本發(fā)明屬于生物基因工程技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種小麥木聚糖-阿拉伯糖基轉(zhuǎn)移酶基因taxat的克隆與在提高植物赤霉病抗性中的應(yīng)用。
背景技術(shù):
赤霉病(fusariumheadblight)是由禾谷鐮刀菌引起的,危害小麥、大麥、燕麥、玉米、水稻、黑麥等禾谷類作物的重要病害之一,嚴(yán)重影響我國糧食生產(chǎn)的產(chǎn)量和品質(zhì)。赤霉病在我國長(zhǎng)江中下游和東北地區(qū)大面積發(fā)生,在大流行年產(chǎn)量減少20-40%。近年來隨著耕作模式改變和氣候變化,赤霉病已經(jīng)向我國其他的主產(chǎn)區(qū)蔓延。此外,病麥粒攜帶的真菌毒素影響種子質(zhì)量,危害人和動(dòng)物的健康,成為威脅糧食安全的隱患之一。耕作模式和栽培技術(shù)的改變難以解決病害的侵染和蔓延,使用藥劑防治對(duì)控制赤霉病大發(fā)生和大流行取得了一定的效果,但同時(shí)增加了生產(chǎn)成本,化學(xué)藥劑的使用也不可避免的導(dǎo)致環(huán)境污染。利用赤霉病抗性基因進(jìn)行品種改良是減輕赤霉病危害的有效途徑。
研究表明,小麥赤霉病的抗性是由少數(shù)主效基因加眾多微效基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,已從普通小麥或近緣種中定位了超過100與赤霉病相關(guān)的抗性位點(diǎn),這些抗性位點(diǎn)分布在除7d以外的所有20條染色體上。通過基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組等分析方法表明赤霉病候選基因分布在小麥應(yīng)答禾谷鐮刀菌的各個(gè)生物學(xué)過程中,如次級(jí)代謝生物合成、細(xì)胞壁防御、降低胞內(nèi)過氧化物和轉(zhuǎn)化毒素等。
tafrog基因(alexandraetal,2015)位于a基因組第4號(hào)染色體上,克隆自抗性種質(zhì)“cm82036”,編碼一個(gè)未知功能的蛋白,與tasnrk1α互作后能一定程度上減緩赤霉病的發(fā)生。
taabcc3基因(stephanieetal,2015)在a、b、d基因組第3號(hào)染色體上各有一個(gè)拷貝,基因全長(zhǎng)為4503bp,編碼的蛋白含有一個(gè)abc轉(zhuǎn)運(yùn)酶c家族結(jié)構(gòu)域,利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默證實(shí)taact基因參與taabcc3基因參與毒素的降解,能增強(qiáng)植物對(duì)毒素的耐受能力。
taact基因(kageetal,2016)位于d基因組第2號(hào)染色體長(zhǎng)臂上,cdna全長(zhǎng)為1326bp,編碼的蛋白含有一個(gè)轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域,利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默證實(shí)taact基因參與防御赤霉病菌。
pft基因(rawatetal,2016)位于b基因組第3號(hào)染色體短臂,克隆自中國赤霉病抗性品種“蘇麥3號(hào)”。pft基因全長(zhǎng)3427bp,它含有1個(gè)5’非翻譯區(qū),2個(gè)外顯子、1個(gè)內(nèi)含子和1個(gè)3’非翻譯區(qū),編碼的蛋白含有2個(gè)植物凝集素結(jié)構(gòu)域和1個(gè)etx/mtx2結(jié)構(gòu)域。在基因區(qū)域發(fā)生單核苷酸突變后引起的移碼突變可使抗性植株抗性降低。
赤霉病菌在花期時(shí)侵染小麥小穗,產(chǎn)生大量的細(xì)胞壁降解酶類,如:果膠酶、木聚糖酶和纖維素酶等來降解細(xì)胞壁多聚糖,從而達(dá)到在宿主上侵染和擴(kuò)展的目的。降解酶類對(duì)細(xì)胞壁的降解程度受細(xì)胞壁的成分及其相對(duì)含量的影響,在宿主-病原菌互作中發(fā)揮重要的作用,但在禾谷類作物中這方面的研究還比較少。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)上述問題,本發(fā)明提供一種編碼細(xì)胞壁木聚糖-阿拉伯糖基轉(zhuǎn)移酶taxat基因?qū)儆谔腔D(zhuǎn)移酶家族61,其參與木聚糖的阿拉伯糖修飾反應(yīng)而影響細(xì)胞壁的成分及其含量,在細(xì)胞壁防御禾谷鐮刀菌的過程中提高植物赤霉病抗性,本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一種提高植物赤霉病抗性的小麥基因,其核苷酸序列如seqidn0.1所示。
一種由seqidn0.1所示基因編碼的蛋白質(zhì),其氨基酸序列如seqidn0.2所示,即seqidno.1序列中264位到1844位基因編碼的序列。
一種含有seqidn0.1所示基因的植物表達(dá)載體pcambia2301-camv35s-taxat。
如seqidn0.1所示提高植物赤霉病抗性的小麥基因在增強(qiáng)植物赤霉病抗性中的應(yīng)用,其具體為,將seqidn0.1所示提高植物赤霉病抗性的小麥基因通過表達(dá)載體轉(zhuǎn)入目的植物內(nèi),以提高植物的赤霉病抗病性。
本發(fā)明提供的提高植物赤霉病抗性的小麥基因taxat在增強(qiáng)植物赤霉病抗性中具有重要的應(yīng)用價(jià)值,可以通過酶切連接方法將如seqidn0.1所示的基因編碼區(qū)序列連接到植物表達(dá)載體上,用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化方法導(dǎo)入擬南芥、小麥、玉米或其他植物細(xì)胞,可獲得表達(dá)所述基因的轉(zhuǎn)基因抗病材料,從而應(yīng)用于生產(chǎn)。本發(fā)明所述的基因構(gòu)建到植物轉(zhuǎn)化載體上,可以對(duì)所述基因或其調(diào)控序列適當(dāng)修飾,也可以用其它啟動(dòng)子取代所述基因原有的啟動(dòng)子,從而拓寬抗病譜或增強(qiáng)對(duì)病原菌的抗性。
本發(fā)明的有益效果:將克隆的抗病基因轉(zhuǎn)入感病的植物中,有助于獲得新的抗病植物。克隆的抗病基因能在不同的物種間轉(zhuǎn)移并利用,從而能夠克服傳統(tǒng)抗病育種中遠(yuǎn)緣雜交的困難。此外,可以用雜交和轉(zhuǎn)化方法在植物中累加多個(gè)抗病基因,而不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)育種技術(shù)中伴隨出現(xiàn)的基因組中連鎖累贅問題,并且可以縮短育種時(shí)間,提高品種選育效率。
附圖說明
圖1為利用race技術(shù)擴(kuò)增taxat基因的5’和3’片段的檢測(cè)電泳圖,泳道1和2分別為taxat基因的5’和3’片段。
圖2為植物表達(dá)載體pcambia2301-camv35s-taxat構(gòu)建的檢測(cè)電泳圖;
其中,圖2a為重組質(zhì)粒pcr檢測(cè)的電泳圖,泳道1為重組質(zhì)粒的pcr檢測(cè)電泳圖,泳道2為未重組質(zhì)粒的pcr檢測(cè)電泳圖;
圖2b為重組質(zhì)粒pcambia2301-camv35s-taxat的酶切鑒定電泳圖,泳道1為重組質(zhì)粒的酶切后電泳圖,泳道2為重組質(zhì)粒的未酶切的電泳圖。
圖3為轉(zhuǎn)基因植株的taxat基因的pcr鑒定電泳圖。
其中,泳道1-3為轉(zhuǎn)基因組植株葉片的pcr擴(kuò)增產(chǎn)物,泳道4為對(duì)照野生組植株葉片的pcr產(chǎn)物,泳道5為重組質(zhì)粒pcambia2301-camv35s-taxat的pcr產(chǎn)物,泳道6為雙蒸水的pcr產(chǎn)物。
圖4為三株轉(zhuǎn)基因株系表達(dá)結(jié)果示意圖;
圖5為轉(zhuǎn)基因植株花序?qū)Σ≡目剐澡b定結(jié)果示意圖;
其中,圖5a為轉(zhuǎn)基因植株花序?qū)Σ≡目剐澡b定圖;
圖5b為對(duì)照野生型植株花序?qū)Σ≡目剐澡b定圖。
圖6為轉(zhuǎn)基因植株角果對(duì)病原菌的抗性鑒定結(jié)果示意圖;
其中,圖6a為轉(zhuǎn)基因植株角果對(duì)病原菌的抗性鑒定圖;
圖6b為對(duì)照野生型植株角果對(duì)病原菌的抗性鑒定圖。
具體實(shí)施方式
下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明,均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等,如無特殊說明,均可從商業(yè)途徑得到。
下述實(shí)施例涉及的核苷酸、氨基酸序列如序列表seqidno.1-seqidno.10所示。
實(shí)施例涉及的材料來源:
蘇麥3號(hào):由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所小麥研究室保藏;
擬南芥植物:由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所小麥研究室保藏;
赤霉菌:由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所小麥研究室保藏;
pt19-t載體:購自寶生物工程(大連)有限公司
pcambia2301-camv35s:由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所小麥研究室保藏;
實(shí)施例1taxat基因的獲得及分析
根據(jù)所得目的基因的est序列,使用primerpremier5.0設(shè)計(jì)用于5’和3’race巢式擴(kuò)增的引物:5’-primer(其序列如seqidno.3所示)和3’-prime(其序列如seqidno.4所示);
以接種赤霉菌處理8小時(shí)的蘇麥3號(hào)穗部cdna為模板,利用cdnaamplification試劑盒分別進(jìn)行3’和5’race擴(kuò)增:
pcr反應(yīng)體系:2×seqampbuffer25.0μl,seqampdnapolymerase1.0μl,cdna模板2.5μl,10×universalprimeramix5μl,5’或3’-primer(10μm)1μl,ddh2o15.5μl。
pcr反應(yīng)程序:94?c3分鐘;94?c30秒,55?c30秒,72?c2分鐘延伸,30個(gè)循環(huán);72?c延伸5分鐘;
將pcr產(chǎn)物于1%瓊脂糖膠進(jìn)行凝膠電泳,電泳結(jié)果如圖1所示,圖1中,泳道1和2分別為taxat基因的5’和3’片段,m為dnamarker。
對(duì)目的條帶進(jìn)行切膠回收,克隆至pt19-t載體中,送南京金斯瑞生物科技有限公司測(cè)序。經(jīng)過序列拼接得到完整的基因,申請(qǐng)人自命名為taxat,其核苷酸序列如seqidno.1所示,基因序列全長(zhǎng)為2030bp。
用軟件orffinder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)預(yù)測(cè)完整開放閱讀框,全長(zhǎng)為1581bp(即seqidno.1序列中264位到1844位的序列),其編碼的氨基酸序列如seqidno.2所示。
實(shí)施例2植物表達(dá)載體的構(gòu)建
以蘇麥3號(hào)穗部cdna為模板,利用引物taxatfxba(seqidno.5所示)和taxatrsac(seqidno.6所示)擴(kuò)增taxat完整的開放閱讀框,并引入限制性酶切位點(diǎn)xbai和saci,回收目的片段。
pcr反應(yīng)體系:10×exbuffer5μl,mgcl2(25mm)4μl,dntp(2.5mm)1.6μl,taxatfxba引物(10um)1μl,taxatrsac引物(10um)1μl,extaq0.25μl,ddh2o13.7μl。
pcr反應(yīng)程序:94?c3分鐘;94?c15秒,55?c30秒,72?c2分鐘延伸,30個(gè)循環(huán);72?c延伸5分鐘;
使用限制性內(nèi)切酶xbai和saci分別對(duì)pcambia2301-camv35s和目的基因片段進(jìn)行酶切,37℃酶切15min,再次回收。
酶切體系:目的片段200ng或載體1000ng,10×buffer2μl,xbai1μl,saci1μl,ddh2o補(bǔ)充至20μl;
用連接酶solutioni連接回收片段:
連接體系:solutioni5μl,pcambia2301酶切后產(chǎn)物1μl,目的基因酶切后產(chǎn)物4μl。
連接產(chǎn)物后轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞,在37?c培養(yǎng)箱中,平板正向放置至液體完全被固體培養(yǎng)基吸收,然后避光倒置,37?c培養(yǎng)12~14h。
通過電泳鑒定重組質(zhì)粒,電泳結(jié)果如圖2a所示,其中泳道1為重組質(zhì)粒的pcr檢測(cè)電泳圖,泳道2為未重組質(zhì)粒的pcr檢測(cè)電泳圖。
采用基因特異性引物taxatfxba和taxatrsac對(duì)重組轉(zhuǎn)化子進(jìn)行菌液pcr篩選。
pcr反應(yīng)體系:10×buffer(含mg2+)2.0μl,dntp(2.5mm)1.6μl,菌液2.0μl(od600在0.4-0.6之間),引物taxatfxba(10um)0.1μl,引物taxatrsac(10um)0.1μl,rtaq,0.5μl,ddh2o補(bǔ)足至20μl。
pcr反應(yīng)條件為:94?c5分鐘;94?c30秒,55?c30秒,72?c2分鐘,30個(gè)循環(huán);72?c延伸5分鐘。
擴(kuò)增產(chǎn)物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),凝膠成像系統(tǒng)記錄結(jié)果。
陽性重組質(zhì)粒按照質(zhì)粒小提試劑盒提取質(zhì)粒,使用限制性內(nèi)切酶xbai和saci酶切鑒定重組子pcambia2301-camv35s-taxat,如圖2b所示,圖2b為重組質(zhì)粒pcambia2301-camv35s-taxat的酶切鑒定電泳圖,其中,泳道1為重組質(zhì)粒的酶切后電泳圖,泳道2為重組質(zhì)粒的未酶切的電泳圖。
以上結(jié)果表明植物表達(dá)載體pcambia2301-camv35s-taxat構(gòu)建成功,可以應(yīng)用于植物遺傳轉(zhuǎn)化。
實(shí)施例3擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化及基因功能驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)分為轉(zhuǎn)基因組與對(duì)照野生組:
轉(zhuǎn)基因組:采用浸花法進(jìn)行擬南芥的遺傳轉(zhuǎn)化(參見cloughsj,bentaf(1998)floraldip:asimplifiedmethodforagrobacterium-mediatedtransformationofarabidopsisthaliana.plantj16:735–743.),將實(shí)施例2獲得的植物表達(dá)載體pcambia2301-camv35s-taxat轉(zhuǎn)入擬南芥植物內(nèi),經(jīng)過含卡那霉素(終濃度50mg/l)的ms培養(yǎng)基篩選后,將長(zhǎng)出真葉并呈綠色的擬南芥植株移栽到土質(zhì)基質(zhì)上,置于培養(yǎng)箱中正常培養(yǎng)6-8周。培養(yǎng)條件為:相對(duì)濕度80%,恒溫20-24℃,光照強(qiáng)度80-200umol/m2/s,光照周期為8h黑暗﹑16h光照培養(yǎng)。
對(duì)照野生組:野生型種子在無抗生素平板萌發(fā),長(zhǎng)出真葉后移栽到土質(zhì)基質(zhì)上,置于培養(yǎng)箱中正常培養(yǎng)6-8周,培養(yǎng)條件與轉(zhuǎn)基因組一致。
1、植株葉片驗(yàn)證
采集葉片,提取基因組dna,使用基因特異性引物taxatfxba(seqidno.5)和taxatrsac(seqidno.6)進(jìn)行pcr驗(yàn)證,
pcr反應(yīng)體系:10×buffer(含mg2+)2.0μl,dntp(2.5mm)1.6μl,菌液2.0μl(od600在0.4-0.6之間),taxatfxba(10um)0.1μl,taxatrsac(10um)0.1μl,rtaq0.5μl,ddh2o補(bǔ)足至20μl;
pcr反應(yīng)條件為:94?c5分鐘;94?c30秒,55?c30秒,72?c2分鐘,30個(gè)循環(huán);72?c延伸5分鐘。
電泳結(jié)果如圖3所示,泳道1-3為轉(zhuǎn)化植株的pcr擴(kuò)增產(chǎn)物,泳道4為對(duì)照野生組的pcr產(chǎn)物,泳道5為重組質(zhì)粒pcambia2301-camv35s-taxat的pcr產(chǎn)物,泳道6為雙蒸水的pcr產(chǎn)物。
2、轉(zhuǎn)基因表達(dá)驗(yàn)證
分別以t1代擬南芥轉(zhuǎn)基因與野生型花序的cdna為模板,利用rochelightcycler96實(shí)時(shí)熒光定量pcr儀檢測(cè)目的基因的相對(duì)表達(dá)量。基因特異性引物為rtf(seqidno.7)和rtr(seqidno.8),內(nèi)參基因?yàn)閠ubulin,其擴(kuò)增引物為tubf(seqidno.9)和tubr(seqidno.10)。
qpcr反應(yīng)體系為:sybrpremixextaq(2×)10μl,引物1(10μm)0.4μl,引物2(10μm)0.4μl,cdna2.0μl,ddh2o7.2μl。
pcr程序:采用兩步法pcr擴(kuò)增標(biāo)準(zhǔn)程序:95℃30秒;95℃5秒,60℃30秒,共40個(gè)循環(huán)。每個(gè)樣品三次重復(fù),反應(yīng)結(jié)束后獲得ct值,采用2-δδct法對(duì)目的基因進(jìn)行相對(duì)定量表達(dá)分析。
結(jié)果如圖4所示,圖4中,(1)為野生型,(2)-(4)為選取的三株轉(zhuǎn)基因株系表達(dá)結(jié)果,可見,目的基因在轉(zhuǎn)基因株系體內(nèi)能穩(wěn)定表達(dá),表達(dá)量比野生型提高9-18倍。
3、種子染病驗(yàn)證
選取t1代擬南芥轉(zhuǎn)基因與野生型種子,播種后移栽到土質(zhì)基質(zhì)上,生長(zhǎng)至花期且有2-3個(gè)角果時(shí)即可接種赤霉病菌。
接種方法如下:調(diào)整病原菌孢子數(shù)濃度為1×105個(gè)/l,采用噴霧法對(duì)花序進(jìn)行接種,每株噴灑0.5ml分生孢子液,接種2天后對(duì)染病植株進(jìn)行觀察。
角果柱頭端2毫米處用無菌剪刀切斷,接種孢子液滴5μl在傷口處,接種7天后觀察發(fā)病情況。接種后用塑料薄膜覆蓋保濕,22?c下黑暗培養(yǎng)2天然后移至25?c、相對(duì)濕度為80%溫箱中,光暗比16h:8h培養(yǎng)。
圖5為兩組植株花序?qū)Σ≡目剐澡b定結(jié)果圖片,其中,圖5a為轉(zhuǎn)基因組植株花序?qū)Σ≡目剐澡b定圖,圖5b為對(duì)照組野生型植株花序?qū)Σ≡目剐澡b定圖,由圖5可見,對(duì)于花序組織,對(duì)照組和轉(zhuǎn)基因植株中均能明顯看到菌絲在花序組織間擴(kuò)展,但轉(zhuǎn)基因植株發(fā)病程度小于對(duì)照組。
圖6為兩組植株角果對(duì)病原菌的抗性鑒定圖片,其中,圖6a為轉(zhuǎn)基因組植株角果對(duì)病原菌的抗性鑒定圖,圖6b為對(duì)照組野生型植株角果對(duì)病原菌的抗性鑒定圖,由圖6可見,枯萎的種子周圍都有一定程度的布滿菌絲,野生型擬南芥角果整體枯萎呈現(xiàn)褐色,轉(zhuǎn)基因角果呈現(xiàn)褐綠色,說明轉(zhuǎn)基因植株對(duì)病原菌的抗性增強(qiáng)。
sequencelisting
<110>江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院
<120>一種提高植物赤霉病抗性的小麥基因及其應(yīng)用
<130>10
<160>10
<170>patentinversion3.3
<210>1
<211>2030
<212>dna
<213>人工合成
<400>1
gtggtatcaacgcagagtactgggggaagccaagtcctacaccgccacacctcctcgcct60
gctttctgtccccgtctctcttctatctccatgtaaagttgtgagccgtcgacgaagaaa120
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<211>526
<212>prt
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