NtMYC1a轉錄因子的克隆與功能初步分析

郭紅祥,李富欣,劉巧真,李素敏,郭愛芳,李 斐,丁 超

(1.河南農業大學 生命科學學院,河南 鄭州 450002;2.河南省煙草公司 濟源市公司,河南 濟源 454650;3.河南省農業科學院 煙草研究中心,河南 許昌 461000;4.河南省獲嘉縣種子公司,河南 獲嘉 453822)

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NtMYC1a轉錄因子的克隆與功能初步分析

郭紅祥1,李富欣2*,劉巧真3**,李素敏1,郭愛芳4,李 斐1,丁 超1

(1.河南農業大學 生命科學學院,河南 鄭州 450002;2.河南省煙草公司 濟源市公司,河南 濟源 454650;3.河南省農業科學院 煙草研究中心,河南 許昌 461000;4.河南省獲嘉縣種子公司,河南 獲嘉 453822)

從煙草根系中克隆NtMYC1a基因,構建表達載體并在煙草中瞬時表達,探討了NtMYC1a轉錄因子在煙堿生物合成中的作用。轉基因煙草中的NtMYC1a表達顯著升高,表明成功構建了NtMYC1a表達載體并轉化了煙草;轉基因煙草中的PMT表達量顯著升高,表明NtMYC1a能夠正調控煙堿的合成;茉莉酸與干旱處理煙草后,檢測到NtMYC1a和PMT的表達量顯著升高,表明在茉莉酸、干旱促進煙堿合成的生物學過程中,NtMYC1a具有正調控的功能。

轉錄因子；NtMYC1a;煙堿;茉莉酸;干旱

MYC類轉錄因子是bHLH轉錄因子超家族中的一員[1],編碼植物中髓細胞組織增生蛋白(Myelocytomatosis proteins, MYCs)。MYC的識別序列多為G-box CACGTG[2]。MYC轉錄因子具有多種調節功能,參與許多生理與發育過程,如光信號、開花結實、根的發育,以及蟲咬、干旱、低溫等各種脅迫應答。茉莉酸(jasmonic acid,簡稱JA；茉莉酸甲酯,簡稱MeJA_)在植物體內調控眾多的基因,其中調控煙堿合成的路徑已基本被研究清楚,MYC是茉莉酸類激素響應途徑中的核心轉錄因子,已有文獻報道MYC2參與JA調控活化的煙草生物堿合成[3-4]。

MYC家族與煙堿的合成密切相關。2004年Bingfang X等已證實煙堿合成關鍵酶PMT啟動子的G-box元件對其表達極其重要[5]。2010年Andrea T等報道bHLH家族轉錄因子NbbHLH1 和NbbHLH2能與PMT的啟動子元件G-box相結合激活啟動子,正向調控煙堿的合成。敲除基因后,N.benthamiana的煙堿合成基因下調,葉片煙堿含量降低[6]。另外,Shoji T等2011年的EMSA實驗顯示NtMYC2b能與PMT的G-box互作。實驗已經證明NtMYC2基因參與了打頂、傷害誘導、茉莉酸對煙堿合成的調控過程[7]。MYC1a和MYC2a/2b同屬MYC轉錄因子家族,那么MYC1a是否參與對煙堿合成的調控呢？因此,本文從煙草中克隆MYC1a基因,構建過表達載體,探討了NtMYC1a轉錄因子在煙堿生物合成中的作用,旨在為闡明煙草中煙堿生物合成的調控機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

從大田取栽培煙草品種K326的根系,經液氮冷凍處理后,在-80 ℃下保存。取3月齡、長勢一致的煙苗，用100 μmol/L MeJA進行處理,在處理24 h后取樣,用液氮冷凍,-80 ℃保存。取3月齡、長勢一致的煙苗，經干旱處理20 d后取樣,用液氮冷凍,-80 ℃保存。

1.2 煙草根系RNA提取及cDNA合成

用TRIzol法從煙草根中獲得總RNA,用One Step PrimeScript RT-PCR Kit (TaKaRa公司) 反轉錄生成cDNA。

1.3 克隆煙草的NtMYC1a基因

根據MYC1a(GenBank登錄號GQ859158)設計引物,從煙草K326的cDNA中克隆到完整的CDS序列。F:TCTAGAAAGCTTCTGCAGGGGCCCGGGATGACTGATTACAGCTTACCCAC;R:TCGCCCTTGCTCACCATGGTACCTTAGCGTGTTTCAGCAACTCT(下劃線處分別為SmaⅠ和KpnⅠ酶切位點)。

1.4 構建表達載體pS1300-NtMYC1a

將NtMYC1a PCR產物切膠回收。利用SmaⅠ、KpnⅠ內切酶對PS1300載體進行雙酶切,之后切膠回收線性載體。利用無縫克隆試劑盒進行連接。

1.5 煙草過表達載體的瞬時表達及檢測

選取8～10葉期、生長良好的煙株,將農桿菌GV3101菌株(pS1300- NtMYC1a)注射入煙草；3～4 d后取樣,取樣時剪取注射部位,用液氮速凍后置于-80 ℃冰箱保存。煙草總RNA的提取采用TRIzon法。以總RNA的反轉錄產物cDNA為模板,利用煙草的Actin(GenBank: AF126810)作為內參基因,進行實時熒光定量RT-PCR檢測，所用各引物序列見表1。

表1 RT-PCR檢測所用引物名稱及其序列

qPCR檢測分析使用SYBR_Premix Ex TaqTMII (TaKaRa)試劑盒進行。反應體系如下:2 μL cDNA,0.5 μL正、反引物,12.5 μL 2×SYBR_Premix Ex TaqTMII和9.5 μL水。按照以下程序進行:95 ℃ 30 s；95 ℃ 5 s,57 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,共40個循環。每個樣品重復測定3次。

2 結果與分析

2.1NtMYC1a基因的克隆與過表達載體的構建

以煙草的cDNA為模板克隆NtMYC1a基因,得到2046 bp的條帶(圖1),測序分析表明與NtMYC1a基因序列一致。回收PCR產物連接ps1300載體,轉化大腸桿菌DH5α,篩選陽性克隆。圖2為雙酶切分析結果,目的條帶分別與ps1300載體的大小和NtMYC1a的大小一致。

圖1 PCR擴增NtMYC1a結果

圖2 ps300-NtMYC1a雙酶切鑒定結果

2.2NtMYC1a的瞬時表達分析

從圖3可以看出：與對照葉片相比,轉化過表達載體ps300-NtMYC1a葉片中的NtMYC1a表達量上升顯著,增加了2.9倍,表明轉基因能夠增加NtMYC1a的表達；過表達載體ps300-NtMYC1a與對照ps300ck瞬時表達葉片相比,PMT表達量上升顯著,增加了4.6倍,表明NtMYC1a對煙堿合成有正調控作用。

2.3 茉莉酸對煙堿合成相關基因表達的影響

茉莉酸是調控煙堿合成的一種重要植物激素。PMT是煙堿合成過程中的重要限速酶。從圖4中可以看出,茉莉酸處理煙草后,PMT的表達量升高近5倍,表明煙堿合成能力顯著增加。同時也檢測到NtMYC1a、NtMYC1b、NtMYC2a、NtMYC2b基因的表達量有不同幅度的升高,其中以NtMYC1a基因的表達量升高幅度最小,說明NtMYC1a在茉莉酸調控煙堿合成中的作用相對較小。

圖3 MYC1a和PMT在轉基因煙草中的表達分析

圖4 茉莉酸對煙堿合成相關基因表達的影響

2.4 干旱對煙堿合成相關基因表達的影響

干旱是調控煙堿合成的一種非生物脅迫因素。從圖5中可以看出,干旱脅迫能使PMT的表達量升高2.3倍,同時NtMYC1a、NtMYC1b、NtMYC2a、NtMYC2b基因的表達量分別升高4.9、3.1、1.2、1.3倍,表明NtMYC1a在干旱調控煙堿合成中起重要作用。

圖5 干旱對煙堿合成相關基因表達的影響

3 討論

煙堿的合成受到眾多因素的影響且調控機制極其復雜,生物脅迫與非生物脅迫都影響煙堿的合成。如打頂、抹杈、蟲咬會導致煙堿含量增加[6-8],干旱、低溫等不利環境因素也會影響到煙堿的合成。另外,植物激素也是煙堿合成的重要調控因素,如茉莉酸、脫落酸、生長素等。在煙草的栽培中,為了提高煙葉質量,往往對煙株進行打頂,去除煙草的頂端生長優勢。打頂會引起煙株發生一系列的生理變化,例如根系的二次生長、植物激素源改變、煙堿含量迅速增加等[9-11]。煙株打頂是一種傷害誘導，能引起JA含量的升高,JA能促進根系合成煙堿,MYC2轉錄因子家族參與這一煙堿合成的調控過程[12-14]。本文結果顯示茉莉酸能夠大幅度促進MYC2a/2b轉錄因子的表達,而MYC1a的表達量變化較小,說明打頂主要通過MYC2a/2b轉錄因子調控煙堿的合成。

干旱也是影響煙堿合成的一個非生物脅迫因素。本文結果顯示干旱能夠提高MYC1a/1b和MYC2a/2b轉錄因子的表達,但MYC1a/1b的表達增加幅度明顯大于MYC2a/2b的,說明干旱主要通過MYC1a/1b轉錄因子調控煙堿的合成。

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(責任編輯:黃榮華)

Cloning and Function Analysis of Transcription Factor NtMYC1a from Tobacco

GUO Hong-xiang1, LI Fu-xin2*, LIU Qiao-zhen3**, LI Su-min1, GUO Ai-fang4, LI Fei1, DING Chao1

(1. College of Life Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Jiyuan Tobacco Company of Henan Province, Jiyuan 454650, China; 3. Tobacco Research Center, Henan Academy of Agricultural Sciences, Xuchang 461000, China; 4. Seed Company of Huojia County in Henan Province, Huojia 453822, China)

The geneNtMYC1ain the roots of tobacco was cloned, its expression vector was constructed and transiently expressed in tobacco, and the role of transcription factor NtMYC1a in the biosynthesis of nicotine was investigated. The expression level ofNtMYC1ain transgenic tobacco plants was notably increased, suggesting that the constructed expression vector with NtMYC1a had been successfully transformed into tobacco plants. The expression level ofPMTin transgenic tobacco plants was remarkably enhanced, indicating that NtMYC1a could positively regulate the biosynthesis of nicotine. After tobacco plants were treated with jasmonic acid or drought, the expression levels of bothNtMYC1aandPMTin them were significantly increased, showing that NtMYC1a played a positive regulatory role in nicotine biosynthesis promoted by jasmonic acid or drought.

Transcription factor; NtMYC1a; Nicotine; Jasmonic acid; Drought

2016-01-30

河南省煙草公司科技重點項目(HYKJ201308)。

郭紅祥(1974─),男,河南獲嘉人,教授,博士,主要從事煙草生理生化研究工作。*并列第一作者:李富欣(1970─),男,河南宜陽人,高級農藝師,博士,主要從事煙葉生產工作。**通訊作者:劉巧真。

Q785

A

1001-8581(2016)12-0080-03