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无机磷酸盐(inorganic phosphates, Pi)的消耗是影响全球植物生长的严重问题[1]。所有生物体的生命都依赖于脂质双层细胞膜的存在,该膜将细胞内部与环境分开,单乳糖基和二乳糖基二酰基甘油(分别为MGDG和DGDG)构成植物叶绿体中膜脂质的大部分[2]。膜脂质重塑是植物用来在Pi耗尽条件下生存的防御机制[3]。在Pi饥饿期间,磷脂被降解为Pi提供其他必需的生物过程,而质体中的半乳糖脂合成通过单半乳糖基二酰基甘油合酶3(MGD3)的转录激活上调[4]。在拟南芥Arabidopsis thaliana中,已经鉴定出3种功能性MGD合成酶(MGD1,MGD2和MGD3),并根据其氨基酸身份将其分为A型(MGD1)和B型(MGD2和MGD3)酶[5−6]。A型和B型酶在特异性、亚细胞定位和基因表达谱方面存在一些差异,A型酶定位于质体的内膜,而B型酶定位于质体外膜。在这三者中,MGD1是叶绿体中最丰富的亚型。MGD1的表达在光合组织中广泛存在,而MGD2和MGD3的表达在根等非光合组织中特异性检测到,在绿色组织中很少检测到[7]。2种类型的MGD酶对于植物在低磷酸盐条件下的生存至关重要,但尚未报道对MGD基因分歧的详细分析。这些基因对于植物适应磷素缺乏症可能是必不可少的。
棉花Gossypium是一种油籽和纤维作物,在全球70多个国家种植,在全球经济中发挥着重要作用[8-10]。然而,棉花的生长和生产力受到非生物和生物胁迫[11]。磷是核酸的主要组成部分,在植物生长发育和代谢过程中极为重要,是细胞分裂和根系生长不可缺少的,低磷胁迫不利于作物生长发育[12-16]。因此,研究低磷胁迫的分子适应机制和加强抗逆性对棉花生产至关重要。张学昕等[17]通过田间试验对不同施磷处理下的棉花各时期取样进行养分和产量分析表明:当其他条件一定时,随着施磷量的递增,棉株的单株铃数以及单铃质量也会随之增加,从而实现增产的目标。王刚等[18]研究发现:棉株地上和地下两部分的干物质都随有效磷含量的增加而增加,根冠比则随其增加而降低。通过有效磷含量影响糖类物质的合成转化以及棉株叶绿素含量,进而作用于整个棉株的生长。刘耘华等[19]研究表明:施用有机肥能够增加土壤有效磷含量,除了有机肥中有一部分磷素之外,还可以促进有效磷的转化。磷素与有机肥混合施用对土壤磷库、棉花产量和磷素吸收量都会产生积极影响。
本研究以前期研究筛选出的磷高效棉花品种陆地棉‘新陆早19’Gossypium hirsutum‘Xinluzao 19’为材料,克隆了GhMGD3基因,采用生物信息学工具分析其编码蛋白理化性质,并对其进行表达特性分析,旨在为深入解析棉花GhMGD3基因的生物学功能提供科学参考,并为培育磷高效利用的棉花新品种提供基因资源。
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陆地棉‘新陆早19’种植在河南科技大学农学院大田,不施加磷肥。选取长势一致的植株,采集根、茎、叶、花,用于分析GhMGD3基因在植株4个组织中的表达状况。
将‘新陆早19’种子播种于含干净湿润细沙的塑料盆内,28 ℃恒温培养箱,光照14 h/黑暗10 h,培养至棉苗三叶期,选择长势良好且一致的幼苗移至水培盆中,用1/2 Hoagland 营养液培养1周后分为2个处理水平,即适磷处理(SP,1.00 mmol·L−1)和低磷处理(LP,0.01 mmol·L−1),磷源采用KH2PO4,为保证K+的浓度一致,以1.0 mmol·L−1为标准,低磷营养液中以KCl补齐K+,其他营养成分含有2 mmol·L−1 Ca(NO3)2·4H2O、2.5 mmol·L−1 KNO3、0.5 mmol·L−1 NH4NO3、1.4 mmol·L−1 MgSO4·7H2O、1.0×10−3 mmol·L−1ZnSO4·7H2O、1.0×10−3 mmol·L−1 MnSO4·H2O、0.1×10−3 mmol·L−1 CuSO4·5H2O、0.01 mmol·L−1 H3BO3、0.05×10−4 mmol·L−1 (NH4)6MO7O24·4H2O、0.1 mmol·L−1 EDTA-FeNa[20]。分别处理0、4、12、24、72 h后,选取3株生长一致的棉花植株,并混合取其根部组织,然后迅速置于液氮中,−80 ℃保存备用。每日调节营养液pH 6.5,3 d更换1次营养液。
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根据前期陆地棉根部低磷胁迫基因表达谱芯片差异表达基因序列进行分析,在美国国家生物信息中心(NCBI)网站的EST数据库中检索差异表达基因序列,得到该基因的相似序列,将所得相似性序列(覆盖率>50%,相似度>90%)使用DNASTAR的Seqman进行拼接得到重叠群,将所得序列继续检索与拼接直至没有新的相似序列出现,所得即为结果序列conting,利用ORFfinder在线平台查找开放阅读框,进行目标基因GhMGD3的克隆与分析。根据ORFfinder在线平台查找的开放阅读框,使用Primer 5.0设计引物,由生工生物工程有限公司合成,见表1。
表 1 引物信息
Table 1. Primers used in the study
引物名称 引物序列(5′→3′) 上游引物 GGGTTCTTTGTCTTTCTTG 下游引物 ACCTGGATTTGGGACTCTT M13F TGTAAAACGACGGCCAGT M13R CAGGAAACAGCTATGACC GhACTIN-F ATCCTCCGTCTTGACCTTG GhACTIN-R TGTCCGTCAGGCAACTCAT GhMGD3-F CTTGTTTTCTTTTCTTCTTGGTGGA GhMGD3-R TGATAATAATAGCCGTTGTTGTTGA -
取液氮速冻整株植株后在研钵中迅速研磨成粉末转移至离心管,利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)法提取基因组DNA,向其中添加200 μL的TE缓冲液溶解后置于−20 ℃保存备用。
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以基因组DNA为模板设计PCR扩增反应体系(20 μL),冰上操作:2×M5 蓝色染料高保真Taq酶10.0 μL,上游引物(10 μmol·L−1) 0.5 μL,下游引物(10 μmol·L−1) 0.5 μL,模板 DNA 0.5 μL,无核酸酶ddH2O 8.5 μL。反应程序为:95 ℃ 3 min;94 ℃ 25 s,53 ℃ 25 s,72 ℃ 40 s,32个循环;72 ℃ 5 min;4 ℃低温保存。120 V,25 min,质量浓度为1%琼脂糖凝胶电泳检测。将目的DNA片段进行胶回收纯化后连接pTOPO-T载体,具体体系为(10 μL):M5 HiPer pTOPO-TA Vector 1.0 μL,10×增强剂 1.0 μL,纯化后的PCR产物 3.9 μL,灭菌水 4.1 μL。取5.0 μL连接产物转化50.0 μL大肠埃希菌Escherichia coli DH5ɑ 感受态细胞,将菌液涂布在含氨苄青霉素的LB固体培养基上,37 ℃培养过夜。随机挑取单菌落,扩大培养4 h。以所得菌液作模板进行菌液PCR反应,体系如下(20 μL):2×M5 蓝色染料高保真Taq酶10.0 μL,通用引物M13F 0.5 μL,通用引物M13R 0.5 μL,模板DNA 0.5 μL,无核酸酶ddH2O 8.5 μL。反应程序与以基因组DNA为模板PCR扩增反应体系相同。检测符合后送至生工生物工程有限公司测序。
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取液氮速冻整株‘新陆早19’植株后在研钵中迅速充分研磨成粉末,后续步骤依照RNAprep Pure多糖多酚植物总RNA提取试剂盒说明书提取RNA,150 V,15 min,质量浓度为1%琼脂糖凝胶电泳检测。参考HiScript® cDNA一链合成试剂盒说明书完成cDNA一链的合成,−20 ℃保存备用。
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以‘新陆早19’的cDNA为模板设计PCR扩增反应体系(20 μL),冰上操作:2×M5蓝色染料高保真Taq酶10.0 μL,上游引物(10 μmol·L−1) 0.5 μL,下游引物(10 μmol·L−1) 0.5 μL,cDNA 1.0 μL,无核酸酶 ddH2O 8.0 μL。PCR反应程序为:95 ℃ 3 min;94 ℃ 25 s,56 ℃ 25 s,72 ℃ 35 s,35个循环;72 ℃ 5 min;4 ℃低温保存。120 V,25 min,质量浓度为1%琼脂糖凝胶电泳检测。将目的DNA片段进行胶回收纯化后连接pTOPO-T载体,体系(5 μL)如下:M5 HiPer pTOPO-TA Vector 0.5 μL,10×增强剂 0.5 μL,纯化后的PCR产物1.5 μL,灭菌水2.5 μL。取5 μL连接产物转化50 μL大肠埃希菌DH5ɑ感受态细胞,培养后随机挑取单菌落扩大培养后进行菌液PCR反应,电泳检测符合后送至生工生物工程有限公司进行测序。
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使用在线平台及软件对基因进行生物信息学分析,预测分析基因的结构、性质等。
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利用半定量RT-PCR技术,分析GhMGD3基因在根、茎、叶、花中的表达状况。以各组织的cDNA为模板,GhACTIN作内参基因,所用引物见表1。设计PCR扩增反应体系(20 μL),冰上操作:2×M5蓝色染料高保真Taq酶10.0 μL,GhMGD3-F(10 μmol·L−1) 0.5 μL,GhMGD3-R(10 μmol·L−1) 0.5 μL,cDNA 1.0 μL,无核酸酶ddH2O 8.0 μL。PCR反应程序为:95 ℃ 3 min;94 ℃ 25 s,60 ℃ 25 s,72 ℃ 10 s,35个循环;72 ℃ 5 min;4 ℃低温保存。120 V,25 min,质量浓度为1%琼脂糖凝胶电泳检测。
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采用实时荧光定量PCR (RT-qPCR)技术检测GhMGD3基因在不同组织中及低磷胁迫处理下的表达模式。以GhACTIN作为内参基因,所用引物见表1。采用SYBR® Green Pro Taq HS预混型qPCR试剂盒进行荧光定量,使用的荧光定量PCR仪器型号是CFX96,数据分析采用
$2^{{-\Delta \Delta C}_{t}}$ 法,用Origin 9.0对数据进行统计分析并作图。
Cloning and expression of phosphorus efficient gene GhMGD3 in Gossypium hirsutum
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摘要:
目的 基于前期陆地棉Gossypium hirsutum根部低磷胁迫基因表达谱芯片差异表达序列数据分析,挖掘相关基因,并对其克隆与表达分析。 方法 克隆GhMGD3基因并进行基因组DNA与cDNA测序分析,借助生物信息学方法分析GhMGD3的基因结构和进化关系;采用半定量RT-PCR技术与实时荧光定量PCR (RT-qPCR)的方法检测该基因在根、茎、叶、花4个组织中的基因表达量的变化以及低磷胁迫下的表达模式。 结果 成功克隆了陆地棉GhMGD3基因。GhMGD3基因的编码序列全长为681 bp,共编码226个氨基酸,存在3个内含子,分子量是26 610.54 Da,等电点为8.74,是稳定的亲水碱性蛋白。二级结构以α-螺旋和无规则卷曲为主。该蛋白不存在信号肽、跨膜结构域、N-糖基化位点,但含有多个磷酸化位点。亚细胞定位结果显示:该基因编码的蛋白定位于叶绿体。GhMGD3蛋白与木槿Hibiscus syriacus氨基酸序列相似性较高,其亲缘关系最近。半定量RT-PCR和RT-qPCR试验结果均表示:GhMGD3基因主要表达于根,中量表达于茎,微量表达于叶和花,在低磷胁迫72 h时其相对表达量达到最高值。 结论 首次成功克隆到了陆地棉GhMGD3基因,获得了GhMGD3基因的组织表达以及低磷胁迫下的表达模式,GhMGD3基因在棉花磷高效利用信号调控中具有重要作用。图7表1参27 Abstract:Objective Based on the genome-wide expression profile of cotton seedlings under low phosphorus stress in the early stage of our research group, related genes were excavated and their preliminary expression analysis was conducted. Method Genomic DNA and cDNA sequence of the gene were cloned and analyzed by bioinformatics method. Semi-quantitative RT-PCR and fluorescence quantitative PCR (RT-qPCR) were used to detect the changes of gene expression in root, stem, leaf and flower tissues. The expression patterns of GhMGD3 under low phosphorus stress were analyzed by RT-qPCR technology. Result GhMGD3 gene was cloned. The coding sequence of GhMGD3 was 681 bp, encoding 226 amino acids and containing 3 introns. The molecular weight is 26 610.54 Da, isoelectric point is 8.74, it is a stable hydrophilic alkaline protein. The secondary structure is dominated by α-helix and random crimp. The protein does not have signal peptide, transmembrane domain and N-glycosylation site, but contains multiple acidification sites. Subcellular localization showed that the gene encoded a protein in chloroplast. GhMGD3 protein and Hibiscus syriacus protein amino acid sequence similarity is high, the most recent genetic relationship. The results of semi-quantitative RT-PCR and RT-qPCR showed that GhMGD3 gene was mainly expressed in root, medium expression in stem, and trace expression in leaf and flower, and its expression level reached the highest value at 72 h of low phosphorus stress. Conclusion The GhMGD3 gene was preliminarily obtained. The expression patterns of GhMGD3 in different tissues and under low phosphorus stress were analyzed. GhMGD3 gene has an important function in regulation of the efficient utilization of phosphorus in cotton. [Ch, 7 fig. 1 tab. 27 ref.] -
Key words:
- Gossypium hirsutum /
- low phosphorus stress /
- gene cloning /
- expression analysis
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表 1 引物信息
Table 1. Primers used in the study
引物名称 引物序列(5′→3′) 上游引物 GGGTTCTTTGTCTTTCTTG 下游引物 ACCTGGATTTGGGACTCTT M13F TGTAAAACGACGGCCAGT M13R CAGGAAACAGCTATGACC GhACTIN-F ATCCTCCGTCTTGACCTTG GhACTIN-R TGTCCGTCAGGCAACTCAT GhMGD3-F CTTGTTTTCTTTTCTTCTTGGTGGA GhMGD3-R TGATAATAATAGCCGTTGTTGTTGA -
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20220145