开花基因FT的克隆得到了2条基因序列,经blast对比与FT基因高度同源,与禾本科FT基因同源性达到80%以上,与甜高粱的达到96%以上。由此推断这2条基因为FT的同源基因,并命名为MsFT1和MsFT2。将MsFT1、MsFT2与水稻中FT/TFL1家族进行对比分类发现,MsFT1和MsFT2在进化树上与水稻Hd3a(FTL-2)和FTL-3基因在同一个进化分支,相似度最高,遗传距离最近,同属于FT亚族。但通过对FT/TFL1对比和区分的保守区域分析发现,MsFT1在保守14个氨基酸中有插入一个I,其他与FT一致;MsFT1在一个区分FT和TFL1关键氨基酸上与TFL1相同,其他与FT一致。植物的FT/TFL1家族中FT亚族和TFL1亚族对植物开花都有着重要作用,FT基因在植物从营养生长向成花转变起关键作用,而TFL1却与FT作用相反[16-20]。MsFT1和MsFT2基因在一些关键位点的变化,这是否也意味着功能的变化,还是FT/TFL1家族中未发现的新成员。对于这种现象可能的推断如下:①MsFT1和MsFT2为一种突变体,有表达但缺乏功能;②MsFT1和MsFT2为FT家族出现这种变化不仅能够表达也不影响功能;③并不是突变体,是在荻中FT/TFL1家族发现的新成员。对此后MsFT1和MsFT2基因的研究可朝着转基因方面开始着手,了解2条基因的功能,各自在植物生长和发育上起到的功能和作用。
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