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玉米淀粉分支酶基因启动子的克隆及生物信息学分析

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维普资讯 http://www.cqvip.com 安徽农业科学,Journal of Anhui Agn.Sci.2007,35(14):4126—4127,4129 责任编辑张杨林责任校对王森 玉米淀粉分支酶基因启动子的克隆及生物信息学分析 朱苏文,韩国民,江腾(安徽农业大学生命科学学院,安徽合肥230036) 摘要[目的]为了研究不同淀粉含量的启动子之间是否有差异及对直链淀粉合成途径是否有影响。[方法]以常规玉米叶片基因组 DNA为模板,利用NCBI网站公布的高直链玉米淀粉分支酶基因(Zeamays starch branching enzyme IIb,SBEIIb)序列设计引物,通过 PCR反应扩增出常规玉米淀粉分支酶基因的启动子序列,将该扩增片段与T载体连接后测序,并与高直链玉米淀粉分支酶基因启动 子的序列进行比较分析。[结果]结果表明:玉米淀粉分支酶基因启动子与公布的启动子序列同源性高达99-3%,序列差异 值为 0.007 16,该差异主要是SNP(单核苷酸多态性)和Indel(插入,缺失)造成的,推测该差异可能会影响到淀粉分支酶基因的表达,是造 成玉米直链淀粉含量差异的因素之一。[结论]该研究为深入了解玉米直链淀粉合成机理提供了重要依据。 关键词玉米;淀粉分支酶;启动子;差异 中图分类号078 文献标识码A 文章编号0517—6611(2007)14—4126—02 Cloning and Bioinformatics Analysis of Promoter Sequence of Corn Starch Branching Enzyme Gene ZHU Su-wen et la(School of Life Science,Anhui A cultural University,Hefei,Anhui 230036) Abstract f0biective1 the aim of this paper was to study whether there was difference in different starch content promoters and influence on amylose synthesis routes.fMethod1 Genome DNA of Zea mays was extracted from conventional corn leaf.And primers were designed according to the sequence of corn starch branching enzyme gene with high amylose content published by NCBI.The promoter sequence of conventional maize starch branching enzyme gene Was amplified by PCR,which was then recombined with T-vector.【Result】Result showed that there was 99-3% homology between the promoter of corn starch branching enzyme gene and the published promoter.Their diference was mainly caused by single nucleotide polymorphism(SNP)and Indel(insert/delete),which might impact the expression of starch brnchiang enzyme gene and was the main factor caused the difference of corn amylose content 【Conclusion】The research result offered important evidence in further studying the synthesis mechanism of corn amylose. Keywords Corn;Starch branching enzyme;Promoter;Difference 玉米是重要的粮食和饲料作物,在我国的种植面积很 司,性内切酶、pGEM-T载体等购自Takara大连宝生物 工程有限公司,PCR引物由上海生工生物工程技术服务有 限公司合成,其他常用试剂均为国产分析纯。 大。随着我国社会和经济的发展,一些特用玉米的需求量越 来越大,高直链淀粉玉米就是一种很好的工业和医药原料ll】, 具有较高的经济价值。众多研究结果揭示了玉米淀粉的生 物合成涉及4类酶——ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀 粉分支酶和去分支酶[2-31。其中对直链淀粉含量影响最大的 是淀粉分支酶基因。随着编码这些酶基因的克隆,利用转基 1.2方法将鲁原92玉米种子置于实验室发芽。待其长 到5叶期时,取新鲜叶片采用CTAB法提取玉米基因组 DNA[ ̄。以0.8%琼脂糖凝胶电泳检测基因组DNA大小及其 质量;紫外分光光度计法检测DNA纯度,并计算OD ̄o/0.D瑚 的比值。 登录NCBI网站,获取玉米淀粉分支酶基因的全长基 因技术对淀粉合成过程进行遗传操纵业已成为可能,并且 在提高淀粉产量以及不同特性淀粉品质的种质资源创新等 方面展示出巨大的潜力 。 因序列(GeneBank:AF072725)。根据其启动子序列设计引 物,从提取的基因组DNA中将其全长扩增出来。引物序列 如下: 弓I 1:5’TCATCGGACCGTCA 兀’G ITC 3’; 引2:5’AGCCGGATCGGATCGAACTG 3’ 高直链淀粉玉米的研究在美国已有多年历史。1952年 Vineyard和Bear发现了位于玉米第5条染色体匕的Ⅱe(amylose extender)基因是获得高直链淀粉而并不明显减少淀粉总含 量的关键,遗传研究表明高直链淀粉主要是由Ⅱe基因控制 的,淀粉分支酶的突变ne基因可使玉米淀粉中直链淀粉的 含量提高到50%~70%【q。 PCR扩增反应在Biometra-96梯度PCR仪上进行。优化 后的反应体系为:总体积50 l,其中10xPCR buffer (including MgC12)5 txl,dNTP(10 mmol/L)1 txl,5’primer(10 虽然对玉米中直链淀粉合成基因的研究取得了一定的 进展,但普通淀粉含量玉米的SBEIIb基因启动子序列至今 未被克隆,不同淀粉含量的启动子之间是否有差异及对直 链淀粉合成途径是否有影响,至今未见报道。该研究旨在克 txmol/L)2.5 l,3’primer(10 txmol/L)2.5 txl,Template(200 ng/tx1)2 txl,Taq DNA polymerase(5 U/ ̄1)0.4 txl,ddH20 36 6 l。优化后的扩增反应程序为:94℃预变性5 min,94℃变性 隆普通玉米的SBEIIb基因启动子序列,并与高直链淀粉玉 米该基因启动子序列进行比对分析,为更好地了解玉米直 链淀粉合成机理提供科学依据。 1材料与方法 1 min,65℃退火1 min,72℃延伸3 min,35个循环,72℃延 伸10 min。 PCR扩增产物的回收纯化按上海华舜生物公司回收试 剂盒进行,纯化产物与DGEM T-Vector连接。连接产物转化 13材料普通玉米为自交系鲁原92。大肠杆菌DH5ct由 EcDliDH5ct感受态细胞,经蓝白斑筛选及Nco I和Pst I双 酶切验证阳性克隆。 DNA测序反应在ABI 3100 Avant automated sequence测 安徽农业大学生命科学学院生物物理实验室提供;Taq DNA 聚合酶、dNTPs等购自上海生工生物工程技术服务有限公 作者简介收稿日期序仪上进行。分别为测得的序列和在NCBI上下载的启动 子序列建立文档。先用Sequence软件对文档进行格式化, 使之成为faste格式,即C1usta1X软件所接受的格式,然后 朱苏文(1961一),女,江苏东台人,副教授,从事生物生理和 基因工程的教学和研究。 2007—03—07 维普资讯 http://www.cqvip.com 35卷14期 朱苏文等玉米淀粉分支酶基因启动子的克隆及生物信息学分析 采用C1ustal x软件对所测的序列与NCBI下载的SBEⅡb 经插入了pGEM-T载体,成为重组质粒。 基因启动子序列进行比较,并作统计归类分析。 2结果与分析 2.1玉米基因组DNA的提取采用CTAB法提取玉米基 因组DNA,0.8%琼脂糖凝胶电泳(图1)与紫外检测发现, 样品1、2、3的ODz ̄o/0D瑚均在1.8~2.0之间,主带非常清 晰,模板质量很高,符合PCR扩增的要求。其中样品1的质 量最高,没有任何拖带现象,是PCR反应的最适模板。 2 3 M 图3重组质粒的酶切验证 2.4克隆的启动子序列的测序峰图重组质粒经过测序 PCR后,利用ABI3100测序仪进行上样分析,数据采用 Sequence 4.0软件进行分析读取峰图。图4为部分测序峰。 从图4中可以看出,所测序列的质量非常高,序列没有任何 注:1~3为玉米基因组DNA;M为分子量标准(KDNA/HindⅢ)。 间断,所读取的序列具有极高的可信度,可以进一步进行生 图1玉米叶片基因组DNA凝胶电泳 物信息学分析。 2.5序列的比对分析图5显示了2条序列的部分比对 2.2 PCR扩增结果PCR扩增产物经过1.1%的凝胶电 分布,从中可以看出序列之间的差异,所测序列可以进行很 泳,扩增出单一的条带,序列的长度3 kb左右(图2),与期 好地匹配,具有较高的同源性。而差异的部分主要是SNP 望的大小相同,说明扩增取得了成功。 和Indel(插入/缺失)造成的,虽然差异不是太大,但启动子 是与RNA聚合酶识别并结合的部位,控制基因的表达, 有很高的敏感性,微小的差异就可能造成基因表达的极大 ..—一4 361 bp 差异 。 ●—一2 322 bp 2.6统计归类分析统计归类分析高直链淀粉玉米与普 通玉米的淀粉分支酶的启动子序列的差异,其启动子全长 3 106 bp,SNP值为10,Indel差异12 bD,核苷酸的差异度Pj 值达0.007 16。P/值是反应序列差异的最常用的参数,启动 子序列的厅值虽不是太高,但启动子是控制基因表达水平 最关键的因素之一。这些差异主要是由于SNP和Indel造 图2 PCR扩增SBE11b基因启动子部分 成的。SNP近年来成为研究热点,可以用于分子标记和群体 2.3重组质粒的酶切验证如图3所示,说明目标序列已 分析,了解SNP对于了解整个基因以及不同群体的差异都 图4所测序列的部分峰 图5启动子的序列比对分析 有重要的作用。Indel也是造成序列差异的一个因素。在该 造成玉米淀粉分支酶基因表达差异和直链淀粉含量不同的 研究中,Indel都是比较小的,一般是1~3 bp。但是这种Indel 原因之一 10]。 和SNP都分布在序列的两头,中间部分都比较少,可能与 (下转第4129页) RNA聚合酶的结合序列有关。由此可知,启动子的差异是 维普资讯 http://www.cqvip.com 35卷l4期 王振宇等根瘤菌吸氢基因种间转移的研究 4129 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 RFLP研究以及16s rRNA部分碱基序列的分析,并与l0多 个根瘤菌进行比较发现:花生根瘤菌在系统发育上与慢生 23 130bp 型大豆根瘤菌基本一致,而与豌豆根瘤菌遗传距离最远,不 9 416bp 同的机制可能是导致花生根瘤菌吸氢基因不能在豌豆 6 557 bp 4 361 bp 和四季豆根瘤菌种中表达的原因 。 2 322 bp 参考文献 2 027 bp [1]LAMBERT B R,CANTRELL M A,HANUS F J,et a1.fihral and interspecies transfer and expression of Rhizobium japonicum hydrogen uptake genes and autotrophic growth capability『J1.Proc Natl Acad Sci USA,1985,82:3232—3236. 注:泳道1为DNA标准,h/Hind III;泳道2为重组质粒pZ55;泳道3 为大豆根瘤菌的结合子R. aponicⅡm Jz一10;泳道4、5、6、7为绿豆 『21 LEYVA A,PALACIOS J M,MOZO T,et a1.Cloning and characterization 根瘤菌的结合珠aenles Mz一21,Mz一22,Mz一29,Mz一31;泳道8、9、 of hydrogen uptake genes from Rhizobium leguminosarum[J].Bacteriol, 10为四季豆Rhizobium vulgaris Kz一221,Kz一37,Kz一25;泳道11、12 1987,169:4929—1934. 为豌豆根瘤菌的结合株R.1eg.Lz一5,Lz。 [3]DITTA G,STANFIELD S,CORBIN D,et a1.Brod host range DNA 图1结合株重组质粒的凝胶电泳图谱 cloning system for gram-negative bacteda[J1.Proc Natl Acad Sci USA,1980,77:7347—7351. 3结论与讨论 [41曾定.固氮生物学[M].厦门:厦门大学出版社,1987:358—369. 利用三亲本杂交的方式可以实现吸氢基因在不同根瘤 [5]Gerhardt P.普通细菌学方法手册[M].厦门大学生物系微生物教研 室,译厦门:厦门大学出版社,1989:290—291. 菌的种间转移并表达活性,构建具有高吸氢活力和固氮效 [6]许良树,吕荣富,张凤章,等.花生根瘤菌吸氢培养基的改进『J1.厦门 率的根瘤菌菌株,实现不同优良性状的重组,提高根瘤菌的 大学学报,1994,32(2):269—271. 共生固氮效率。 [7]王振宇,龙敏南,刘月英,等.根瘤菌吸氢基因转移的研究『J1_微生物 学报,2001,41(4):421—426. 虽然花生根瘤菌吸氢基因可以在不同种的根瘤菌中转 [8]霍尔特简明第八版伯杰鉴定手册[M1.刘复今,译.济南:山东大学 移,但豌豆根瘤菌和四季豆根瘤菌结合株却不能检测出吸 出版社,1988:93—94. [9],陈强,KRISTINA L,等.花生根瘤菌在根瘤菌系统分类中 氢活性的表达。等通过对花生根瘤菌16s rRNA的 的地位研究『J1_微生物学报,1996,36(3):227—233. (上接第4127页) 『71 ANGEN0N G,VAN M0NTAGU M,DEP ICKER A.Analysis of the 3结论与讨论 stop codon context in plant nucleargenes『J1.FEBS-Lett,1990,271: 144-146. 目前PCR是最常用和最有效的克隆基因方法ll】J。该试 [8]滕文涛,宋同明.近等基因背景下对玉米胚乳突变基因 的遗传效 验利用已公布的高直链玉米淀粉分支酶基因序列设计引 应研究『J1.作物学报,2001,27(2):190—195. 物,成功地从普通玉米中扩增出淀粉分支酶基因启动子片 『91 0M0RULLEH S,ABRAHAM M,G0L0VKIN M,et a1.Activity of a chimeric promoter with the doubled CaMV 35S enhancer element 段,并且进行了测序分析,与已经公布的序列同源性较高, in protoplast-derived cells and transgenic plants of maize『J1.P1ant 达到99-3%。现已准备把序列递交到NCBI,为更好地研究 Mol Biol。1993。21:415-428. 群体之间淀粉分支酶启动子差异提供序列信息。 『101 LIU Q,wANG Z,CHEN X.Stable inheritance of the antisense Waxy geBe in transgenic rice with reduced amylose level and 试验结果表明,高直链淀粉玉米与普通玉米的启动子 improved quality[J].Transgenic Res。2003,12(1):71—82. 存在着差异,但是这种差异是否为造成玉米直链淀粉含量 [11]王颖,麦维军.高等植物启动子的研究进展『J1.西北植物学报, 2003.23(11):2040—2O48. 变化的原因还需进一步研究。将高直链淀粉玉米与普通玉 『121 MCELR0Y K,ZHANG WANGGEN,GA0 JUN.Isolation of an 米的启动子序列分别接上GFP等报告基因,分别转入常规 efficient actin prom oter for use in rice transtormation『J1.The 玉米,此两种启动子控制下的基因表达水平尚在研究[12-17]。 P1ant Cekk,1990。2:163—171. [13]皮灿辉,易自力,王志成.提高转基因植物外源基因表达效率的途 参考文献 径『JI_中国生物工程杂志,2003,23(1):1-4. [11宋同明.发展我国特用玉米产业的意37.[J1.玉米科学,1996(4):6-11. [14]袁正强,贾燕涛,吴家和,等.三个韧皮部特异性启动子在转基因烟 [2]NELSON O,PAN D.Starch synthesis in maize endosperms[J].Annu 草中表达的比较研究『J1l农业生物技术学报,2002,10(1):6—9. Rev Plant Physiol PMB,1995,46:475—496. 『151 YIN Y,CHEN L,BEACHY R.Prom oter elem ents requ ired for [31 PREISS J,BALL K,SMITH-EHITE B,et a1.Biology and molecular phloem specif ic gene dxpression from the RTBV prom oter in biology of starch synthesis and its regulation[J].Oxf Surv Plant Mol rice『J1.Plant,1997,12(5):1179—1188. Cell Biol,1994,7:59—144. 『161 HEHN A,R0HDE W.Characterization of cis-acting elements [4]谷明光,黄克虎.重视工业专用型高淀粉玉米品种的选育 .玉米科 affecting strength and phloemspecificity of the coconut folira 学,2002,10(1):24—25. decay virus promoter[J].Gen virol,1998,79(6):1495—1499. 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