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玉米干旱诱导表达基因ZmCKS2的克隆与表达分析

第6期张中保等:玉米干旱诱导表达基因ZmCKS2的克隆与表达分析947

ZmCKS2基因上游2.4kb的序列,以此序列设计多对引物组合,以玉米自交系CNl65基因组DNA为模板进行扩增,最终有一对引物在玉米自交系CNl65中扩增出2041bp的序列,所用的引物为CKSp-FP:5'-GTGGTAGTTGACATTGGCGAAGAT-3’和CKSp—RP:5,.GAAGGCGAGGGTTTCACATCTAC.3’,扩增程序为94℃预变性5min;94℃30S,60℃30S,72℃90S,40个循环;72"C延伸10min。将扩增得到的PCR产物连接至pMDl8.T载体,进行序列测定,重复3次。1.6实时荧光定量PCR分析

依据qRT-PCR引物设计要求,使用primerpremier5.0设计ZmCKS2特异引物(qFP:5'-CGACACCTATGAATACAGGCACG一3’和qRP:5'-TCCTGCTGCTGCTGGTAGTTGAT.3’),扩增长度为198bp。玉米内参基因GAPDH(甘油醛.3一磷酸脱氢酶,

glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase)用于数据分析时对不同样品cDNA模板量进行校准,所用引

物为5'-CCCTTCATCACCACGGACTAC.3’和5’一AACCTTCTrGGCACCACCCT-3’。20uLPCR扩增体系含:10止2xSYBRPremixExTaq(TaKaRa,大连),正反向引物各0.2I.tmolL-1和模板cDNA50-100ng。应用qRT-PCR专用96孔板(Axygen,美国)和高透光率封口膜(Axygen,美国),荧光定量PCR仪IcyclerReal—TimePCRSystem(Bio.Rad,美国)和ABl7000(ABIPrism,美国)进行qRT-PCR分析,每个样品3次重复。PCR程序为95℃2min;95℃5S,58℃15S,72℃20S,共40个循环;相对表达量Foldchange=2-从c1。,此处△△Cr=(cT锄c艘一cT.GAPDH)赴H一(cr.ZmCKS2一Cr一('^PD日)对照‘训o

1.7生物信息学分析

应用在线工具(http://www.iut-arles.up.univ—mrs。

fr/w3bb/d_abirn/compo.P.html)分析ZmCKS2蛋白的分子量和等电点;应用NCBI数据库中CDART(ConservedDomainArchitectureRetrievalTool,http://WWW.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/lexington/lexington.cgi?cmd=rps)分析保守结构域;应用Clustalxl.83进行多序列比对;应用MEGA4.0进行进化树分析。利用启动子在线分析软件Promoter2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/Promoter/)进行启动子区的预测分析,并利用PLACE(plantcis—actingregulatoryDNAele—merits,http://www.dna.affrc.go.jp/PLACE/)对启动子顺式调控元件进行预测。2结果与分析

2.1ZmCKS2基因cDNAs的克隆和序列分析序列分析表明,ZmCKS2基因cDNA全长(GenBank登录号为GU556566)611bp(图1),开放阅读框267bp,编码88个氨基酸,预测分子量为1.06kD,等电点pI9.41。

图l玉米ZmCKS2基因的扩增结果

Fig.1PCRamplifiedproductsofZmCKS2

l:PCR产物:CK:阴性对照(ddH20);M:分子量标准Trans2K。

l:PCRproducts;CK:negativecontrolfddH20);M:molecular

markerTrans2K.

2.2多序列比对及进化树分析

以ZmCKS2基因氨基酸序列为信息探针,应用NCBI中Blastp程序比对GenBank的NR(non—redundant)数据库及拟南芥、水稻数据库,从拟南芥、水稻、小麦、高粱、大豆及甘薯等植物中筛查出多个CKS蛋白,表明CKS蛋白普遍存在于高等植物中。将拟南芥两个CKS蛋白CKSl、CKS2和水稻、小麦、高粱、大豆的CKS蛋白与ZmCKS2蛋白进行多序列比对,发现CKS结构域在所有比对的蛋白中高度保守,但是在其C末端保守性较差(图2)。

为了进一步研究ZmCKS2蛋白与其他CKS类蛋白的亲缘关系,构建了包含ZmCKS2以及其他lO个作物共12个CKS蛋白的系统进化树(图3)。结果表明,ZmCKS2与高粱CKS及水稻的OsCKS聚在一个分支,说明它们具有较近的亲缘关系。

2.3ZmC嬲2基因组DNA序列扩增及分析ZmCKS2基因组DNA在CNl65中全长479bp

(图4),在B73中长度为490bp,均包含3个外显子和2个内含子;2个基因组DNA同源性为96%,在第2个内含子中存在7个碱基的差异。同时B73中

DNA存在一个21碱基的poly(C)2I,而CNl65中为

作物学报第36卷

图2ZmCKS2与拟南芥、水稻、小麦、高粱和大豆CKS蛋白多序列比对

Fig.2AminoacidalignmentofZmCKS2withCKSproteinsfromArabidopsis,rice,wheat,sorghum,andsoybean

82CKS2

lpomoeatrifida

29jCKSllpomoeamfida

51IL———一AtCKSArabidopsisthaliana

厂1广一cKsc绷P胁s妇脚捃

叫51H==。一。椭

AtCKS2Arabidopsisthaliana

——CKSl

Populustrichocarpa

CKSmfic柳laestivum

OsCKSIOryzasativa

●ZmCKS2Zeamoy¥

65‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。一CKSSorghumbicolor

F———叫

0.0l

图3不同植物中CKS蛋白与ZmCKS2的聚类分析

Fig.3PhylogeneticanalysisofCKSfromdifferentplantsandZmCKS2

应用MEGA4.O软件分析植物中CKS蛋白的亲源关系。

TheMEGA4.0programwasusedtoshowtherelationshipbetweenthemembersoftheCKSinplants

图4玉米ZmCKS2基因组DNA扩增结果F-g.4PCRamplifiedproductsofZmCKS2genomicDNA1-2:PCR产物;M:分子量标准Trans2K。

l—2:PCRproducts;M:molecularmarkerTrans2K.

poly(C)6(T)3,缺少该poly(C)21(图5)。经MaizeGDB比对分析,ZmCKS2基因位于玉米第一染色体binl.01。

2.4ZmCKS2基因启动子的获得和反式作用元件的分析

ZmCKS2基因启动子序列的PCR产物电泳结果见图6,测序结果表明,扩增片段为2041bp,与预测序列一致。应用植物启动子及其反式元件在线数据库PLACE对ZmCKS2启动子顺式作用元件进行预测。分析结果显示,ZmCKS2基因启动子存在典型的TATA.box和CAA.T-box(表1)。同时发现ZmCKS2启动子存在早期应答脱水胁迫顺式作用元件ABRELATERDl以及响应高盐、冷等非生物胁迫的顺式元件DRECRTCOREAT和wBOXNTERF3等。还有与水杨酸、氧化胁迫以及铜离子胁迫相关的顺式作用元件ASFlMOTIFCAMV和CURECORECR等。此外。还发现与胚、胚乳及种子发育相关的调控元件CANBNNAPA以及光诱导、昼夜节律调节的典型顺式作用元件.10PEHVPSBD。

2.5ZmCKS2基因在玉米不同器官中的表达分析应用实时荧光定量RT-PCR技术检测Z锄C硒2基因在玉米幼叶、幼根、开花期根、穗位叶、花丝、幼穗、雄穗及幼胚中mRNA水平的表达。结果表明,ZmCKS2基因在玉米幼穗中的表达远高于幼根中。此外,ZmCKS2基因在玉米幼胚中的表达量也较高,但在幼叶中的表达量相对较低(图7),说明ZmCKS2

基因可能与幼穗的生长与发育及幼胚发育密切相关。

第6期张中保等:玉米干旱诱导表达基因ZmCKS2的克隆与表达分析949

图5自交系B73与CNl65中ZmCKS2基因组DNA比较分析

Fig.5AnalysisofZmCKS2genomicDNAinmaizeinbredlinesB73andCNl65

图6玉米Zma龉2启动子扩增结果

Fig.6PCRamplifiedproductsotzmcKs2promoter

1-2:PCR产物(2041bp);CK:阴性对照(ddH20);M:分子量标

准Trans2K。

I一2:PCRproducts(2041bp);CK:negativecontrol(ddH20);

M:molecularmarkerTrans2K.2.6Zm删基因应答逆境胁迫表达分析我们从前期构建的SSH文库19i,发现ZmCKS2基因受土壤干旱胁迫诱导上调表达,为了进一步研究该基因在逆境胁迫应答中的表达模式,用脱水干旱、低温(4℃)、NaCl(250mmolL.1)、ABA(100ttmolL_1)和MeJA(100gmolL-1)处理玉米自交系CNl65三叶期幼苗,分别研究ZmCKS2基因在CNl65地上部分和地下部分的表达模式(ABA和MeJA处理只研究地上部分)。结果表明,在脱水处理下,ZmCKS2基因在地上部分和地下部分均表现上调表达趋势。地上部分在处理2h后上调表达2倍(上调表达2倍为显著上调表达;下调表达0.5倍为显著下调表达),至10h上调表达3.5倍;而在地下部分,处理至24h时,上调倍数达到2.1(图8.A)。

在NaCl处理条件下,无论是地上部分还是地下部分,均未达到显著的上调或下调表达趋势(图8.B)。在4"C低温处理条件下,地下部分无显著变化,而地上部分表现下调表达的趋势,处理1h后,下调表达即达对照的O.25倍,处理至10h和24h时,下调表达倍数分别为0.16和0.30(图8.C)。

ZmCKS2基因在应答ABA和MeJA两个外源激素处理时表现出不同的表达模式,在ABA处理下为下调表达,而在MeJA处理下为上调表达。ABA处理l、2、5和10h,ZmCKS2下调表达倍数分别为0.43、0.87、0.7l和0.46(图8.D)。MeJA处理5h时上调表达至2.1倍(图8.E)。

本结果表明ZmCKS2基因在应答干旱胁迫和MeJA时表现上调表达趋势,而在低温处理时表现下调表达趋势。而且这些应答过程可能是通过不依赖ABA途径进行的。

3讨论

干旱是影响植物生长发育最重要、最普遍的逆境因子【101。植物主要通过两类基因对其进行反应,一是启动参与信号转导和调节代谢途径的基因,二是启动编码胁迫耐受蛋白以及参与结构和功能代谢相关酶的基因【n-12]。本研究从玉米中克隆了一个受干旱胁迫诱导的CKS家族基因,其编码产物与拟南芥AtCKS2相似性很高,被命名为ZmCKS2基因。多序列比对及进化树分析表明,该基因编码蛋白与高粱和水稻的CKS蛋白相似性最高,分别为82%和81%;与拟南芥AtCKSl和AtCKS2蛋白相似性分别

是78%和77%。

952

作物学报

第36卷

Methods,2001。25:加2—408

【9】I.iH—Y(李会勇),HuangS-H(黄素华),ZhaoJ-R(赵久然),Wang

F-G(王风格),珏柚gZ-B(张中保),MaoY—H(毛毅辉),Wang

X-T(王秀堂)'ShiY—S(石云素),SongY?c(宋燕春),WangG—Y(王国英),LiY(黎裕),WangT-Y(王天宇).Isolatingsoil

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English

abstract)

科学出版社生物分社新书推介

(英)巴顿等著;宿兵等译

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玉米干旱诱导表达基因ZmCKS2的克隆与表达分析

作者:黎裕, 张中保, 卢敏, 李会勇, 张登峰, 刘颖慧, 石云素, 宋燕春, 王天宇,ZHANG Zhong-Bao, LU Min, LI Hui-Yong, ZHANG Deng-Feng, LIU Ying-Hui, SHI

Yun-Su, SONG Yan-Chun, WANG Tian-Yu, LI Yu

作者单位:黎裕,张中保,卢敏,张登峰,石云素,宋燕春,王天宇,ZHANG Zhong-Bao,LU Min,LI Hui-

Yong,LIU Ying-Hui,SONG Yan-Chun,WANG Tian-Yu,LI Yu(中国农业科学院作物科学研究所

,北京,100081), 李会勇,ZHANG Deng-Feng(中国农业科学院作物科学研究所,北京

,100081;河南省农业科学院粮食作物研究所,河南郑州,450002), 刘颖慧,SHI Yun-Su(中国

农业科学院作物科学研究所,北京,100081;河北北方学院,河北张家口,075000)

刊名:

作物学报

英文刊名:ACTA AGRONOMICA SINICA

年,卷(期):2010,36(6)

参考文献(16条)

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