馬尾松α—蒎烯合成酶基因cDNA全長克隆及序列分析

呂全等

摘要 [目的]分離克隆馬尾松α蒎烯合成酶基因cDNA全長。[方法]根據其他松科植物α蒎烯合成酶基因保守區域設計引物，擴增出基因的部分片段，再結合RACE技術分別擴增出基因3端和5端序列，通過序列拼接獲得cDNA全長，結合生物信息學軟件分析該基因編碼蛋白的特性。[結果]馬尾松α蒎烯合成酶基因cDNA全長為2 103 bp，編碼區1 980 bp，編碼629個氨基酸，含有1個N端結構域、1個金屬結合結構域和1個天冬氨酸富集基序（DDMYD）。[結論]該方法成功克隆了馬尾松α蒎烯合成酶基因cDNA全長序列，具有單萜烯合成酶基因的典型特征，序列提交至GenBank，獲得登錄號KF547035。

關鍵詞 馬尾松（Pinus massoniana）；蒎烯合成酶基因；RACE

中圖分類號 S791.248 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-03808-04

Abstract [Objective] To clone the fulllength of αpinene synthase gene from Pinus massoniana. [Method] According to high conservative amino acids of reported αpinene synthase gene from pinaceaes， a pair of degenerate primers was designed and partial fragment was obtained by PCR amplification. Based on this known sequence， some new primers were designed， two terminals gene sequence were cloned by 3 RACE and 5 RACE respectively. After splicing the fragments of sequence， analyzed the structures and function of the coded protein by bioinformatics softwares. [Result] The fulllength cDNA of αpinene synthase gene consists of 2 103 bp， contains a 1 890 bp open reading frame（ORF） encoding 629 amino acid proteins， including Nterminal transit peptide， metalbinging domain and DDXXD motif. [Conclusion] The fulllength cDNA of αpinene synthase gene was cloned， which has the typical characteristics of monoterpene synthase gene. The sequence has been submitted to GeneBank， accessin No. KF547035.

Key words Pinus massoniana； Pinene Synthase Gene； RACE

馬尾松（Pinus massoniana）是我國特有的一種綜合利用價值較高的經濟樹種，分布廣泛，種植面積居全國針葉林首位，然而馬尾松也是發生病蟲害較多的樹種，如松材線蟲、馬尾松毛蟲、松梢螟及赤枯病等[1]。近20～30年來，以松材線蟲病最為嚴重，該病致死速度快、傳播蔓延迅速，導致馬尾松大面積死亡，森林生態遭到嚴重破壞，同時也帶來巨大的經濟損失。

萜烯類化合物是針葉樹主要的代謝產物，在受到外來植食性昆蟲及致病菌的危害后，分泌并釋放揮發性的單萜烯是其最重要的防御措施之一[2-3]。馬尾松合成并揮發的單萜烯類物質主要由蒎烯組成，其中α蒎烯占較大比例，而β蒎烯相對較少[4-5]。當馬尾松受到松材線蟲[6]、松墨天牛[7]、馬尾松毛蟲[8]的危害，以及機械損傷[9]時，α蒎烯含量表現出明顯的上升趨勢。由此可見，α蒎烯是馬尾松在次生代謝水平上的重要的防御物質。在分子水平上，α蒎烯受α蒎烯合成酶（αPinene Synthase，apin）基因調控。如北美云杉（Sitka Spruce）在受到象鼻蟲取食后，α蒎烯合成酶基因在轉錄水平上明顯升高，木質部樹脂道中α蒎烯的含量也明顯增加[10]。已有大量的研究表明[11-13]，蒎烯合成酶基因是松科植物重要的與防御相關的單萜烯合成酶基因。馬尾松蒎烯合成酶基因尚未被克隆，馬尾松與病蟲害互作過程中防御基因表達模式研究也為空白。筆者利用同源克隆結合RACE的方法克隆馬尾松α蒎烯合成酶基因cDNA全長，并分析該基因的特性，以期為馬尾松響應病蟲害的分子防御機制研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料 供試材料為3年生馬尾松，購買于浙江省淳安縣國有林場，在現代化溫室中培養。

1.2 方法

1.2.1 馬尾松總RNA提取及cDNA第1鏈合成。切取健康馬尾松的韌皮部組織，放入液氮中研磨。使用RNAplant Plus植物總RNA提取試劑盒（TIANGEN）提取馬尾松總RNA，按說明書步驟進行。提取的總RNA經1.5%瓊脂糖凝膠電泳驗證其完整性，應保證RNA 3端和5端無降解。以馬尾松總RNA為模板，在MMLV酶的催化下，加入Oligo（dT）引物進行逆轉錄，獲得cDNA第1鏈。

1.2.2 引物序列。根據其他松科植物α蒎烯合成酶基因保守區域設計一對引物MidF和MidR，利用該引物對馬尾松cDNA模板進行PCR擴增，擴增出α蒎烯合成酶基因的部分片段，經測序正確后，再根據這段已知序列設計3 RACE和5 RACE所需引物，所有引物序列見表1。

1.2.3 3 RACE。以馬尾松總RNA為模板，在MMLV酶的催化下，加入接頭引物3GSP進行逆轉錄，獲得cDNA第1鏈。用引物3F和3R1對逆轉錄產物進行第1輪 PCR擴增，由于基因自身豐度較低，電泳檢測并未出現條帶，因此用引物3F和內部引物3R2進行第2輪 PCR擴增。擴增產物經1%的瓊脂糖凝膠電泳分離，回收目的條帶克隆至pMD18T載體并轉化至大腸桿菌感受態細胞，菌液培養后涂布于含有抗生素的LB固體培養基中，挑取單菌落擴大培養，而后提取質粒，將含有插入片段的轉化子送交測序。

3 結論與討論

萜烯類合成酶（terpene synthase，TPS）是萜烯類物質合成過程中的關鍵酶，按形成產物的不同，可分為單萜烯合成酶、倍半萜烯合成酶和二萜烯合成酶等，它們都是以異戊烯基二磷酸（IPP）為前體底物合成相應的單萜、倍半萜和二萜[14-16]。目前，在針葉樹中已報道了70多種TPS，主要集中在松科（Pinaceae），其中以大冷杉（Abies grandis）居多，挪威云杉（Picea abies）次之，而松屬（Pinus）較少。

蒎烯合成酶是松科植物重要的與防御相關的單萜烯合成酶[15-17]。試驗通過RACE的方法克隆得到馬尾松α蒎烯合成酶基因，該基因cDNA全長序列共1 890 bp，編碼629個氨基酸。編碼蛋白的預測分子量為71.94 kD。裸子植物萜烯類合成酶的催化反應都需要一價的金屬陽離子（如K+）激活；并且需要2價金屬陽離子協助，如Mn2+，Fe2+，Mg2+等[15，17-18]。此外，幾乎所有的萜烯類合成酶都含有1個天冬氨酸富集基序（DDxxD），這個基序被認為起到結合金屬離子的作用，其定位在活性位點的入口處，在引導底物催化時發揮重要的作用[19]。馬尾松α蒎烯合成酶基因編碼蛋白在305～573位有1個金屬結合結構域，在380～384位有1個天冬氨酸富集基序（DDMYD），這些都符合萜烯合成酶基因的典型特征。遺傳分析表明，松科植物α蒎烯合成酶基因親緣關系較近，馬尾松（Pinus massoniana）與 火炬松（Pinus teada）、油松（Pinus tabuliformis）等種間相比，基因同源性達到97%。α蒎烯是馬尾松重要的防御物質，樹體內α蒎烯的含量變化與病蟲害等生物脅迫存在顯著的相關性，因此α蒎烯合成酶基因的克隆，有助于從分子水平上揭示馬尾松的防御機制，為進一步研究馬尾松與有害生物之間的互作打下基礎。

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