玉米对二氧化硫胁迫响应的相关cDNA克隆与分析.pdf
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1、西北植物学报,2 0 0 9,2 9(9):1 7 3 6 1 7 4 1A e t aB o t B o r e a l-O c c i d e n t s 讯文章编号:1 0 0 0 4 0 2 5(2 0 0 9)0 9 1 7 3 6 0 6玉米对二氧化硫胁迫响应的相关c D N A 克隆与分析夏宗良1,周朋,武轲1,王美平1,李志敏2,吴建宇(1 河南农业大学生命科学学院,郑州4 5 0 0 0 2 1 2 河南农业大学农学院,郑州4 5 0 0 0 2)摘要:应用m R N A 差异显示技术,对高耐S O z 玉米自交系Q 9 进行了S O。胁迫下的基因差异表达分析。结果显示。3
2、0 对引物组合进行的P C R 扩增中,获得了1 3 条差异表达的c D N A 片段,其中3 条诱导表达,2 条增强表达,6条减量表达,2 条抑制表达。序列分析和数据库比对表明,G e n B a n k 中只搜寻到5 条e D N A 序列,其中2 条增强表达的c D N A 片段D l 和D 5 分别与氨基酸结合蛋白A B P、锌指结构转录因子蛋白D O F 部分序列高度同源,其他诱导表达的3 条c D N A(D 3、D 6、D 1 1)功能未知,可能是新的e D N A 片段。经半定量R T-P C R 分析验证,D 1 和D 5 转录水平受S 0 2 胁迫表达显著增强,推测D 1
3、和D 5 可能参与了玉米对S O。胁迫的抗性反应。关键词:二氧化硫胁迫;m R N A 差异显示;玉米中图分类号:Q 7 8 5文献标识码:AC l o n i n ga n dA n a l y s i so fD i f f e r e n t i a lc D N A sf r o mM a i z ei nR e s p o n s et oS 0 2S t r e s sX I AZ o n g l i a n 9 1,Z H O UP e n 9 1,W UK e l,W A N GM e i p i n 9 1,L IZ h i m i n 2,W UJ i a n y u l。
4、(1C o l l e g eo fL i f eS c i e n c e s,H e n a nA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2。C h i n a;2C o l l e g eo fA g r o n o m y,H e n a nA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2。C h i n a)A b s t r a c t:E x p r e s s i o no fd i f
5、f e r e n t i a lg e n e su n d e rS 0 2s t r e s sw a ss t u d i e di nS O z-t o l e r a n tm a i z ei n b r e dQ 9b ym R N Ad i f f e r e n t i a ld i s p l a yt e c h n i q u e T h er e s u l t ss h o w e dt h a t13d i f f e r e n t i a lc D N Af r a g m e n t sw e r ea m p l i-f l e df r o m3 0p
6、 a i r so fa n c h o rp r i m e r sa n dr a n d o mp r i m e r sc o m b i n a t i o n s,a m o n gw h i c he x p r e s s i o no f3c D N A sw e r ei n d u c e d,2c D N A sw e r eu p r e g u l a t e d,6c D N A Sw e r ed o w n-r e g u l a t e da n d2c D N A sw e r ei n h i b i t e du n d e rS 0 2s t r e
7、 s s S e q u e n c ea n a l y s i sa n dh o m o l o g ya l i g n m e n ts h o w e dt h a to n l y5c D N A sw e r ef o u n di nG e n B a n k,i nw h i c ht h eu p r e g u l a t e de x p r e s s i o ne D N AD 1h a d8 2 s i m i l a r i t yw i t ha na m i n oa c i d b i n d i n gp r o t e i n(A B P)a n d
8、t h eu p r e g u l a t e de x p r e s s i o nc D N AD 5h a d91 s i m i l a r i t yw i t haD N Ab i n d i n gp r o t e i nw i t haz i n cf i n g e r(D o F),a n do t h e r3e D N Af r a g m e n t sm i g h tb eu n k n o w nn e wg e n e s S e m i q u a n t i t a t i v eR T P C Ra n a l y s i sd e m o n s
9、 t r a t e dt h a tt h ee x p r e s s i o no fD 1a n dD 5w e r eu p r e g u l a t e ds i g n i f i c a n t l yb yS 0 2s t r e s si nt o l e r a n ti n b r e dQ 9,i n d i c a t i n gt h a tt h et w od i f f e r e n t i a lc D N A sD 1a n dD 5m a yb ei n v o l v e di nr e s i s t a n tr e s p o n s e
10、so fm a i z ep l a n t st oS 0 2s t r e s s K e yw o r d s:s u l f u rd i o x i d es t r e s s;m R N Ad i f f e r e n t i a ld i s p l a y;m a i z e收稿日期:2 0 0 9 0 3 2 6;修改稿收到日期:2 0 0 90 9 0 7基金项目;国家自然科学基金项目(3 0 9 7 1 5 4 8);教育部科学技术研究重点项目(2 0 8 0 8 0)作者简介:夏宗良(1 9 7 3 一),男(汉族)。博士。副教授。硕士生导师,主要从事植物抗逆分子遗
11、传学研究。E-m a i l:z o n g l i a n g x i a y a h o o C O m*通讯作者:吴建宇。教授博士生导师,主要从事玉米分子育种研究。E-m a i l:w u j i a n y u 4 0(雪1 2 6 c o r n 万方数据9 期夏宗良,等:玉米对二氧化硫胁迫响应的相关c D N A 克隆与分析二氧化硫(S O:)是当前主要的大气污染物,主要来源于煤、石油的燃烧及含硫矿石的冶炼等 1 。随着世界对能源和自然资源需求的增加,S O z 污染对生物和环境造成的危害日趋严重 2 。近年来,S 0 z 污染造成环境恶化,酸雨次数增多,并且由此诱发的生理性病害
12、对农作物生产的危害也逐年增加,已成为制约作物产量和品质提高的重要因素 3 。玉米是中国第二大粮食作物,又是重要的饲料作物和工业原料。在中国的山西、河南等省一些煤矿、冶炼厂、火电厂、砖瓦厂及造纸厂附近的玉米种植区,常发生玉米因遭受S o:危害导致产量大幅下降甚至绝收的现象,成为影响玉米生产的突出问题f 4 。国内外学者对植物抗S O:胁迫机理的研究表明:植物对S o:的抗性主要通过两种代谢解毒机制来实现的:一是亚硫酸盐的氧化机制 5 6 3;二是自由基的清除机制 7 _ 1 1 。这些研究较好地阐明了植物对S O。胁迫抗性的生理生化基础,但缺乏直接的分子遗传学实验证据。m R N A 差异显示技
13、术(m R N Ad i f f e r e n t i a ld i s p l a yr e v e r s et r a n s c r i p t i o n P C R,D D R T P C R)是一种筛选差异表达基因的有效方法。该技术自问世以来D z ,由于具有快速、灵敏度高、所需R N A 量少及霞复性高等优点,已成功运用于植物逆境胁迫 13|、激素调控 1 4 1 等基因的鉴定、筛选和克隆的研究,显示出强大而独特的作用。本研究拟以高耐S O。胁迫玉米自交系Q 9 为材料,采用D D R T-P C R 技术分离玉米中对S O z 胁迫响应的相关c D N A 片段,为深入理解
14、玉米抗S O:胁迫的分子遗传机理和玉米抗环境污染(S O:、酸雨等)的遗传改良奠定基础。1 材料和方法1 1 植物材料培养和S O:熏气处理玉米优良自交系Q 9(本课题组培育)种子经0 1 的升汞消毒后,播于蛭石与营养土为1:1 的育苗盘中,在光暗交替周期为1 2h 1 2h、温度为2 4 2 6、湿度为6 0 的光照培养室中培养,待出苗后用1 2 浓度的H o a g l a n d 培养液浇灌,每周2次。待幼苗长至3 叶l 心(约1 4d)时,用于S o:熏气处理。S O。熏气采用静态熏气处理方式,在自制的密闭式玻璃缸内进行。熏气封闭缸容积为6 0c m 6 0c m X 6 5c m,容
15、积为0 2 3 4m 3。玻璃缸内顶部装一小吊扇,开始熏蒸处理时打开风扇使S O z 浓度均一。S O:气体来自亚硫酸钠与4 倍稀释的硫酸反应的生成物,其反应式为N a:S O。+H z S O。(稀)一N a 2 S O。+H。O+S 0 2 十。精确称量N a 2 S 0 3 的量,硫酸采用2 倍体积的反应式需要量以保证反应进行的完全迅速。预实验确定了3 个熏蒸浓度:开始出现伤害的临界浓度6 0m g m X2h,急性伤害浓度1 2 0m g m-3 2h,急性严重伤害浓度2 4 0m gm _ 3 2h。对2 叶1 心的玉米幼苗进行1 2 0m gm _ 3 2h 熏气处理后0h 和2
16、4h 取样,取不同植株的同一部位叶片称重后置液氮中冻存备用。I 2 玉米叶片总R N A 提取和第一链c D N A 合成玉米幼苗叶片总R N A 的提取按照T R I Z O L(I n v i t r o g e n 公司)试剂盒说明书操作,总R N A 经D N a s e I(P r o m e g a 公司)处理后,以锚定引物进行反转录合成第一链c D N A。1 3 引物序列与m R N AD D R T-P C Rm R N AD D R T P C R 所用的锚定引物有3 条,D M l D M 3;随机引物有1 0 条,D S l,D S l 0(表1)。D D R T-P
17、C R 扩增引物为3 条锚定引物与1 0 条随机引物共3 0 个引物对组合。以反转录合成的c D N A第一链为模板,P C R 反应程序为:9 4 预变性5m i n;9 4 变性4 5S,5 2 退火4 5S,7 2 延伸1m i n,1 5 个循环;9 4 变性4 5S,6 0 退火4 5S,7 2 延伸1m i n,2 0 个循环;7 2 延伸1 0m i n。表1D D R T-P C R 所用的锚定引物和随机引物序列T a b l e1S e q u e n c e so fa n c h o r e dp r i m e r sa n dr a n d o mp r i m e
18、r su s e di nD D R T-P C R引物名称引物序列P r i m e rn a m eP r i m e rs e q u e n c e(5 -3)A C G A C T C A C T A T A G G G C T T T T T T T T T T T CA C G A C T C A C T A T A G(;G C T T T T T T T T T T T T GA C G A C T C A C T A T A G G G C T T T T T T T T r T T T AA C A A T T T C A C A C A G G A G T T G C
19、G A T C CA C A A T T T C A C A C A G G A A C G G A C G T C AA C A A T T T C A C A CA G G AG A T C G C A T T GA C A A T T T C A C A C A G G A T A C A A C G A(;GA C A A T T T C A C A C A G G A G G T A C T A A G GA C A A T T T C A C A C A G G A T(X;G T C A T A GA C A A T T T C A C A C A G G A G A T G C
20、 C A G A CA C A A T T T C A C A C A G G A G G A T G C C A C TA C A A T T T C A C A C A G G AA G C C A G c G A AA C A A T T T C A C A C A G G A C T T T G G C T C C1 4D D R T-P C R 产物凝胶电泳和差异片段的回收、克隆、测序及序列分析D D R T P C R 产物经3 琼脂糖凝胶电泳分离后,差异片段用凝胶纯化试剂盒回收,与p G M Te a s yv e c t o r(p r o m e g a 公司)连接,转化大肠
21、杆菌洲眦呲嘲晚嘴嗽嘶l嘟嘞嘞啪 万方数据1 7 3 8西北植物学报2 9 卷(E s c h e r i c h i ac o l i)D H l O B,鉴定后送往上海博尚生物工程公司测序。对测序结果提交G e n B a n k,利用B I。A S T(h t t p:b l a s t n c b i n l m n i h g o v B l a s t c g i)进行序列同源性分析和功能预测。1 5 差异片段D I 和D 5 在s 0 2 胁迫下的R T-P C R表达分析采用半定量R T P C R 分析D 1 和D 5 片段在S O。气体胁迫处理后的玉米叶片中的表达丰度。扩增D
22、 1 的特异性引物为:D 1-F 1:5 一G A G C G A G A T C A C C A C G G A G A(、-37;D 1 一R 1:5 -C G G G A G G T T G A G G A A G A T G C-3,产物长度为3 5 0b p;扩增D 5的特异性引物为:5 一C G T A T T T A T T A T C G C C T T C A T C G C 一37:5 -G G G T A A A T C A A G A A A A C A G C A G T A G C 一3,产物长度为3 2 0b p。以玉米A c t i n l为内参基因1 5 ,P
23、 C R 引物为:A c t i n F:5 -G G C A G C-T C G T A G C T C T T C T C 一37;A c t i n-R:57 一A A C A G G G A G A A G A T G A C C C A 一3,产物长度为5 7 4b p。半定量R T-P C R 分析的R N A 样品来自3 批独立的S O。胁迫处理的玉米叶片,D 1 和D 5 基因片段表达水平的分析进行了2 3 次的重复,都获得了相似的结果。2 结果与分析2 1总R N A 提取与检测玉米幼苗经1 2 0m g m _ 3 2h 熏气处理后,利用T R I Z O L 试剂盒提取0
24、h(立即取样)和2 4h 后的叶片总R N A,经D N a s e l 处理纯化后,进行1 2 的变性琼脂糖凝胶电泳检测。4 个样品的2 8、1 8 和5 S3 条r R N A 带清晰,各种不同长度的m R N A 形成连续的弥散带,表明R N A 的完整性良好(图1)。A z。A 2。的值在2 0 i t 右,说明各个样品的总R N AO hC KT R2 4hf KT R一2 8S一1 8S一5S图1 总R N A 样品的变性琼脂糖凝胶电泳检测C K 对照;T R 处理F i g 1D e t e c t i o no ft o t a lR N As a m p l e sb yd
25、e n a t u r e da g a r o s eg e le l e c t r o p h o r e s i sC K C o n t r o lIT R T r e a t e d纯度较高,可用作逆转录的模板。2 2S O:胁迫处理后玉米基因表达差异分析利用3 条37 端锚定引物与1 0 条5 端随机引物共3 0 个引物对组合,对S 0 z 胁迫处理后0h 和2 4h及对照的逆转录c D N A 模板进行P C R 扩增,均能扩增出特异条带。为了保证实验的重复性和可靠性,我们进行了3 次独立的处理,对同一批处理的样品c D N A 都利用引物组合对进行了3 次P C R 扩增,选
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