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CN110628808A - 拟南芥AtTCP5基因及其在调控株高上的应用 - Google Patents

拟南芥AtTCP5基因及其在调控株高上的应用 Download PDF

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CN110628808A
CN110628808A CN201810570304.XA CN201810570304A CN110628808A CN 110628808 A CN110628808 A CN 110628808A CN 201810570304 A CN201810570304 A CN 201810570304A CN 110628808 A CN110628808 A CN 110628808A
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arabidopsis
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Abstract

本发明公开了拟南芥AtTCP5基因及其在调控植物株高上的应用。AtTCP5基因编码SEQ ID No.1所示氨基酸序列的蛋白质,其表达量和/或活性会影响植物细胞增殖,其中过表达AtTCP5的植株有株高明显变矮的表型,从而实现对植物株高的调控。本发明涉及的AtTCP5基因在植物株高调控中有广泛的应用价值,利用该基因进行分子育种有望培育出具有实际生产应用价值的抗倒伏植物。

Description

拟南芥AtTCP5基因及其在调控株高上的应用
技术领域
本发明属于植物基因工程技术领域,具体涉及一种降低株高的拟南芥基因AtTCP5及该基因的用途。
背景技术
植株高度是作物株型的一个重要衡量标准,适当降低作物的株高对于提高作物抗倒伏能力以及改变营养物质在营养生长与生殖生长过程中的分配都具有重要作用,最终会影响作物的产量。
拟南芥作为最经典的模式植物之一,其生殖周期短、后代多、生长条件简单、自花闭花授粉、全基因组已测序并有非常丰富准确的注释以及植株小等优势使其在基础科学研究中发挥着很大的作用。以拟南芥作为模式植物进行研究现在已经非常便捷,很多基因研究的成果都可以应用于作物的基因改造中。
传统育种方法通常采用自然突变株系与其他性状表现较好的品种进行杂交,在其后代中选择性状优良且稳定遗传的株系培育成新品种。采用杂交育种的方法已经育成了诸多优良品种。但是,传统的育种方法仍然有着巨大的缺陷,其中育种周期长、占地面积大、人力消耗多,以及由于基因连锁造成的性状连锁难以打破,制约着传统育种的发展。然而,近年来分子生物学和基因工程技术飞速发展,通过转基因技术可以将目的基因转入待改良的品种,从而更有针对性地高效地改变植物性状,这为提高粮食产量提供了新的思路。
TCP基因家族是一类植物特有的转录因子家族,这类转录因子参与植物生长发育的各个过程,是一类极为关键的植物发育调控元件。TCP转录因子得名于最早被发现的属于此类转录因子的几个基因:玉米中的TEOSINTE BRANCHED 1(TB1)、金鱼草中的CYCLOIDEA(CYC)和水稻中的PROLIFERATING CELL FACTORS 1和2(PCF1和PCF2)。研究显示,TCP转录因子家族在激素信号通路如生长素、细胞分裂素、茉莉酸和独脚金内酯等信号通路中发挥作用,主要调控细胞的分裂和膨大过程。
TCP基因家族主要分为两大类,第一类TCP和第二类TCP。第一类TCP主要在分生组织表达,负责调控细胞周期进而调控细胞分裂等过程,表明第一类TCP转录因子可能作为细胞分裂的激活因子促进植物的生长和增殖;第二类TCP基因可以进一步分为CIN类TCP转录因子和CYC/TB1类TCP转录因子。其中CIN类TCP转录因子的主要作用是抑制细胞增殖,在拟南芥中,CIN类TCP基因的多突变体表现出叶片边缘过度生长的卷曲表型;CYC/TB1类TCP转录因子被报道在调控花器官对称性以及抑制侧生分生组织活性的过程中起作用。
TCP转录因子家族中的TCP14和TCP15属于第一类TCP转录因子,在拟南芥中,TCP14和TCP15的双突变体表现出株高变矮、节间缩短的表型,说明在拟南芥中第一类TCP转录因子有促进植物株高变高的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调控株高的基因及其编码蛋白。我们发现,在拟南芥中过表达CIN类TCP家族的TCP5基因,植株的株高明显变矮。这个结果进一步说明:第一类TCP转录因子可能作为细胞分裂的激活因子促进植物的生长和增殖;而CIN类TCP转录因子的主要作用是抑制细胞增殖。
本发明提供如下技术方案:
一种调控植物株高的蛋白,来源于拟南芥(Arabidopsis thaliana),命名为AtTCP5,是下述氨基酸序列1)或2)所示的蛋白质:
1)序列表中的SEQ ID No:1;
2)序列表中的SEQ ID No:1氨基酸序列经过一至十个氨基酸残基的取代、缺失或添加,并且所衍生的蛋白质具有降低植物株高的功能。
序列表中的SEQ ID No:1由360个氨基酸残基组成,含有TCP结构域。对氨基酸残基进行取代、缺失或添加的方法均是本领域技术人员所熟知的,通常是利用基因工程的手段对其编码基因进行突变,然后再表达出相应的蛋白。所述取代、缺失或添加的一至十个氨基酸残基可以是非保守区域中的氨基酸残基,其改变不会对该蛋白的功能产生影响。通过在植物中表达所述蛋白,并观察所得植物品系的株高状况,可以判断发生这些变化后的蛋白是否还具有调控植物株高的功能。
本发明所提供的调控植物株高的蛋白AtTCP5的表达量和/或活性会影响植物细胞增殖,其中过表达AtTCP5的植株有株高明显变矮的表型,从而实现对植物株高的调控。
编码上述调控植物株高的蛋白是拟南芥AtTCP5基因,其序列可以是该基因的cDNA序列,也可以是其基因组DNA序列,或者是与这些序列具有90%以上同源性且编码相同功能蛋白的DNA序列。例如序列表中SEQ ID NO:2所示的基因组DNA序列和SEQ ID NO:3所示的cDNA序列。
包含上述核苷酸序列以及与该核苷酸序列操作性相连的表达调控序列的表达载体也在本发明的保护范围内。
本发明所提供的调控植物株高的蛋白或其编码基因的用途,包括但不限于下述几个方面:
1)控制植物株高;
2)创制抗倒伏能力提高的植物新品种;
3)改变营养物质在营养生长与生殖生长过程中的分配;
4)影响作物的产量。
本发明还提供了一种降低植物株高的方法,将所述拟南芥AtTCP5基因或其同源基因导入植物细胞、组织或器官,再将被转化的植物细胞、组织或器官培育成植株,得到株高降低的转基因植物。
所述拟南芥AtTCP5基因或其同源基因通常通过植物表达载体导入植物细胞、组织或器官中。所述植物表达载体包含所述拟南芥AtTCP5基因(或其同源基因)序列和与该基因序列操作性相连的表达调控序列。在较佳的实施方案中,所述表达调控序列包括组成型高表达的调控序列,例如CaMV35S启动子。
在上述降低植物株高的方法中,所述AtTCP5基因既可为所述基因的cDNA序列,也可为所述基因的基因组DNA序列,或者是与这些序列具有90%以上同源性且编码相同功能蛋白的DNA序列。与所述序列具有90%以上同源性且编码相同功能蛋白的DNA序列,是将所述基因的cDNA或基因组DNA序列用已知的方法进行分离和/或修饰和/或设计得到的。本领域的技术人员应该理解的是,基因序列中核苷酸同一性的微小改变在很多情况下都不会导致该基因效能的降低或者加强。基因序列变化的方法,以及测试这些发生变化的基因的有效性的方法均是本领域技术人员熟知的。
本发明AtTCP5基因或其同源序列可通过植物表达载体导入植物组织、细胞或器官。用于构建所述植物表达载体的出发载体可为任意一种可用于根瘤农杆菌或发根农杆菌转化植物的双元载体或可用于植物微弹轰击的载体等,如Gateway系列载体(如pB7FWG2等)、pBin系列载体(如pBin 19等)、pJim系列载体(如pJim 19等)、pCAMBIA系列载体(如pCAMBIA 1301等)、per8、pX6或其它衍生植物表达载体,所述出发载体还可为可在原核生物中复制的载体,如pENTR/D-TOPO载体、pUC系列载体或pBluescript系列载体等。
使用本发明AtTCP5基因或其同源序列构建植物表达载体时,在其转录起始核苷酸前可加上任何一种增强型、组成型或诱导型启动子。所述组成型表达启动子可为花椰菜花叶病毒(CAMV)35S启动子、玉米Ubiquitin启动子或水稻actin1启动子等;所述诱导型启动子可为受低温、干旱、ABA、乙烯、盐碱或化学等诱导的启动子。上述启动子可单独使用或与其它的植物启动子结合使用。此外,使用本发明的基因构建植物表达载体时,还可使用增强子,包括翻译增强子或转录增强子,这些增强子区域可以是ATG起始密码子或邻接区域起始密码子等,但必须与编码序列的阅读框相同,以保证整个序列的正确翻译。所述翻译控制信号和起始密码子的来源是广泛的,可以是天然的,也可以是合成的。翻译起始区域可以来自转录起始区域或结构基因。
为了便于对转基因植物细胞或植物进行鉴定及筛选,可对所用植物表达载体进行加工,如加入可在植物中表达的编码可产生颜色变化的酶或发光化合物的基因(GUS基因、GFP基因、萤光素酶基因等)、具有抗性的抗生素标记物(新霉素磷酸转移酶(NPTII)基因、潮霉素磷酸转移酶(Hygromycin phosphotransferase)基因、庆大霉素标记物或卡那霉素标记物等)或是抗化学试剂标记基因(如抗除莠剂基因)等。经上述方法进行筛选后还可采用Southern、PCR或点杂交等分子检测手段对转基因植株进行检测,以确定其是否转化有目的基因。
携带有本发明AtTCP5基因或其同源序列的植物表达载体可通过使用原生质体-化学介导法(Ca2+、PEG)、Ti质粒、Ri质粒、植物病毒载体、直接DNA转化、花粉管导入、微注射、电激、基因枪、农杆菌介导等常规生物学方法中的任何一种或几种方法的组合转化植物细胞、组织或器官,并将转化的植物细胞、组织或器官培育成植株;所述组织和器官可包括宿主植物的果荚、愈伤组织、茎尖、叶片和种子等。
本发明还提供了一种获得株高变矮的植物品系的方法,该方法包括:
1)将本发明所述的表达载体导入所述植物体内;
2)使所述表达载体在宿主细胞内表达,从而获得具有株高变矮性状的植物品系。
在一个较佳的实施方案中,所述植物品系来自拟南芥。
本发明将AtTCP5基因在拟南芥中过量表达,通过观察可以发现过表达的植株有株高明显变矮的表型。因此,本发明涉及的AtTCP5基因在植物株高调控中有广泛的应用价值,利用该基因进行分子育种有望培育出具有实际生产应用价值的抗倒伏植物。
附图说明
图1显示了野生型拟南芥(WT)以及TCP5过表达转基因植株中3号株系(TCP5OX-3)和9号株系(TCP5OX-9)中TCP5基因的表达水平。
图2显示了野生型拟南芥(WT)以及TCP5过表达转基因植株中3号株系(TCP5OX-3)和9号株系(TCP5OX-9)的表型。
具体实施方式
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法,具体步骤可参见:《Molecular Cloning:A Laboratory Manual》(Sambrook,J.,Russell,David W.,Molecular Cloning:A Laboratory Manual,3rd edition,2001,NY,Cold Spring Harbor)。
实施例1、基因的克隆
(一)AtTCP5基因基因组DNA序列的克隆:
AtTCP5基因的基因组DNA序列(SEQ ID No:2)、CDS序列(SEQ ID No:3)和氨基酸序列(SEQ ID No:1)从拟南芥基因组数据库中获得(http://www.arabidopsis.org/)。
根据AtTCP5基因的CDS序列设计基因特异的PCR引物:
F1:5’-CACCATGAGATCAGGAGAATGTGA-3’(SEQ ID NO:4);
R1:5’-TCAAGAATCTGATTCATTAT-3’(SEQ ID NO:5)。
用这对引物从拟南芥(Arabidopsis thaliana)Columbia生态型的基因组DNA中利用Pfu高保真酶扩增克隆得到AtTCP5基因的基因组序列(不含3’非翻译区和5’非翻译区)。PCR产物用TOPO反应连入pENTR-D-TOPO载体,筛选带有正向插入片段(基因的ATG靠近M13F测序引物)载体并测序,测序正确的质粒命名为TOPO-TCP5sc,用于构建AtTCP5基因的植物表达载体。
(二)AtTCP5基因植物表达载体的构建:
为了构建AtTCP5基因的植物表达载体,本发明将TOPO-TCP5sc载体通过LR反应连接到pK2GW7载体(购于根特大学)中,筛选阳性克隆并测序正确后,将其命名为35S-TCP5,将其作为终载体进行下一步的实验。
实施例2、组成型表达AtTCP5基因的转基因拟南芥的获得
(一)农杆菌转化:
将35S-TCP5载体用电激法转化农杆菌GV3101感受态细胞,涂布带有50毫克/升庆大霉素、50毫克/升利福平和50毫克/升壮观霉素的固体LB培养基,28℃黑暗培养2天后,用引物F1和R1筛选阳性克隆。将得到的阳性克隆接种到含有50毫克/升庆大霉素、50毫克/升利福平和50毫克/升壮观霉素的液体LB培养基中,28℃震荡培养24小时后,吸取0.5毫升菌液,保存菌种,用于拟南芥转化。
(二)拟南芥转化:
将1毫升菌菌种加入10毫升含有50毫克/升庆大霉素、50毫克/升利福平和50毫克/升壮观霉素的液体LB培养基中,28℃震荡培养24小时,菌液全部转移到300毫升含有50毫克/升庆大霉素、50毫克/升利福平和50毫克/升壮观霉素的液体LB培养基中,28℃震荡培养12小时。将得到的300毫升菌液离心,转速3000转每分钟,离心15分钟,弃去上清,菌体用100毫升侵染缓冲液重悬,侵染缓冲液配方如下(1升):蔗糖50克,MS粉2.2克,silwet200微升,加水至一升。
选取抽薹一至两周的生长状况良好的拟南芥植株,剪去角果及已开放的花,留下顶端分生组织及花苞,将处理好的拟南芥花序浸泡在重悬的100毫升菌液中,浸泡1-2分钟,将浸泡过的植株22摄氏度暗处理24小时,之后置于光下生长。
(三)筛选转化植株:
转化的拟南芥植株继续生长约一个月后,收集成熟的种子,将种子分装在1.5毫升离心管中,加入1毫升75%乙醇(含0.5%的triton x-100),震荡消毒15分钟,之后用无水乙醇清洗1次,后于超净台中吹干。将灭菌好的种子均匀放置在含有50毫克/升卡那霉素和100毫克/升的1/2MS固体培养基上,4摄氏度黑暗处理48小时,之后置于22摄氏度光照培养6-7天,筛选正常生长的阳性幼苗移栽到土中。待其生长至21天左右时,剪取约0.5平方厘米的真叶提取DNA,用载体上的引物以及基因上的引物进行PCR反应,筛选出阳性植株。
实施例3、AtTCP5基因的转基因拟南芥中AtTCP5基因表达水平的检测
剪取阳性转基因拟南芥成株的叶片,用TRIzol试剂(Invitrogen公司)提取植物总RNA,DNase I(Takara公司)处理消化DNA后,用Invitrogen公司的逆转录试剂盒进行逆转录,得到转基因植株的cDNA。根据AtTCP5基因的cDNA序列设计基因特异的实时定量PCR引物realF和realR,通过实时定量PCR检测AtTCP5基因在转基因植株的表达水平,内参基因选用拟南芥ACTIN8基因(引物使用realF2和realR2)。各引物序列如下:
realF:5'-TCTCAAGAACATTCGGTGGC-3'(SEQ ID NO:6)
realR:5'-CTACGTCATCTTTTGCTGCT-3'(SEQ ID NO:7)
realF2:5'-TCCAGGCATTGTCCACAGAA-3'(SEQ ID NO:8)
realR2:5'-ACCTGCTCCTCCTTAGACAT-3'(SEQ ID NO:9)
实时定量PCR检测ATCP5基因在野生型和转基因水稻植株中的相对表达情况如图1所示,相对野生型,过表达转基因植株的3号株系中TCP5的表达量上升了约170倍,9号株系中TCP5的表达量上升了约100倍。
实施例4、AtTCP5基因的转基因拟南芥表型观察
将野生型及TCP5过表达转基因阳性植株用75%乙醇除菌清洗后置于1/2MS培养基上生长,22℃正常光照培养6-7天,至子叶正常打开绿化,根长约0.5厘米时,移栽到营养土中,22℃正常光照生长约35天,观察植株整体表型与野生型相比的区别,观察发现,TCP5过表达植株株高相比野生型明显变矮小(图2)。
本发明通过转化拟南芥,获得TCP5基因的过表达转基因拟南芥,通过观察发现TCP5基因的过表达转基因拟南芥株高变矮。这对于用转基因的方法获得高产作物有重要意义。
SEQUENCE LISTING
<110> 北京大学
<120> 拟南芥AtTCP5基因及其在调控株高上的应用
<130> WX2018-03-083
<160> 9
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 360
<212> PRT
<213> Arabidopsis thaliana
<400> 1
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1 5 10 15
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20 25 30
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Ile Arg Leu Ser Val Pro Thr Ala Ile Gln Leu Tyr Asp Leu Gln Asp
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Arg Leu Gly Leu Ser Gln Pro Ser Lys Val Ile Asp Trp Leu Leu Glu
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Ala Ala Lys Asp Asp Val Asp Lys Leu Pro Pro Leu Gln Phe Pro His
115 120 125
Gly Phe Asn Gln Met Tyr Pro Asn Leu Ile Phe Gly Asn Ser Gly Phe
130 135 140
Gly Glu Ser Pro Ser Ser Thr Thr Ser Thr Thr Phe Pro Gly Thr Asn
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Leu Gly Phe Leu Glu Asn Trp Asp Leu Gly Gly Ser Ser Arg Thr Arg
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Asp Lys Gly Lys Trp Ile Lys Asn Asp Glu Asn Ser Asn Gln Asp His
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Gln Gly Phe Asn Thr Asn His Gln Gln Gln Phe Pro Leu Thr Asn Pro
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Tyr Asn Asn Thr Ser Ala Tyr Tyr Asn Leu Gly His Leu Gln Gln Ser
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Ala Asn Asn Asn Asn Asn Leu Asn Leu His Pro Pro Ser Ser Ser Ala
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Gly Asp Gly Ser Gln Leu Phe Phe Gly Pro Thr Pro Pro Ala Met Ser
275 280 285
Ser Leu Phe Pro Thr Tyr Pro Ser Phe Leu Gly Ala Ser His His His
290 295 300
His Val Val Asp Gly Ala Gly His Leu Gln Leu Phe Ser Ser Asn Ser
305 310 315 320
Asn Thr Ala Ser Gln Gln His Met Met Pro Gly Asn Thr Ser Leu Ile
325 330 335
Arg Pro Phe His His Leu Met Ser Ser Asn His Asp Thr Asp His His
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Ser Ser Asp Asn Glu Ser Asp Ser
355 360
<210> 2
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<213> Arabidopsis thaliana
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ttagaccaat ctggtaataa cgttactgtc gcaatatcta atgttgctgc taataataac 780
aataatctca atttgcatcc tccttcctcg tctgccggag atggatctca gctttttttc 840
ggtcctactc ctccggcaat gagctctcta ttcccgacat acccttcgtt tcttggagct 900
tctcatcatc atcatgtcgt cgatggagcc ggtcatcttc agctctttag ctcgaattca 960
aataccgcat cgcagcaaca catgatgccg ggtaatacga gtttgattag accatttcat 1020
catttgatga gctcgaatca tgatacggat catcatagta gcgataatga atcagattct 1080
tga 1083
<210> 4
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 4
caccatgaga tcaggagaat gtga 24
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<212> DNA
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tcaagaatct gattcattat 20
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<212> DNA
<213> 人工序列
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tctcaagaac attcggtggc 20
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ctacgtcatc ttttgctgct 20
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<400> 8
tccaggcatt gtccacagaa 20
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<211> 20
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 9
acctgctcct ccttagacat 20

Claims (9)

1.来源于拟南芥的AtTCP5蛋白或其编码基因在调控植物株高中的应用,所述AtTCP5蛋白是下述氨基酸序列1)或2)所示的蛋白质:
1)序列表中的SEQ ID No:1;
2)序列表中的SEQ ID No:1氨基酸序列经过一至十个氨基酸残基的取代、缺失或添加,并且所衍生的蛋白质具有降低植物株高的功能。
2.如权利要求1所述的应用,其特征在于,AtTCP5蛋白的编码基因是拟南芥AtTCP5基因的cDNA序列或基因组DNA序列,或者是与这些序列具有90%以上同源性且编码相同功能蛋白的DNA序列。
3.如权利要求2所述的应用,其特征在于,所述拟南芥AtTCP5基因的核苷酸序列如序列表中SEQ ID NO:2或SEQ ID NO:3所示。
4.如权利要求1~3任一所述的应用,其特征在于,将所述拟南芥AtTCP5基因导入植物细胞、组织或器官,再将被转化的植物细胞、组织或器官培育成植株,得到株高降低的转基因植物。
5.如权利要求4所述的应用,其特征在于,所述拟南芥AtTCP5基因通过植物表达载体导入植物细胞、组织或器官。
6.如权利要求5所述的应用,其特征在于,所述植物表达载体包含所述拟南芥AtTCP5基因的序列和与该基因序列操作性相连的表达调控序列。
7.如权利要求6所述的应用,其特征在于,所述表达调控序列是驱动该基因组成型高表达的调控序列。
8.如权利要求7所述的应用,其特征在于,所述植物表达载体中,用CaMV35S启动子驱动所述拟南芥AtTCP5基因的表达。
9.如权利要求1所述的应用,其特征在于,所述植物为拟南芥。
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