以哈克尼西棉细胞质陆地棉雄性不育系及其保持系、恢复系为材料, 克隆并测序线粒体功能基因的侧翼序列。通过生物信息学分析, 在
The cytoplasmic male sterile (CMS) line with the cytoplasm of
线粒体编码的蛋白质主要是氧化呼吸链的结构蛋白和生物合成蛋白, 在能量代谢中起关键作用[1,2]。植物线粒体影响一些重要的农艺性状, 还参与细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)形成与遗传。植物细胞质雄性不育在高等植物中普遍存在, 早前在43个科162个属320种植物中发现617例天然或种属间杂交来源的雄性不育[2,3]。CMS与线粒体DNA的重组重排和一些基因的特异性表达有关[4]。相关研究在杂种优势利用和核质互作分析方面具有重要的意义。
植物的线粒体基因组非常复杂[5,6], 包括内含子的顺式和反式剪切[7], 重复序列的重组重排[8], 外源序列的迁入[9], 亚分子计量序列的变异[10], RNA加工[11], RNA编辑, 转录后调控[12,13,14], 细胞核基因的调控等[15,16,17,18]。这些伴随进化而不断发生的变异, 是引起细胞质雄性不育的重要原因[6]。
迄今, 已在许多植物中相继发现CMS基因并阐释其败育机制, 例如玉米的CMS-T ( urf13/ atp4)[19], CMS-S ( orf355+ orf77/ atp9)[20], 芸薹属CMS-nap ( orf222/ nad5c/ orf139)[21], CMS-pol ( orf224/ atp6)[22], CMS-ogrua ( orf138/ atp8)[23], CMS-junce a ( orf108/ atpA)[24], 小麦CMS-T ( orf256/ cox1)[25], 向日葵CMS-pet1 ( orf522/ atpA)[26], 水稻CMS-BT ( orf79/ atp6)[27], CMS-HL ( orfH79/ atp6)[28], 萝卜CMS-kos ( orf125/ atp8)[29], 以及矮牵牛CMS-S ( pcf/ nad3/ rps12)[30]。这些orf具有胞质和种属特异性, 多由线粒体保守序列与未知序列组成[31]; 与功能基因共转录, 影响线粒体中ATP合成途径, 造成能量供给不足, 致使花器官不能正常行使功能, 导致败育。
棉花是重要的天然纤维作物, 同时也是重要的油料作物, 其主要栽培种陆地棉( Gossypium hirsutumL.)具有显著的杂种优势[32]。棉花细胞质雄性不育研究始于20世纪60年代, 通过远缘杂交和回交获得以陆地棉核为背景的分别具有亚洲棉( G. arboreumL.)、异常棉( G. anomalumWawr. & Peyr)和哈克尼西棉( G. harknessiiBrand.)细胞质的胞质雄性不育系, 其中哈克尼西棉细胞质不育系的不育性遗传稳定。1988年我国实现了哈克尼西棉胞质CMS三系配套, 稍后的陆地棉三系、海岛棉三系配套研究, 为陆地棉三系育种提供了丰富的基础材料; 棉花三系广泛应用于生产实践中, 但是棉花的细胞质雄性不育、育性恢复以及杂种优势等的分子遗传机理仍不清楚[33,34]。现有研究主要集中于线粒体基因组结构、转录和翻译产物等方面的差异, 然而结果不尽相同。采用RAPD技术分析棉花CMS三系线粒体基因组和叶绿体基因组的差异发现, CMS主要与线粒体异常有关。以哈克尼西棉CMS系和保持系的花药和黄化苗为材料, 分别对线粒体蛋白质进行SDS-PAGE、RAPD和RFLP分析比较, 不育系与保持系线粒体相比, 发现缺少一个大小为1.9 kb与 cox2基因具有同源序列的片段, 表达产物缺少约31 kD的多肽[35]。通过RFLP分子标记技术, 发现 cox2探针在陆地棉不育系CMS-D2-2比保持系多出1条片段[36]。以哈克尼西棉CMS系和保持系为材料, 得到扩增片段大小存在差异的 atpA基因及其侧翼序列; RACE方法获得 atpA基因cDNA全长测序后发现, 不育系为1582 bp, 保持性为1566 bp, 两者预测的编码蛋白质不同, 认为这可能是导致CMS的原因[37,38]。
本研究通过比较基因组方法, 克隆一个位于 atp4下游的差异orf160, 构建表达载体, 进行转基因验证, 通过转化酵母, 发现 orf160影响酵母正常生长; 在拟南芥和烟草中, orf160的表达可能影响转基因后代花粉的形成, 导致后代结实率和种子活力下降, 可能在导致不育方面发挥一定的作用。
陆地棉不育系2074A遗传稳定, 是哈克尼西棉细胞质CMS-D2-2不育系, 由原始不育系DES-HAMS 277经过多代回交选育而来, 系谱为({[(DES-HAMS 277×E369)×中7] BC13F1×鄂棉18}BC12F1×徐244) BC6F1。保持系2074B是苏棉20 (徐棉244), 恢复系E5903是Z834R, 来自DES-HAF 277的多代选育后代[33]。
哥伦比亚野生型拟南芥( Arabidopsis thaliana columbia)和本氏烟草( Nicotiana benthamiana)用于转化。大肠杆菌( Escherichia coli) DH5α, 根瘤农杆菌( Agrobacterium tumefaciens) GV3101, 植物表达载体pCAMBIA2301M和pCF203、酵母表达载体p426HXT7均由本实验室保存。
棉花线粒体DNA/RNA提取, 包括线粒体分离和线粒体裂解2个主要环节[39]。
将脱绒的棉花种子种植于经过灭菌处理的沙土, 28℃暗培养4~6 d; 取200~300 g黄化苗在匀浆缓冲液(300 mmol L-1蔗糖, 20 mmol L-1 KH2PO4, 10 mmol L-1 KCl, 5 mmol L-1 EDTA-Na2, 10 mmol L-1 Tris-HCl, 0.1% ( W/V) BSA, 6 mmol L-1 β-mercaptoethanol, pH 7.5)中差速匀浆, 6层纱布过滤, 低速离心去除细胞核和细胞碎片; 用漂洗缓冲液(300 mmol L-1蔗糖, 20 mmol L-1 KH2PO4, 10 mmol L-1 KCl, 5 mmol L-1 EDTA-Na2, 10 mmol L-1 Tris-HCl, 0.1% ( W/V) BSA)漂洗2次, 去除大分子杂质; 获得粗制线粒体, 加入悬浮缓冲液用毛刷将其轻轻刷起,转到蔗糖密度梯度(蔗糖梯度18%、36%、52%)上, 40 000× g离心90 min, 吸取36%~52%之间的线粒体, 用漂洗缓冲液漂洗2次, 即为完整的线粒体。
用CTAB裂解液(0.1 mol L-1 Tris-HCl, 0.02 mol L-1 EDTA-Na2, 2% CTAB, 1.4 mol L-1 NaCl, 2% PVP 40, 2%~3% β-疏基乙醇)裂解线粒体, 无水乙醇沉淀DNA, 70%乙醇漂洗2次, 得到纯度较高、较完整的线粒体DNA。
用DEPC处理过的CTAB裂解液裂解线粒体, 无水乙醇沉淀RNA, 得到纯度较高、较完整的线粒体RNA (华金平等, 中国发明专利, 申请号2010 10268760.2), 利用TaKaRa试剂盒, 随机引物反转录获得线粒体cDNA。
利用生物信息学比较不育系、保持系和恢复系线粒体功能基因的侧翼序列, 获得差异基因 orf, 设计相应引物, 扩增全长并测序验证。利用对应的orf引物, 以RT-PCR检测差异 orf在“三系”中的表达情况, 最终确定差异 orf160。
以溶菌酶法获得酵母Y189的DNA, 扩增获得 cox4的序列[40,41]。连接至pMD18-T easy vector, 挑选单克隆测序, 选择正向插入的单克隆。利用 SalI和 Hind III双酶切pMD18- cox4质粒DNA和 orf160, T4连接, 用引物cox4F和orf160R2组合扩增 cox4和 orf160, 将酶切位点替换为 BamH I和 SacI, 并用这2个限制性内切酶对PCR产物、pCAMBIA2301M和pCF203质粒DNA进行双酶切, T4连接, 转化大肠杆菌感受态DH5α, 挑取阳性克隆进行验证, 即完成含有线粒体导肽( cox4)的植物表达载体和GFP瞬时表达载体的构建, 重组质粒分别被命名为pCAM BIA2301M- cox4- orf160和pCF203- cox4- orf160。将构建好的植物表达载体和瞬时表达载体提取质粒, 转化农杆菌感受态GV3101, 用于遗传转化。利用农杆菌介导法将植物表达载体转化拟南芥和烟草。利用基因枪法将瞬时表达载体转化洋葱表皮细胞, 观察线粒体导肽定位情况。
酵母表达载体构建: 在pMD18-T easy vector上直接用 BamH I和 Hind III双酶切质粒DNA, 将回收片段与p426HXT7连接, 即为p426HXT7- cox4- orf160; 试验处理还包括阳性对照(p426HXT7- GhPAT1), 插入基因 GhPAT1和阴性对照(p426HXT7)。转化试验3次重复, 分别涂于尿嘧啶缺失抗性平板, 观察酵母生长情况。
阳性植株的鉴定, 通过2轮4次筛选。首先在50 mmol L-1卡那霉素MS平板上筛选抗性绿苗, 移栽绿苗; 三叶期取叶片提取总DNA, 用卡那霉素抗性基因标记Kan、线粒体导肽cox4标记和基因 orf160标记引物扩增。
拟南芥T1和T2代种子, 用经5%的次氯酸钠溶液(0.1%的Triton X-100)表面消毒15 min和灭菌水洗涤; 铺种在50 mmol L-1卡那霉素的MS培养基上, 4℃春化处理2 d后, 转至21℃、光照16 h/黑暗8 h和60%~75%相对湿度的转基因室生长一周后, 统计分离比。选择绿苗移栽到无菌土中(蛭石和营养土, 体积比2∶1); 单株收获T1和T2代植株, 统计结 实率。
用5%的次氯酸钠溶液(0.1%的TritonX-100)表面消毒烟草T1和T2代种子20~30 min, 用灭菌水洗涤后铺种含50 mmol L-1卡那霉素的MS培养基, 在28℃、光照16 h/黑暗8 h和60%~75%相对湿度的条件下培养1周, 调查T2代烟草发芽率。烟草苗直接在28℃、光照16 h/黑暗8 h和60%~75%相对湿度的无菌室中培养。烟草T2代植株生长缓慢, 且长势弱。取开花当天的烟草T1代和拟南芥T1、T2代植株花粉, 利用I2-KI染色, 观察败育情况。单株收获, 统计结实率。
将转化后的酵母涂在尿氨酸缺失的YPD (yeast extract peptone dextrose)培养基上, 30℃培养2~3 d, 观察酵母生长情况, 分析 orf160表达产物对酵母生长的影响。
orf160上游为功能基因 atp4。设计不同引物PCR验证, 在保持系和恢复系中没有获取扩增条带(图1), 证明 orf160在保持系和恢复系中不存在。
在不育系中扩增获得 orf160全长480 bp, N端与 atp6编码序列同源, C端含有部分序列与核编码序列同源, 编码159个氨基酸; 氨基酸序列与链霉菌属蛋白序列具有一定的同源性, 与紫黑链霉菌膜蛋白[putative membrane protein, gi|345007990 ( Streptomyces violaceusniger Tu 4113)]和灰黄链霉菌细胞周期蛋白(cell cycle protein, gi|302559642 ( Streptomyces griseoflavus Tu4000))同源性分别为28%与31% (图2)。
以酵母DNA为模板, 扩增获得线粒体导肽78 bp, 引物参见Kim等[41], 插入到pMD18-T easy vector, 单克隆测序; 选择正向插入 cox4片段的单克隆, 提取质粒DNA, 酶切回收获得 cox4片段; 另外从不育系线粒体DNA中扩增 orf160, 酶切回收, 分别将 cox4和 orf160插入到载体pCAMBIA2301M, 重组质粒被命名为pCAMBIA2301M- cox4- orf160(图3-A)。同时, 构建了GFP (green fluorescent protein)瞬时表达载体, 将 cox4和 orf160片段插入到含有GFP基因的载体pCF203中, 重组质粒被命名为pCF203- cox4- orf160(图3-B), 转化洋葱表皮细胞, 确定 cox4导肽的作用。在荧光电子显微镜下, 只有细胞膜上观察到绿色荧光, 而细胞核中没有观察到绿色荧光, GFP只被定位到细胞膜的周围(图4-A); 而阳性对照即空载质粒转化洋葱表皮细胞, 细胞膜和细胞核中都能观察到绿色荧光, GFP被定位到细胞核和细胞膜上(图4-B)。
构建酵母表达载体, 以p426HXT7为载体, 插入 cox4和 orf160, 即为p426HXT7- cox4- orf160; 同时将阳性对照p426HXT7插入棉花功能基因 GhPAT1 (载体p426HXT7- GhPAT1)(图5和图6), 转化后涂在尿氨酸缺失的YPD培养基上, 30℃培养2~3 d, 观察到空白对照和阳性对照材料酵母转化正常, 而p426HXT7- cox4- orf160转化后酵母生长异常, 酵母斑较少(图7)。说明 orf160的表达对酵母的生长有一定抑制作用。
将拟南芥T1植株铺种在50 mmol L-1卡那霉 素抗性的MS平板上, 筛选抗性绿苗(图8-A); 提取移栽绿苗总DNA, 利用卡那霉素抗性标记(NPTII) Kan进行PCR检测(图9), 从T1代植株筛选得到3棵阳性植株, 编号为T101、T102和T103, 其中T103植株长势较好, T101和T102生长较慢, 结实率低。
T2代植株黄绿苗符合1∶3分离比(原始数 据: T101为12∶32, T102为29∶32, T103为 25∶93)。在电子显微镜下观察T103的T2代植株花器官, 花粉少量散出(图8-B), 花粉粒着色浅(图8-C); 野生型本氏烟草花粉粒饱满, 且染色较深(图8-D)。
对转基因烟草T1代植株, 首先进行PCR检测, 筛选出阳性植株(图10), 收获17个阳性单株, 依次编号为T01-T17。然后, 对T1代植株T01单株的花粉进行I2-KI染色, 发现花粉粒大小不均一, 形状不同, 着色深浅也不同, 说明花粉粒活性不相同, 畸形的花粉粒可能无活性或活性较低(图11-a); 而野生型烟草的花粉粒着色较深(图11-d)。观察种子发现, T1代转基因烟草种子多数不饱满、畸形干瘪(图11-b, e)。种子萌发实验表明, T1代种子发芽率为67.3% (图11-c), 野生型烟草的种子发芽率为99.7% (图11-f), 说明 orf160的表达影响转基因烟草后代的种子 发育。
调查10个转基因烟草单株结实率、株高和第一果枝高度(图12), 发现野生型植株和转基因植株第一果枝高度( P=0.02)和第一果节位( P=0.035), 存在显著差异, 其余性状如株高、果枝数和种子总数无显著差异, 种子总数虽然未达显著差异, 但是总体要比野生型的数量少, 而且有一株没有结实, 说明转基因 orf160对种子发育和节间伸长有一定的影响。
种植拟南芥T1代3个单株全部种子, 随机选择T2代单株移栽。PCR鉴定的阳性植株119个, 其中正常植株32株, PCR鉴定的阴性植株的表型与野生型相同, 完全可育; 部分不育株73株, 完全不育株14株, 即约70%的植株表现部分不育或完全不育(表2)。
转基因烟草T1代12个单株, 种植每个单株T2代的6个单株, 共72个单株。PCR随机鉴定、移栽的阳性单株37个, 25个植株表现部分不育或完全不育(表2)。
在调查拟南芥转基因植株中, T3代没有发现明显的雄性不育共分离的现象, 分离比差异大(表3)。对于T0118植株, T3代植株没有黄苗, 全是绿苗; T0128、T0215、T0369和T0360的T3代植株后代也多是绿苗。
卡那霉素基因作为选择标记基因之一, 应用 于转基因实验的大田试验植株活体表型鉴定和室 内阳性植株鉴定, 方便快捷。pCAMBIA2301M载 体中T-DNA内的 NPTII是新霉素磷酸转移酶基 因, 编码蛋白具有卡那霉素抗性, 用于转基因植 株的筛选; T-DNA外的Kmr也是编码卡那霉素抗 性基因, 用于载体构建过程中阳性单菌落筛选。而用于PCR筛选的Kan标记是根据这个基因的保守 序列设计的, 在阳性单克隆和阳性植株中都能被检测到。
未知功能orf存在部分同源序列。这种同源性与线粒体基因组、核基因组进化是否相关, 目前还不清楚。 orf160的N端与线粒体功能基因 atp6序列部分同源, C端与核序列部分同源。其他作物不育基因结构已有类似的报道, 如水稻BT- orf79和HL- orfH79 N端与 cox1序列相似, C端与微球菌 Kocuria rhizophila DC2201的putative ABC transporter permease/ATP-binding protein相似[27,28]。一般来说, 动物线粒体基因组比较保守, 而植物基因组变异广泛[5,6]。在进化过程中, 植物线粒体基因组经历了多种多样的基因组变异, 其中包括来自叶绿体和/或核基因组广泛的基因转移, 发生一系列的重组、重排、重复等变化, 产生许多未知orf。
线粒体转录组非常复杂, 功能基因表达不尽相同, 最重要的是未知功能orf的表达各异[42,43]。目前对线粒体转录组测序的相关报道不多。从转录水平上推测, 这些未知的orf表达差异很大, 而细胞质雄性不育通常就是未知功能的orf差异表达造成的。本研究通过扩增获得不育系和保持系线粒体功能基因的的侧翼序列, 在不育系中 atp4下游发现一个全长480 bp特有的 orf160, 功能同样未知。 cox4是克隆于酵母的基因, 仅78 bp, 利用 cox4作为线粒体导肽靶向定位应用广泛, 如向日葵不育基因 orf522和辣椒不育基因 orf456等线粒体转基因载体中[41,44]。本实验瞬时表达载体亚细胞定位结果显示, 外源 orf160确实能在线粒体中正常表达, 这与Kim等[41]报道结果相同, 即 cox4能定位到线粒体中。
前人报道, 败育orf在不同的植物种中不一定能够导致败育, 例如萝卜和油菜 Ogura-orf138转入拟南芥没有产生不育表型。所以, 本研究将 orf160转基因导入拟南芥和烟草中, 转基因植株没有产生完全的败育, 并不能够直接排除 orf160是哈克尼西棉细胞质的不育基因。事实上, 转基因后代均表现出部分不育; 拟南芥T2代植株不育和可育以3∶1的分离比分离(表3); 转基因植株结实率、种子发芽势、花粉生活力降低; 转基因烟草的花粉着色浅、种子出现明显畸形, 说明 orf160表达影响转基因受体的正常发育; orf160对酵母的生长的抑制作用也进一步证明了这一点, 相关机理以及机制、编码蛋白是否具有毒性还需进一步实验验证。
不育系 atp4下游发现的 orf160, 全长480 bp, 编码159个氨基酸序列与膜蛋白和细胞周期蛋白具有部分同源性, 该基因的转基因酵母菌斑畸形、生长缓慢; 转基因拟南芥和烟草后代植株的结实率降低, 种子大部分畸形, 且发芽率低。说明 orf160基因的表达影响转基因受体的正常发育。
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