玉米ZmSUT4基因RNAi植物表達載體的構建

弓雪　姜敏　齊欣

摘要：蔗糖轉運蛋白（sucrose transporters，SUCs或SUTs）是蔗糖裝載、卸載、分配的重要載體，ZmSUT4是玉米低親和、高轉運能力SUT4亞族的唯一成員。以黃早四ZmSUT4全長cDNA序列為模板，設計帶有限制性內切酶位點的特異性引物，PCR擴增獲得正向、反向2個片段，將反向、正向片段雙酶切后依次插入pGreen-HY104植物表達載體中，從而構建由35S啟動子調控的ZmSUT4基因RNA干擾（RNAi）的植物表達載體HY104-A-S，然后通過凍融法將載體質粒轉入含有pSoup質粒的農桿菌EHA105中。ZmSUT4基因RNAi的植物表達載體的構建為研究ZmSUT4基因的功能奠定了基礎。

關鍵詞：玉米；ZmSUT4基因；RNAi植物表達；載體構建

中圖分類號：S513.03；Q782 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0042-03

玉米的籽粒產量主要取決于籽粒形成過程中成熟葉片（源）光合產物的生產、韌皮部的運輸（流）以及在籽粒（庫）中的積累。光合產物的分配運輸是植物體內源、流、庫相互協調的結果，源足、庫大、流暢是高產的基礎[1-2]。目前對源、庫的特性研究較多，但是由于受研究方法和條件等限制，如對DNA序列了解的限制，對流的了解還相當不足。研究發現，隨著種植密度增加，收獲指數快速下降，表明在較高密度條件下，流對產量的限制作用在增加[3]。流包括韌皮部的裝載、篩管中運輸、韌皮部卸出和同化物的重新吸收。蔗糖作為高等植物光合同化物運輸的主要形式，也是聯系源庫之間主要的糖類[4]。細胞膜上的蔗糖轉運蛋白（sucrose transporters，SUCs或SUTs）承擔著蔗糖從源細胞的外運、韌皮部的裝載和卸載，以及向庫細胞的裝入功能，從而影響蔗糖的運輸方向、速率和分配，其基因表達受多種環境因子的調控。ZmSUT4是玉米體內唯一的高蔗糖轉運能力SUT4亞族成員，在植物體內的蔗糖運輸和分配過程中發揮著不可替代的重要作用。但是，關于玉米SUT4的研究才剛剛起步，李志鵬僅利用逆轉錄PCR（RT-PCR）技術檢測ZmSUT4在玉米籽粒灌漿期花柄、籽粒等庫器官的表達情況，未構建RNA干擾載體，分析ZmSUT4表達被抑制對植株生長發育及相關基因表達的影響[5]。本研究利用ZmSUT4基因的全長cDNA序列，構建ZmSUT4基因RNA干擾載體，為進一步研究ZmSUT4基因的生理效應及作用機制奠定基礎，也為研究其他SUTs基因的功能提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所用玉米材料為玉米優良自交系黃早四。

KAPA Hifi高保真DNA聚合酶，購自美國KAPA Biosystems公司；T4-DNA連接酶、限制性內切酶，購自NEB公司；植物總RNA提取試劑盒、Quantscript RT Kit（cDNA第1鏈合成試劑盒）、質粒小提試劑盒以及瓊脂糖凝膠回收試劑盒，購自北京TIANGEN公司；pEASY-T、大腸桿菌DH5α，購自北京全式金生物技術有限公司；DNA marker DL2000，購自TaKaRa公司。引物合成和測序由上海立菲生物技術有限公司完成。Taq酶、卡那霉素（Kan）、利福平（Rif）等試劑，購自生工生物工程（上海）股份有限公司。植物表達載體pGreen-HY104質粒及含有pSoup質粒的農桿菌EHA105，均由國家玉米改良中心徐明良實驗室提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米ZmSUT4基因cDNA序列的獲得 利用植物總RNA提取試劑盒提取黃早四幼苗總RNA，利用反轉錄試劑盒獲得黃早四全長cDNA序列。

1.2.2 干擾片段的選擇及引物設計 根據NCBI（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）上已發表的玉米ZmSUT4基因的全長cDNA序列，選擇該序列上的特異片段及表達載體pGreen-HY104的限制性內切酶酶切位點，并設計引物。分別在5′端加上PstⅠ-EcoRⅠ、BamHⅠ-XhoⅠ酶切位點，引物序列為：F：5′-GCTGCAGAATTCGTCTGGAAACTCTTTGTGGGT-3′；R：5′-CGGATCCTCGAGCTCCTGTAACTTTTATTCATTGCT-3′。預期擴增片段長度為219 bp。

1.2.3 干擾片段的擴增 以全長cDNA序列為模板進行PCR擴增。反應條件為：熱啟動；94 ℃ 5 min；94 ℃ 30 s，60 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，共30個循環；72 ℃ 10 min。PCR產物經1%瓊脂糖凝膠電泳檢測后，無非特異性條帶，則直接進行后續試驗。

1.2.4 RNA干擾（RNAi）植物表達載體的構建 將PCR產物連接到T載體，獲得T-ZmSUT4，將T-ZmSUT4轉化大腸桿菌DH5α，于37 ℃暗培養12～16 h，進行藍白斑篩選；挑取白色單菌落，進行PCR檢測，將含有目標克隆的單菌落于 37 ℃ 搖菌過夜，送公司測序。提取包含正確序列T載體的質粒，用XhoⅠ、EcoRⅠ雙酶切表達載體pGreen-HY104、T-ZmSUT4質粒，回收酶切產物；用T4-DNA連接酶過夜連接，將干擾片段反向插入表達載體中，得到HY104-A，用其轉化大腸桿菌，Kan抗性篩選目標克隆，提取質粒驗證；用BamHⅠ、PstⅠ酶切載體HY104-A、T-ZmSUT4，回收酶切產物，過夜連接得到HY104-A-S（圖1），轉化大腸桿菌，Kan抗性篩選目標克隆，提取質粒，用EcoRⅠ進行驗證。

1.2.5 RNAi植物表達載體轉化農桿菌EHA105 采用凍融

法[6]將構建好的RNAi植物表達載體HY104-A-S轉化含有pSoup質粒的農桿菌EHA105感受態細胞，涂于含有Rif（50 μg/mL）、Kan（100 μg/mL）的LB固體培養基上，28 ℃暗培養2 d。挑取陽性菌落，進行菌落PCR鑒定。

2 結果與分析

2.1 干擾片段的PCR擴增

以玉米ZmSUT4基因的cDNA序列為模板，利用攜帶酶切位點的特異引物進行PCR擴增，電泳檢測擴增產物。由圖2可知，本試驗得到219 bp的片段。將該片段與T載體連接后轉化大腸桿菌DH5α，菌落經PCR鑒定后，將陽性克隆送公司測序，測序結果與黃早四cDNA序列完全一致（圖3）。

2.2 RNAi表達載體的構建

提取T-ZmSUT4、pGreen-HY104載體的質粒，用 XhoⅠ、EcoRⅠ對2種質粒進行雙酶切，結果見圖4，膠回收連接后轉化到大腸桿菌DH5α中，Kan抗性篩選目標克隆，對菌落進行PCR鑒定。提取正確克隆的質粒HY104-A，利用BamHⅠ、PstⅠ酶切載體HY104-A、T-ZmSUT4，結果見圖5。回收酶切產物，連接后得到HY104-A-S，轉化大腸桿菌，Kan抗性篩選目標克隆，提取質粒驗證，利用EcoRⅠ酶切該質粒，預測應得到約1 000 bp的小片段。圖6電泳結果與預期一致，表明植物表達載體HY104-A-S構建正確。

2.3 表達載體轉化根瘤農桿菌

分別以陽性對照質粒HY104-A-S和含有表達載體的農桿菌菌落為模板，利用特異性引物進行PCR擴增。經1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定表明：含有表達載體的農桿菌菌液所得條帶正確（圖7），表明HY104-A-S載體質粒已轉入含pSoup質粒農桿菌EHA105中。

3 討論

RNA干擾（RNA interference，RNAi）是指內源或外源的雙鏈RNA（double-stranded RNA，dsRNA）高效特異性降解與

其高度同源的mRNA，有效地阻斷目的基因的表達，從而獲得功能缺失的突變體，因此該技術可作為研究基因組功能、創造分子育種新材料的有效手段。目前，RNA干擾技術已在玉米、水稻、大麥、小麥、大豆和馬鈴薯等作物中成功應用[7-13]。Wesley等研究發現，雙鏈RNA的長度影響目的基因的沉默效率，干擾片段長度在98～853 bp之間時基因沉默效率較高[14-15]。此外，在插入的正向與反向干擾片段之間應有適當長度的間隔序列，以便RNAi表達載體在轉入玉米后形成含有發夾結構的dsRNA，進而干擾ZmSUT4基因的表達。

Chincinska等利用RNA干擾技術研究發現，與野生型植株相比，馬鈴薯StSUT4-RNAi植株源葉中蔗糖輸出增加，促使蔗糖、淀粉在塊莖等庫器官大量積累，進而引起塊莖產量增加[16-17]。本研究成功構建了玉米ZmSUT4基因的RNAi植物表達載體，不但為探究ZmSUT4基因表達在源庫互作中的功能奠定了基礎，還為進一步研究蔗糖運輸、分配的調節機制提供理論依據，也為利用轉基因技術調節蔗糖的運輸、分配，從而提高玉米籽粒產量提供參考。

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