154 植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷 [1] 化 机 理 研 究 的 热 点 问 题 ꎮ 邵 开 基 等 研 究 发 现 ABA 含 量 与 树 体 矮 化 呈 显 著 负 相 关 ꎬ 树 体 愈 矮 化 ꎬ [2] 叶 片 ABA 含 量 越 高 ꎮ 牛 自 勉 等 通 过 对 M 系

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1 植物遗传资源学报 2014ꎬ15(1) :153 159 Journal of Plant Genetic Resources DOI:10. 13430 / j. cnki. jpgr. 2014. 01. 021 苹果砧木 SH40 MdNCED1 基因克隆与表达分析 姜志昂ꎬ孙建设ꎬ彭建营ꎬ邵建柱 ( 河北农业大学园艺学院ꎬ保定 071000) 摘要:9 顺式 环氧类胡萝卜素双加氧酶基因是脱落酸合成途径的关键基因ꎮ 本试验通过 RT PCR 结合 RACE 技术从苹果 SH40( Malus domestica Malus Honanensis ) 茎 尖 组 织 中 克 隆 了 1 条 NCED 基 因ꎬ 命 名 为 MdNCED1 ( GenBank 登 录 号 为 KC816734) ꎮ 该 cdna 序列全长 2179 bpꎬ包含 1 个编码 606 个氨基酸的开放阅读框ꎮ 氨基酸同源性分析表明ꎬMdNCED1 与已 报道的 其 他 植 物 物 种 的 氨 基 酸 序 列 具 有 63 7 ~ 93 0 的 相 似 性ꎮ 构 建 MdNCED1 基 因 的 原 核 表 达 载 体 pdest15 MdNCED1ꎬ转入大肠杆菌( DE3) ꎬ用 IPTG 诱导ꎮ SDS PAGE 分析表明ꎬMdNCED1 基因在大肠杆菌中被诱导表达的蛋白质分子 量与预期结果一致ꎮ 荧光定量结果表明ꎬMdNCED1 基因在 SH28 M26 SH40 及其嫁接品种嘎啦的表达趋势均呈先上升后下 降的趋势ꎬ同时与其矮生程度呈正相关ꎮ 关键词:苹果砧木ꎻMdNCED1ꎻ克隆ꎻ表达ꎻ原核表达 Isolation and Expression of MdNCED1 Gene from Apple Rootstock SH40 JIANG Zhi angꎬsun Jian sheꎬpeng Jian yingꎬshao Jian zhu ( College of Horticulture Agricultural University of HebeiꎬBaoding 071000) Abstract:9 cis epoxycarotenoid ( NCED) gene is a critical gene in the pathway of abscisic acid biosynthesis. In this researchꎬnced gene in appleꎬdesignated as MdNCED1 ( GenBank accession number:kc816734) ꎬwas iso lated from the apical tissue of apple rootstock SH40 ( M. domestica M. Honanensis) by RT PCR and RACE tech nology. The full length cdna was 2179 bpꎬ containing a complete open reading frame that encodes 606 amino acids. Amino acid sequence analysis revealed that the sequence had 63 7 93 0 similarity with those of other reported plants. Construction of MdNCED1 gene prokaryotic expression vector pdest15 MdNCED1ꎬthe recombined plasmid was transformed in to E. coli. ( DE3) and induced by IPTG. The result of SDS PAGE demonstrated that the size of expected protein in the prokaryotic expression system. Fluorescent quantitative PCR analysis showed that the trend of expression of SH28ꎬM26ꎬSH40ꎬand the grafted varieties Gala were increased and then decreased. The ex pression of this gene was positively associated to the dwarfing degree. Key words:apple rootstocksꎻmdnced1ꎻcloningꎻexpressionꎻprokaryotic expression 脱落酸( ABAꎬabscisic acid) 是一种非常重要的 矮化密植栽培因产量高 早果早产 低耗高效以 及方便生产管理ꎬ已成为现代苹果生产的发展趋势ꎮ 天然植物生长激素ꎬ是最早得到确认的五大类植物 矮化砧木的选育和利用ꎬ是实现矮化密植栽培的重 激素之一ꎮ 脱落酸参与了许多植物生长和发育过 要途径ꎮ 对果树机理进行深入研究ꎬ有助于推动苹 程ꎬ如种子萌发 幼苗生长 叶片气孔开闭和果实成 果矮化栽培的进一步发展ꎮ 熟等ꎮ 其中脱落酸作为生长抑制剂ꎬ是历来果树矮 收稿日期:2013 04 26 修回日期:2013 06 24 网络出版日期:2013 12 19 URL:http: / / www. cnki. net / kcms / detail / 11. 4996. S. 20131219. 1114. 008. html 基金项目:国家现代苹果产业技术体系( CARS 28) 第一作者研究方向为果树结实生理与分子生物学ꎮ E mail:jiangzhiang2007 163. com 通信作者:孙建设ꎬ研究方向为苹果砧木评价与利用ꎮ E mail:jiansheapple 163. com 彭建营ꎬ研究方向为果树分子生物学ꎮ E mail:pjy hebau. edu. cn

2 154 植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷 [1] 化 机 理 研 究 的 热 点 问 题 ꎮ 邵 开 基 等 研 究 发 现 ABA 含 量 与 树 体 矮 化 呈 显 著 负 相 关 ꎬ 树 体 愈 矮 化 ꎬ [2] 叶 片 ABA 含 量 越 高 ꎮ 牛 自 勉 等 通 过 对 M 系 S 系 和 SH 系 苹 果 砧 木 的 相 关 分 析 也 表 明 叶 片 ABA 含 量 水 平 与 树 体 高 度 树 干 周 长 及 新 梢 长 度 均 呈 显 著 [3] 负 相 关 ꎮ 赵 大 中 等 对 柑 橘 的 研 究 也 证 明 ꎬ 随 着 株 [4] 高 的 增 加 ꎬABA 水 平 下 降 ꎮ 张 志 华 等 在 试 验 中 发 现 ꎬ 核 桃 实 生 苗 的 ABA 含 量 与 树 体 生 长 势 呈 显 著 负 [5] 相 关 ꎮ 曹 敏 格 等 研 究 表 明 苹 果 砧 木 叶 片 的 ABA 含 量 可 以 有 效 地 反 映 砧 木 的 生 长 势 强 弱 ꎬ 可 用 于 苹 果 砧 木 的 矮 化 预 选 ꎮ 矮 化 密 植 栽 培 是 目 前 研 究 的 关 注 点 ꎬ 但 在 苹 果 砧 木 选 育 过 程 中 存 在 砧 木 嫁 接 品 种 后 ꎬ 矮 化 类 型 与 砧 木 本 身 生 长 势 并 不 一 致 ꎬ 即 矮 生 砧 木 并 不 一 定 在 嫁 接 品 种 后 导 致 其 矮 化 ꎮ 因 此 观 察 砧 木 的 矮 化 效 果 需 要 树 体 生 长 到 一 定 年 份 才 能 得 到 初 步 结 论 ꎬ 并 且 在 传 统 的 研 究 方 法 中 要 定 期 测 量 新 梢 的 生 长 量 ꎬ 测 定 内 源 激 素 含 量 等 ꎬ 这 一 矛 盾 也 导 致 目 前 育 种 工 作 的 繁 琐 ꎮ 并 且 果 树 矮 生 机 理 研 究 主 要 集 中 在 生 理 方 面 ꎬ 以 分 子 生 物 学 为 手 段 的 研 究 基 础 较 为 薄 弱 ꎮ 生 化 与 遗 传 研 究 已 经 证 明 ꎬ9 顺 式 环 氧 类 胡 萝 卜 素 双 加 氧 酶 ( NCED) 是 高 等 植 物 ABA 生 物 合 成 途 径 的 关 键 酶 [6] ꎮ 研 究 同 时 表 明 ꎬ 在 植 物 体 中 NCED 以 基 因 家 族 的 形 式 存 在 ꎬ 并 且 其 表 达 量 的 变 化 与 ABA 含 量 的 变 化 有 直 接 关 系 [7 9] ꎮ 编 码 NCED 的 基 因 首 先 在 玉 米 中 通 过 viviparousl4 ( vpl4 ) 突 变 体 得 到 验 证 [10] ꎮ 在 番 茄 的 一 个 ABA 缺 乏 的 突 变 体 notabilis 中 分 离 到 了 与 vpl4 相 关 的 基 因 LeNCED [11] ꎮ 目 前 许 多 植 物 NCED 基 因 已 经 克 隆 和 鉴 定 ꎬ 包 括 豌 豆 (Phaseolus vulgaris) [12] 豇 豆 (Vigna unguiculata) [13] 鳄 梨 (Persea americana) [14] 柑 橘 (Citrus sinensis) [15] 柿 子 ( Diospyros kaki) [16] 牡 丹 ( Paeonia suffruticosa Andr. ) [17] 和 枸 杞 (Lycium barbarum) [18] 等 ꎮ 本 研 究 以 苹 果 砧 木 为 试 材 ꎬ 克 隆 NCED 基 因 以 及 研 究 该 基 因 在 苹 果 砧 木 及 其 嫁 接 品 种 生 长 发 育 期 的 表 达 情 况 ꎬ 不 仅 是 为 研 究 苹 果 矮 生 机 理 及 为 砧 木 初 选 提 供 一 个 快 速 的 分 子 检 测 方 法 ꎬ 也 是 为 以 后 利 用 基 因 调 控 技 术 改 良 树 型 与 抗 性 提 供 分 子 依 据 ꎮ 1 材 料 与 方 法 1 1 植 物 材 料 基 因 克 隆 试 验 以 2 年 生 苹 果 矮 生 砧 木 SH40 (Malus domestica M. Honanensis) 茎 尖 为 试 验 材 料 ꎻ 荧 光 定 量 试 验 材 料 为 2 年 生 苹 果 矮 生 砧 木 SH40 SH28 (M. domestica M. Honanensis) M26( M. dom estica Mill. M26) 及 其 嫁 接 品 种 嘎 啦 ( M. domestica Mill. Gala) 距 茎 尖 3 ~ 4 片 完 全 展 开 的 叶 片 ꎬ 于 2012 年 6 月 1 日 至 9 月 7 日 每 隔 10 d 取 样 ꎮ 样 品 均 取 自 河 北 农 业 大 学 何 家 营 果 树 试 验 站 ꎮ 1 2 NCED 基 因 cdna 全 长 序 列 克 隆 采 用 Trizol 试 剂 ( Takara 公 司 ) 提 取 苹 果 总 RNAꎮ 3 RACE cdna 第 1 链 合 成 参 照 TaKaRa RNA Kit(AMV3 0) 使 用 说 明 进 行 操 作 ꎻ5 RACE cdna 第 1 链 合 成 参 照 SMART TM RACE cdna Amplification Kit 使 用 说 明 进 行 操 作 ꎮ 根 据 已 报 道 或 登 录 Gen Bank 的 其 他 植 物 NCED 基 因 序 列 设 计 简 并 引 物 ( 表 1)ꎬ 由 上 海 生 工 工 程 技 术 有 限 公 司 合 成 ꎮ 以 提 取 的 总 RNA 反 转 录 获 得 的 cdna 第 1 条 链 为 模 板 ꎬ 用 简 并 引 物 A1 与 A2 进 行 中 间 片 段 的 扩 增 ꎮ PCR 程 序 为 :94 预 变 性 3 minꎻ94 变 性 1 minꎬ55 退 火 1 minꎬ72 延 伸 1 minꎬ40 个 循 环 ꎻ 72 终 延 伸 10 minꎮ 以 3 RACE 反 转 录 获 得 的 cdna 第 1 条 链 为 模 板 ꎬ 在 获 得 中 间 片 段 的 基 础 上 设 计 引 物 B1 和 B2ꎬ 并 与 试 剂 盒 通 用 引 物 C1 和 C2 配 对 进 行 3 cdna 末 端 扩 增 ꎮ PCR 程 序 为 :Outer PCR:94 预 变 性 3 minꎻ 94 变 性 30 sꎬ55 退 火 30 sꎬ72 延 伸 1 minꎬ20 个 循 环 ꎻ72 终 延 伸 10 minꎮ Inner PCR:94 预 变 性 3 minꎻ94 变 性 30 sꎬ55 退 火 30 sꎬ72 延 伸 1 minꎬ30 个 循 环 ꎻ72 终 延 伸 10 minꎮ 根 据 MdGA20ox1 中 间 片 段 设 计 特 异 性 引 物 D1 D2ꎬ 分 别 与 试 剂 盒 通 用 引 物 UPM NUP 配 对 进 行 巢 式 PCRꎮ 以 5 RACE Ready 反 应 液 为 模 板 ꎬ 以 D1 与 UPM 为 引 物 进 行 反 应 :94 变 性 4 minꎻ94 反 应 30 sꎬ72 反 应 1 minꎬ 进 行 5 次 循 环 ꎻ94 反 应 30 sꎬ70 反 应 30 sꎬ72 反 应 1 minꎬ 进 行 5 次 循 环 ꎻ94 反 应 30 sꎬ68 反 应 30 sꎬ72 反 应 1 minꎬ 进 行 25 次 循 环 ꎻ 然 后 72 延 伸 10 minꎮ 2 次 反 应 将 1 次 反 应 产 物 稀 释 50 倍 为 模 板 ꎬD2 与 NUP 为 引 物 ꎬ 进 行 反 应 :94 变 性 4 minꎻ94 反 应 30 sꎬ 68 反 应 30 sꎬ72 反 应 1 minꎬ 进 行 20 次 循 环 ꎻ 然 后 72 延 伸 10 minꎮ 利 用 2 0% 的 琼 脂 糖 凝 胶 电 泳 并 回 收 扩 增 特 异 性 片 段 ꎬ 经 转 化 酶 切 回 收 后 ꎬ 送 样 测 序 ꎮ 1 3 生 物 信 息 学 分 析 利 用 DNAMAN 6 0 软 件 对 MdNCED1 基 因 的 中 间 片 段 3 末 端 5 末 端 序 列 进 行 拼 接 分 析 ꎻ 该 基 因 的 核 苷 酸 和 翻 译 的 氨 基 酸 序 列 分 别 利 用 NCBI 的

3 1 期 姜 志 昂 等 : 苹 果 砧 木 SH40 MdNCED1 基 因 克 隆 与 表 达 分 析 155 BLASTn 和 BLASTp ( http: / / balst. ncbi. nlm. nih. Gov / Blast. cgi) 与 相 应 序 列 进 行 相 似 性 分 析 ꎻ 利 用 Clustal 1 83 与 Mega 4 0 构 建 苹 果 砧 木 SH40 与 平 邑 甜 茶 克 莱 门 柚 蓖 麻 番 茄 烟 草 草 莓 萝 卜 葡 萄 拧 条 锦 鸡 儿 花 生 菊 花 中 粒 咖 啡 马 铃 薯 豌 豆 和 拟 南 芥 NCED 氨 基 酸 序 列 同 源 进 化 树 ꎻ 利 用 Ex PASy 在 线 软 件 分 析 ( http: / / www. expasy. ch / pros ite / )MdNCED1 氨 基 酸 的 功 能 结 构 域 ꎻ 利 用 在 线 软 件 PSORT ( http: / / psort. ims. u tokyou. ac. jp / form. html) 进 行 亚 细 胞 定 位 分 析 ꎻ 利 用 TMHMM Server v 2 0 程 序 ( http: / / www. cbs. dtu. dk / services / TM HMM / ) 进 行 蛋 白 跨 膜 序 列 跨 膜 区 分 析 ꎻ 利 用 PBIL LYON GERLAND 对 GA20ox1 进 行 二 级 结 构 预 测 (http: / / npsa pbil. ibcp. fr / cgi bin / secpred_hnn. pl)ꎻ 蛋 白 质 三 级 结 构 预 测 采 用 SWISS MODEL( http: / / swissmodel. expasy. org / workspce / index. php? func = modelling_simple) ꎮ 1 4 通 过 Gateway 技 术 构 建 原 核 表 达 载 体 设 计 引 物 E1 与 E2( 表 1)ꎬ 在 正 向 引 物 E1 的 5 端 加 上 CACC 4 个 碱 基 ꎮ 扩 增 MdNCED1 基 因 的 开 放 阅 读 框 ꎬ 通 过 TOPO 反 应 将 该 基 因 克 隆 到 TOPO 载 体 上 ꎬ 然 后 与 目 的 载 体 pdest15 进 行 LR 重 组 ꎬ 经 转 化 大 肠 杆 菌 ꎬ 氨 苄 青 霉 素 抗 性 筛 选 后 ꎬ 获 得 pd EST15 MdNCED1 质 粒 的 菌 落 ꎮ 经 菌 液 PCR 测 序 验 证 后 进 行 后 续 试 验 ꎮ 1 5 融 合 蛋 白 的 诱 导 表 达 和 SDS PAGE 电 泳 分 析 将 重 组 质 粒 空 质 粒 均 转 入 大 肠 杆 菌 Rosseta (DE3) 感 受 态 细 胞 中 ꎬ 挑 取 单 菌 落 接 种 于 10 ml 液 体 LB 培 养 基 中 ( 含 100 μg / ml AMP + ) 中 ꎬ 在 灭 菌 的 三 角 瓶 中 r / min 过 夜 培 养 ꎮ 将 菌 液 按 1 50 稀 释 ꎬ 并 加 入 2% 的 葡 萄 糖 ꎬ r / min 继 续 培 养 2 ~ 3 hꎬ 使 之 OD 600 达 到 0 5 ~ 0 7ꎮ 收 集 诱 导 前 1 ml 菌 液 后 ꎬ 加 入 终 浓 度 为 0 5 mmol / L ITPGꎬ28 分 别 振 荡 培 养 1 h 2 h 3 h 4 h 5 h 6 h 诱 导 MdNCED1 表 达 ꎮ 诱 导 完 成 后 ꎬ6000 r / min 离 心 ꎬ 收 集 上 清 液 加 入 2 上 样 缓 冲 液 ꎬ 沸 水 浴 5 minꎬ 冰 上 冷 却 后 ꎬ 取 25 μl 进 行 SDS PAGE 电 泳 分 析 ( 浓 缩 胶 4% ꎬ 分 离 胶 12% )ꎮ 1 6 荧 光 定 量 表 达 分 别 提 取 不 同 时 期 2 年 生 矮 化 砧 木 SH28 M26 SH40 及 其 嫁 接 品 种 嘎 啦 的 总 RNAꎬ 用 DNase Ⅰ 酶 纯 化 后 ꎬ 采 用 Fermentas 试 剂 盒 逆 转 录 cdnaꎬ 作 为 模 板 ꎮ 为 确 保 荧 光 定 量 PCR 的 特 异 性 ꎬ 在 该 基 因 保 守 区 设 计 引 物 F1 与 F2( 表 1)ꎮ 以 苹 果 中 的 β actin 基 因 为 内 参 ꎬ 设 计 内 参 基 因 特 异 性 引 物 G1 与 G2ꎬ 采 用 荧 光 定 量 PCR 对 MdGA20ox1 基 因 进 行 生 长 发 育 期 表 达 分 析 ꎮ 反 应 体 系 上 下 游 引 物 各 0 4 μlꎬ10 4 μl 反 应 Mixtureꎬ3 8 μlddh 2 Oꎬ 总 体 系 15 μlꎮ 反 应 程 序 为 95 预 变 性 30 sꎬ95 变 性 5 sꎬ60 退 火 30 sꎬ40 个 循 环 ꎻ 反 应 结 束 后 ꎬ 确 认 Real Time PCR 的 扩 增 曲 线 和 溶 解 曲 线 ꎬ 试 验 3 次 重 复 ꎬ 记 录 数 值 ꎮ 表 1 引 物 序 列 及 用 途 Table 1 Sequence and application of primers 编 号 序 列 (5 3 ) 用 途 Code Primer sequence Application A1 GCCCACCATGATKCAYGAYT 中 间 片 段 扩 增 A2 CTTCTCGTCGTGMACRAAHG Middle fragment ampli fication B1 CTCGGTTCGCTTACCTCGC 3 RACE B2 ACGGTGGTGAGCCGTTTTTCG 3 RACE C1 CGCGGATCCTCCACTAGT 3 RACE GATTTCACTATAGG C2 TACCGTCGTTCCACTAGTGATTT 3 RACE D1 GCAGAACGTGTCGGGAGAGTC 5 RACE D2 GATCATCTCTCCGAGCTTGAACAC 5 RACE UPM CTAATACGACTCACTAAT ACGACTCACTATAGGGCAAG CAGTGGTATCAACGCAGAGT 5 RACE NUP AAGCAGTGGTATCAACG 5 RACE CAGAGT E1 CACCATGTCAACTCTTC MdNCED1 基 因 ORF 扩 增 CAAAAGCACC E2 TGCCTGATTTACCAAGTCCTTCG Complete ORF amplifica tion of MdNCED1 gene F1 TCGGAGGACGACGGTTATATTC 荧 光 定 量 RT PCR F2 CCATGAAACCCGTAGGGCAC Fluorescent quantitative RT PCR G1 CTGAACCCAAAGGCTAATCG 荧 光 定 量 PCR G2 ACTGGCGTAGAGGGAAAGAA Fluorescent quantitative RT PCR 下 划 线 为 保 护 性 碱 基 Underlines in primer sequence is protective bases 2 结 果 与 分 析 2 1 苹 果 MdNCED1 cdna 全 长 的 获 得 及 序 列 分 析 以 苹 果 砧 木 SH40 新 梢 总 RNA 的 反 转 录 产 物 为 模 板 进 行 RT PCR 扩 增 ꎬ 以 A1 与 A2 为 引 物 ꎬ 扩 增 产 物 经 测 序 后 得 到 643 bpꎬ 以 B1 / C1 B2 / C2 引 物 ꎬ 通 过 3 RACE 获 得 长 度 244 bp 的 片 段 ꎻ 以 D1 / UPM D2 / NUP 为 引 物 ꎬ 通 过 5 RACE 扩 增 获 得 5 端 的 1478 bp 的 片 段 ( 图 1)ꎮ

4 156 植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷 基酸序列 与 GenBank 数 据 库 中 的 其 他 物 种 NCED 编码 的 氨 基 酸 序 列 进 行 同 源 性 比 较ꎬ 结 果 表 明: NCED 蛋白的 N 端序列保守性较低ꎬC 端序列相对 保守ꎮ 苹果砧木 SH40 与泰山海棠 草莓和番茄等 15 个物种的 NCED 蛋白氨基酸序列一致性( indenti 图 1 MdNCED1 中间片段(A) 3 RACE(B) 及 5 RACE(C)扩增结果 Fig 1 MdNCED1 gene fragment ( A) ꎬ3 RACE product ( B) ꎬand 5 RACE product ( C) 将获得的 3 个片段通过 DNAMAN 6 0 软件进行 ty) 比较ꎬ其中与同为苹果属的平邑甜茶的同源性最 高为 93 0 ꎬ与蔷薇科的草莓同源性次之为 76 4 ꎬ 与模式植物拟南芥的同源性最低为 63 7 ꎮ 在进一步的进化关系分析中ꎬ使用 MEGA 4 0 对包括 SH40 在内的 16 个物种构建 NCED 氨基酸 系统进化树( 图 3) ꎮ 序列拼接ꎬ获得 MdNCED1 的 cdna 全长为 2179 bpꎮ 2 3 MdNCED1 的生物信息学分析 读框(ORF)ꎬ338 bp 的 5 非翻译区(5 UTR)ꎬ10 bp 的 白的相对分子量为 66 9kDꎬ等电点为 7 05( PI) ꎬ在 因在 GenBank 数据库的登录号为 KC816734(图 2)ꎮ Leu Val Ala 和 Gly 分别占总氨基酸数的 8 91 MdNCED1 的全长序列包括长度为 1821 bp 的开放阅 3 非翻译区(3 UTR)以及 10 bp 的 Poly(A)结构ꎬ该基 2 2 MdNCED1 推导的氨基酸序列的同源性及系 统进化分析 通过 DNAMAN 6 0 软件对 MdNCED1 编码的氨 利用 DNAMAN 6 0 软件分析表明 MdNCED1 蛋 氨基酸组成中ꎬ部分氨基酸出现频率较高ꎬ如 Ser 7 76 7 76 7 26 和 7 26 ꎻ一些出现频率则 较低ꎬ如 Cys Trp69 则仅占 0 99 1 16 ꎮ 图 2 MdNCED1 基因 cdna 全长及其推导的氨基酸序列 Fig 2 Nucleotide sequence of the open reading frame of MdNCED1 and the deduced amino acids

5 1期 姜志昂等:苹果砧木 SH40 MdNCED1 基因克隆与表达分析 157 过试验验证的 3D 模型ꎬ并且该模型与目标序列有 较高的相似性ꎮ 本试验通过 SWISS MODEL 软件ꎬ以 单体蛋白(PDB Code:3npea) 为模板ꎬ对 MdNCED1 三 级结构进行同源建模ꎬ结果如图 5 所示ꎮ 图 3 苹果砧木 SH40 与其他物种 NCED 氨基酸序列的系统进化树分析 Fig 3 Phylogenetic analysis between MdNCED1 and NCED proteins from other species 通过在线软件 Wolf PSORT 进行亚细胞定位表 明 MdNCED1 定位于叶绿体上ꎮ 通过 TMHMM Serv er 2 0 进行跨膜分析与 SignalP 3 1 进行信号肽分析 表明 MdNCED1 无跨膜( 图 4) 和信号肽结构ꎮ 图 5 SWISS MODEL 预测 MdNCED1 3D 结构图 Fig 5 The tertiary structure of MdNCED1 predicted with SWISS MODEL 2 4 SDS PAGE 分析 以大肠 杆 菌 Rosseta ( DE3 ) 作 为 宿 主 菌ꎬ pd EST15 作 为 空 质 粒 对 照ꎬ 利 用 SDS PAGE 分 析 MdNCED1 在大肠杆菌中的表达情况ꎮ DNAMAN 6 0 软件分析 MdNCED1 基因表达产物大约 66 9 kdꎬ表 达系统 N 端有 GST Tag 序列表达约 26 7 kd 大小的 蛋白以及重组后 linker 也会被诱导表达ꎬ因此融合 蛋白预期表达量在 95 kd 左右ꎮ SDS PAGE 电泳分 析显示ꎬ分子量在 95 kd 的位置存在 1 条融合蛋白诱 图 4 MdNCED1 跨膜区域预测结果 Fig 4 The predicted result of MdNCED1 transmembrane region 利用软件 ExPASy 软件分析 MdNCED1ꎬ结果显 示:28 31 151 154 269 272 439 442 475 478 548 551 和 595 598 为酪蛋白激酶 II 磷酸化位点ꎻ36 38 41 导表达的条带ꎮ 并且在诱导 1 ~ 6 h 均出现了目的条 带ꎬ而在空质粒和未诱导的转化重组质粒均未出现目 的蛋白带ꎮ 表明重组质粒 pgest15 MdNCED1 在大 肠杆菌中诱导表达了 SH40 苹果砧木 MdNCED1 蛋白 (图 6)ꎮ 试验调整诱导时间 1 ~ 6 hꎬ目的条带的深度 变化不明显ꎬ蛋白表达量基本一致ꎮ 43 44 46 47 49 203 205 468 470 469 471 和 581 583 为蛋白激酶 C 磷酸化位点ꎻ109 114 182 187 250 255 252 257 312 317 和 542 547 为 N 肉豆蔻酰位点 甘氨酸ꎻ50 53 为 N 糖 基 化 位 点ꎻ48 51 为 camp 和 cgmp 依赖性蛋白激酶磷酸化位点ꎻ492 495 为酰胺 化位点ꎮ 同时该软件还显示ꎬ10 52 这段氨基酸序列 为一段富含丝氨酸(Ser)的低复杂度区域ꎮ 用 Hopfield 神经网络( HNN) 预测 MdNCED1 的 氨基酸序列ꎬ结果表明ꎬMdNCED1 的二级结构是由 α 螺旋 无规则卷曲和延展链构成ꎬ其中 α 螺旋有 135 个占 22 28 ꎬ无规则卷曲有 343 个占 56 6 ꎬ 延展链有 128 个占 21 21 ꎮ 建立一个蛋白质的三级结构图ꎬ必须有一个经 M:蛋白 markerꎻa:pdest15 空载体诱导表达产物ꎬ箭头所指为标签 蛋白ꎬ0 3 为诱导表达时间ꎻB:pDEST15 MdNCED1 诱导表达产物ꎬ 箭头所指为目标蛋白ꎬ0 ~ 6 为诱导表达时间 M:protein markerꎬa:the expression products of pdest15ꎬ arrow shows tagged proteinꎬinduction for 0 and 3 hꎬ B:The expression products of pdest15 MdNCED1ꎬ arrow shows target proteinꎬinduction for 0 to 6 h 图 6 诱导表达产物的 SDS PAGE 分析 Fig 6 Analysis of induced expression products by SDS PAGE

6 158 植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷 2 5 MdNCED1 基因荧光定量表达结果 低的水 平ꎮ SH28 与 SH40 生 长 势 基 本 一 致ꎬ SH40 SH40 M26 SH28 及其嫁接品种嘎啦生长发育阶段 表达量基本与 3 种不同砧木类型的生长势呈正相 采用荧光定量 PCR 研究了 MdNCED1 基因在 的表达情况ꎬ试验结果表明ꎬ在 6 月 1 12 日这一时 稍强于 SH28ꎮ 从图 7 中可以看到 MdNCED1 基因 关ꎮ 而嫁接品种嘎啦后ꎬSH28 是半矮化类型ꎬM26 期ꎬ3 种砧木类型及其嫁接品种嘎啦的 MdNCED1 基 SH40 均是矮化类型ꎻ矮化类型 M26 稍强于 SH40ꎮ 的最低值ꎮ 在以后的时期中ꎬ表达量维持在一个较 种后的 3 个砧木类型的矮化程度均呈正相关ꎮ 因表达量均呈上升趋势ꎬ随后迅速下降至 6 月 23 日 从图 8 中可以发现 MdNCED1 基因表达量与嫁接品 图 7 SH28 M26 SH40 在生长发育期 MdNCED1 基因荧光定量 PCR 检测结果 Fig 7 qpcr expression analysis of MdNCED1 gene for the SH28ꎬM26ꎬand SH40 at the growing time 图 8 SH28 M26 SH40 嫁接品种嘎啦后在生长发育期 MdNCED1 基因荧光定量 PCR 检测结果 Fig 8 qpcr expression analysis of MdNCED1 gene for the SH28ꎬM26ꎬand SH40 grafted varieties Gala at the growing time NCED 蛋白的体外表达研究很少ꎮ 了解其植物体内 3 讨论 本试验以 SH40 苹 果 砧 木 快 速 生 长 茎 尖 为 试 材ꎬ通过 RACE 技术从中克隆得到 1 个 2179 bp 的 完整 cdna 序列ꎬ通过对其氨基酸序列进行保守结 构域分析ꎬ表明该基因属于超家族 RPE65 系ꎬ该家 族包含了植物的新黄质裂解酶的序列ꎬ并且该氨基 酸序列含有多个磷酸化 酰基化和糖基化位点ꎮ 丝 氨酸 苏氨酸的磷酸化位点通过磷酸化和脱磷酸化 的生化功能ꎬ必须从蛋白水平上进行研究ꎮ 原核表 达系统为研究 NCED 蛋白的表达和功能提供了一 个有效的途径 [20] ꎮ 本研究将 SH40 苹果砧木类型 的 NCED 基 因 与 原 核 表 达 载 体 pdest15 通 过 Gateway 技 术 重 组 [21] ꎬ 转 入 大 肠 杆 菌 Rosseta ( DE3) 诱导表达ꎬ通过 SDS PAGE 电泳分析表明ꎬ SH40 苹果砧 木 类 型 的 NCED 基 因 能 够 与 GST 标 签蛋白形成 融 合 蛋 白ꎬ并 在 原 核 表 达 体 系 中 正 确 以及甘氨酸的酰基化位点通过酰基化调节细胞内已 表达ꎮ 速反应更为有效ꎬ糖基化是蛋白质重要的翻译后修 环境胁迫的适应反应ꎮ 目前的研究认为ꎬABA 除了 饰ꎬ可以进一步增加蛋白质的稳定性ꎬ均表明其催化 参与逆境生理反应ꎬ也在调控植物矮化中具有重要 存在酶的 活性酶量 ꎬ使细胞对外界刺激做出的迅 功能的复杂性 ꎮ 迄今为 止ꎬ 虽 然 在 鳄 梨 [14] 柑 橘 [15] 柿 子 [16] 牡丹 [17] 和枸杞 [18] 等植物中克隆分析了多个 NCED [19] 基因ꎬ但研究主要集中在 NCED 基因在逆境胁迫 花 朵 的 开 放 衰 老 以 及 果 实 成 熟 时 的 表 达 情 况ꎬ 对 ABA 广泛参与植物生长发育的调控和对多种 作用ꎮ 本试验以利用实时荧光定量 PCR 研究相同 立地条件下ꎬSH40 SH28 和 M26 3 种不同苹果砧木 及其嫁接品种嘎啦在生长发育阶段 ABA 合成关键 基因 MdNCED1 基 因 的 表 达 情 况ꎮ 试 验 结 果 表 明 MdNCED1 基因在 3 个砧木类型及其嫁接品种中的

7 1 期 姜 志 昂 等 : 苹 果 砧 木 SH40 MdNCED1 基 因 克 隆 与 表 达 分 析 159 表 达 趋 势 基 本 一 致 ꎬ 均 是 从 6 月 初 的 高 水 平 的 峰 值 迅 速 下 降 ꎮ 同 时 该 基 因 的 表 达 情 况 与 苹 果 幼 树 的 生 长 动 态 基 本 一 致 ꎬ6 月 初 是 苹 果 幼 树 的 生 长 停 止 期 ꎬ 此 时 MdNCED1 基 因 的 表 达 量 最 高 ꎮ 随 着 苹 果 秋 稍 的 加 速 生 长 ꎬ 该 基 因 的 表 达 量 降 低 ꎬ 维 持 在 较 低 的 水 [22] [23] 平 ꎮ 付 蕾 等 和 毕 桂 红 等 的 研 究 均 发 现 苹 果 幼 树 内 源 激 素 ABA 含 量 的 周 年 发 生 动 态 与 新 梢 的 生 长 趋 势 相 反 ꎬ 在 新 梢 旺 盛 生 长 期 ABA 含 量 降 低 ꎬ 在 新 梢 停 长 期 ABA 含 量 升 高 ꎮ 本 试 验 还 发 现 MdNCED1 基 因 的 表 达 量 与 3 个 砧 木 类 型 的 生 长 势 及 其 嫁 接 品 种 嘎 啦 的 矮 化 程 度 呈 显 著 正 相 关 ꎬ 生 长 势 最 弱 的 M26 其 MdNCED1 基 因 在 生 长 发 育 阶 段 表 达 水 平 较 高 ꎻ 而 生 长 势 较 强 的 SH40ꎬ 其 MdNCED1 基 因 表 达 量 基 本 维 持 在 一 个 较 低 的 水 平 ꎻ 在 7 月 4 日 SH40 MdNCED1 基 因 表 达 量 显 著 高 于 SH28ꎬ 可 能 是 不 同 砧 木 类 型 在 生 长 节 奏 上 有 差 异 造 成 的 ꎬ 在 整 个 发 育 阶 段 SH40 MdNCED1 基 因 表 达 量 均 低 于 SH28ꎮ 嫁 接 品 种 后 半 矮 化 类 型 SH28 MdNCED1 基 因 的 表 达 量 显 著 低 于 矮 化 类 型 SH40 与 M26ꎮ 均 表 明 ABA 是 调 控 树 体 矮 化 程 度 的 重 要 因 素 之 一 ꎮ 植 物 的 生 长 发 育 是 由 基 因 调 控 的 ꎬ 因 此 转 基 因 育 种 也 是 目 前 和 未 来 的 重 要 研 究 方 向 之 一 ꎮ 本 研 究 为 从 分 子 水 平 上 进 行 砧 木 早 期 筛 选 以 及 通 过 基 因 干 涉 和 超 表 达 转 基 因 工 程 验 证 其 基 因 功 能 奠 定 了 一 定 的 基 础 ꎮ 参 考 文 献 [1] 邵 开 基 ꎬ 牛 自 勉 ꎬ 张 忠 仁 ꎬ 等. 苹 果 砧 木 矮 化 程 度 与 ABA 含 量 的 关 系 [J]. 园 艺 学 报 ꎬ1987ꎬ14(1):7 11 [2] 牛 自 勉 ꎬ 梁 德 声 ꎬ 房 耀 仁. 苹 果 砧 木 脱 落 酸 与 树 体 生 长 规 律 的 研 究 [J]. 北 京 林 业 大 学 学 报 ꎬ1991ꎬ13(3):50 55 [3] 赵 大 中 ꎬ 陈 民 ꎬ 罗 先 实. 不 同 种 类 柑 橘 幼 苗 生 长 势 与 叶 片 过 氧 化 物 酶 活 性 GA 3 和 ABA 含 量 的 关 系 [ J]. 果 树 科 学 ꎬ1998ꎬ15 (3): [4] 张 志 华 ꎬ 刘 新 彩 ꎬ 刘 彦 红 ꎬ 等. 核 桃 幼 树 内 源 激 素 与 生 长 势 的 关 系 [J]. 林 业 科 学 ꎬ2006ꎬ42(9): [5] 曹 敏 格 ꎬ 杨 海 玲 ꎬ 张 文 ꎬ 等. 苹 果 砧 木 矮 化 性 评 价 指 标 的 研 究 [J]. 中 国 农 业 大 学 学 报 ꎬ2008ꎬ13(5):11 18 [6] Ren H BꎬGeo Z HꎬChen L. Dynamic analysis of ABA accumula tion in relation to the rate of ABA catabolism in maize tissue un der water deficit[ J]. J Exp Botꎬ2007ꎬ58(2): [7] Yang J FꎬGuo Z F. Cloning of a 9 cis epoxycarotenoid dioxygen ase gene ( SgNCED1) from Stylosanthes guianensis and its ex pression in response to abiotic stresses [ J]. Plant Cell Repꎬ 2007ꎬ26: [8] Zhang MꎬLeng PꎬZhang G Lꎬet al. Cloning and function analysis of 9 cis epoxycarotenoid dioxygenase ( NCED) genes encoding a key enzyme during abscisic acid biosynthesis from peach and grape fruits [ J]. J Plant Physiolꎬ2009ꎬ166(12): [9] Hu BꎬLiu XꎬHong Lꎬet al. Expression and localization of arachis hypogaea 9 cis epoxycarotenoid dioxygenase 1 ( AhNCED1 ) of peanut under water stress [ J]. Agric Environ Biotechꎬ2010ꎬ24 (1): [10] Tan B CꎬSchwartz S HꎬZeevaart J A Dꎬet al. Genetic control of abscisic acid biosynthesis in acid biosynthesis in maize[ J]. Proc Natl Acad Sci USAꎬ1997ꎬ94: [11] Burbidge AꎬGrieve T MꎬJackson Aꎬet al. Characterization of the ABA deficient tomato mutant notabilis and its relationship with maize Vp14[ J]. Plant Jꎬ1999ꎬ17: [12] Qin XꎬZeevaart J A. The 9 cis epoxycarotenoid cleavage reaction is the key regulation step of abscisic acid biosynthesis in water stressed bean [ J ] Proc Natl Acad Sci USAꎬ 1999ꎬ 96: [13] Iuchi SꎬKobayashi MꎬYamaguchi Shinozaki Kꎬet al. A stress in ducible gene for 9 cis epoxycarotenoid dioxygenase involved in abscisic acid biosynthesis under water stress in drought tolerant cow pea [ J]. Plant Physiolꎬ2000ꎬ123: [14] Chernys J TꎬZeevaart J A. Characterization of the 9 cis epoxycar otenoid dioxygenase gene family and the regulation of abscisic acid biosynthesis in avocado [ J ]. Plant Physiolꎬ 2000ꎬ 124: [15] Rodrigo M JꎬAlquezar BꎬZacaras L. Cloning and characterization of two 9 cis epoxycarotenoid dioxygenase genesꎬdifferentially reg ulated during fruit maturation and under stress conditionsꎬ from orange(citrus sinensis L. Osbeck) [J]. J Exp Botꎬ2006ꎬ57(3): [16] Leng PꎬZhang G LꎬLi X Xꎬet al. Cloning of 9 cis epoxycarote noid dioxygenase ( NCED) gene encoding a key enzyme during abscisic acid ( ABA) biosynthesis and ABA regulated ethylene production in detached young persimmon calyx[ J]. Chinese Sci Bullꎬ2009ꎬ54: [17] 王 晓 庆 ꎬ 张 超 ꎬ 董 丽 ꎬ 等. 牡 丹 NCED 基 因 的 克 隆 和 表 达 分 析 [J]. 园 艺 学 报 ꎬ2012ꎬ39(10): [18] 陆 平 ꎬ 田 悦 胜 ꎬ 王 名 雪 ꎬ 等. 枸 杞 脱 落 酸 生 物 合 成 关 键 酶 基 因 NCED 的 克 隆 及 表 达 分 析 [ J]. 植 物 遗 传 资 源 学 报 ꎬ2013ꎬ14 (2): [19] 吴 娟 娟 ꎬ 吴 倩 ꎬ 喻 德 跃. 大 豆 丙 二 烯 氧 化 物 合 酶 基 因 ( GmAOS) 及 其 启 动 子 的 克 隆 与 分 析 [ J]. 作 物 学 报 ꎬ2011ꎬ 37 ( 2 ): [20] 宋 杨 ꎬ 张 艳 敏 ꎬ 陈 学 森 ꎬ 等. 短 枝 型 苹 果 MdRGL 基 因 的 克 隆 及 原 核 表 达 分 析 [J]. 中 国 农 业 科 学 ꎬ2012ꎬ45(7): [21] 毕 慧 慧 ꎬ 王 根 平 ꎬ 王 成 社 ꎬ 等. 单 子 叶 植 物 RNA 干 扰 和 过 表 达 Gateway 载 体 的 构 建 [ J]. 植 物 资 源 遗 传 学 报 ꎬ2013ꎬ14 (1): [22] 付 蕾 ꎬ 王 明 林 ꎬ 高 吉 刚 ꎬ 等. 苹 果 幼 树 4 种 內 源 激 素 周 年 发 生 动 态 研 究 [J]. 山 东 农 业 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版 ꎬ2000ꎬ31(2): [23] 毕 桂 红 ꎬ 吴 耕 西 ꎬ 张 国 珍. 苹 果 幼 树 内 源 生 长 素 脱 落 酸 的 周 年 变 化 [J]. 山 东 农 业 大 学 学 报 ꎬ1995ꎬ26(1):98 102

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