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2020 , Vol. 41 >Issue 1: 89 - 96

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.01.013

生物技术与组织培养

香蕉MaARF2基因的克隆及序列表达分析

  • 黄东梅 ,
  • 许奕 ,
  • 吴斌 ,
  • 马伏宁 ,
  • 陈弟 ,
  • 李敬阳 ,
  • 林妃 ,
  • 宋顺 , *
展开
  • 中国热带农业科学院海口实验站/海南省香蕉遗传改良重点实验室,海南海口,571101
* 宋 顺,E-mail： 。

黄东梅（1986—）,女,硕士,助理研究员,主要研究方向：热带作物遗传育种。

收稿日期: 2019-01-31

  要求修回日期: 2019-05-06

  网络出版日期: 2020-01-21

基金资助

海南省自然科学基金项目(317226)

国家科技支撑计划子课题“柑桔、香蕉等(亚)热带果树优质高效生产关键技术研究与示范”(2014BAD16B01)

版权

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
收起

Cloning and Sequence Expression Analysis of MaARF2 Gene in Banana

  • HUANG Dongmei ,
  • XU Yi ,
  • WU Bin ,
  • MA Funing ,
  • CHEN Di ,
  • LI Jingyang ,
  • LIN Fei ,
  • SONG Shun , *
Expand
  • Haikou Experimental Station, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Hainan Key Laboratory of Banana Genetic Improvement, Haikou, Hainan 571101, China
* SONG Shun,E-mail： 。

Received date: 2019-01-31

  Request revised date: 2019-05-06

  Online published: 2020-01-21

Fold

摘要

利用RT-PCR方法从巴西蕉（Musa acuminata L. AAA group, cv. Brazilian）中克隆MaARF2基因,并对其进行序列及表达分析。基因克隆结果获得该基因编码片段,命名为MaARF2,全长2655 bp,编码884个氨基酸,分子量为97 917.38 Da,理论等电点pI为6.64,序列富含丝氨酸、脯氨酸,亲水性氨基酸多于疏水性氨基酸并均匀分布在整个肽链中;通过Motif Search工具发现了ARF基因所特有的B3、Auxin_resp、AUX_IAA family结构域;多序列比对和进化树分析表明,MaARF2基因编码的蛋白与其他植物中ARF基因编码的蛋白具有较高的一致性。qRT-PCR结果表明,MaARF2在香蕉根、茎、叶、花和果实中均表达, 其中叶片中表达水平最高,果实表达量最低;MaARF2在低温、盐和干旱胁迫后表达量均上调,表明其可能参与调控香蕉低温、盐和干旱胁迫响应的过程。本研究首次在香蕉中克隆了MaARF2基因,为进一步研究该基因的生物学功能奠定了基础。

关键词： 香蕉; 生长素响应因子; 克隆; 序列分析

本文引用格式

黄东梅 , 许奕 , 吴斌 , 马伏宁 , 陈弟 , 李敬阳 , 林妃 , 宋顺 . 香蕉MaARF2基因的克隆及序列表达分析[J]. 热带作物学报, 2020 , 41(1) : 89 -96 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.01.013

Abstract

An auxin response factor gene from banana designated as MaARF2 was amplified by RT-PCR, and its sequence and expression were analyzed. Sequence analysis indicated that the length of the MaARF2 ORF was 2655 bp, encoding 884 amino acids, the protein molecular weight was 97 917.38 Da, and the theoretical isoelectric point pI was 6.26. The amino acid sequence encoded by this gene was rich in serine and proline, and the hydrophilic amino acid was more than the hydrophobic amino acid and evenly distributed in the whole peptide chain. Through the Motif Search tools three domains including B3, Auxin_resp, and AUX_IAA family conformed to the structural features of ARF were found. Multiple sequence alignment and phylogenetic tree analysis showed that the protein encoded by MaARF2 was highly consistent with the protein encoded by ARF in other plants. qRT-PCR results showed that MaARF2 was expressed in banana roots, stems, leaves, flowers and fruits, among which the expression level in leaves was the highest and the expression level in fruits was the lowest. The expression of MaARF2 was up-regulated after low temperature, salt and drought stress, indicating that MaARF2 may be involved in the regulation of responses to these stresses in bananas. MaARF2 was firstly cloned in this study, which would lay a foundation for further research on the biological function of this gene.

Key words： banana; auxin response factor; clone; sequence analysis

香蕉是世界鲜果贸易量和消费量最大的水果,也是我国热区第一大水果和热带农业的支柱产业[1]。生长素相应因子（auxin response factor,ARF）是一类能够特异结合生长素响应基因启动子区域的元件AuxREs的TGTCTC/GAGACA结合并发挥激活或抑制作用的转录因子[2]。ARF由B3、Auxin_resp以及AUX_IAA family 3个结构域组成[3]。ARF家族除了参与植物多种代谢途径和生长发育过程,包括植物器官叶片、根等的形成以及果实生长发育等,还在植物响应胁迫相关代谢途径或信号通路中发挥作用[4,5,6,7]。在香蕉A基因组数据库中共鉴定出47个ARF家族成员,较多的ARF成员报道是在香蕉受到旱害、冷害、盐碱等胁迫后上调表达,其家族成员可作为抗逆育种的重要备选基因[8]。
ARF2是一个多效性的转录因子,在所有组织中均有表达。ARF2在拟南芥和番茄中与植物叶片衰老[9]、花器官衰落[10]、侧根的形成[11]、果实成熟[12]相关。拟南芥ARF2突变株与野生型植株相比表现出多效性发育表型,包括长下胚轴、大的深绿色的莲座叶、大组织器官、植株更高、延迟开花、粗长的花序、早期形成的花、花形异常和不育、植株延缓死亡和脱落[13]。ARF2与植物响应尖孢镰刀菌侵染相关,其突变株在尖孢镰刀菌侵染后比野生型表现出更好的抗性[14]。在番茄中过表达ARF2A会导致斑点性成熟,而ARF2A沉默则会导致果实成熟抑制[15]。在番茄和拟南芥中,ARF2的活性被Aux/IAA3调节,并与生长素-乙烯信号转导通路相关[16,17]。此外,ARF2还是一些miRNA的靶基因,在转录后调控中发挥作用[18]。由此可见,ARF2在植物生长发育及多个信号通路中发挥重要作用。
本研究根据同源基因功能相似的原理,以拟南芥等模式植物作为参照,克隆香蕉ARF基因家族的MaARF2基因,通过生物信息学方法分析MaARF2基因序列和其编码的氨基酸,获得其蛋白结构,并推测其生物学功能,同时对其表达模式及其在低温胁迫、盐胁迫以及干旱胁迫下的表达情况进行初步分析,为进一步研究该基因的生物学功能奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验材料 将巴西蕉（Musa acuminata L. AAA group, cv. Brazilian）组培苗培养至“五叶一心”,经过无菌水多次清洗,取茎叶组织用液氮速冻,碾磨提取RNA,其余材料保存于-80 ℃冰箱。香蕉组培苗来源于中国热带农业科学院热带生物技术研究所香蕉课题组。
1.1.2 试剂盒、酶和化学试剂 从天根（TIANGEN）公司购买RNA分离试剂盒（DP441）,从Fermentas公司购买反转录试剂盒RevertAidTM First Strand cDNA Synthesis Kit（K1622）和限制性内切酶,从TaKaRa公司购买DNA高保真聚合酶PrimeSTAR® Max DNA Polymerase和Ex Taq,从TaKaRa公司购买TA克隆载体（pMD19-T）,感受态细胞（JM109）为实验室制备和保存。从Axygen公司购买质粒提取试剂盒和DNA回收试剂盒,北京中科瑞泰公司购买DNA Marker,其他化学药品为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 总RNA提取及cDNA的获得 将实验材料用液氮研磨至白色粉末,利用植物总RNA分离试剂盒（DP441）提取总RNA。使用RevertAidTM First Strand cDNA Synthesis Kit （K1622）进行反转录获得cDNA,cDNA保存于-80 ℃冰箱中。
1.2.2 目的基因的获得 根据同源克隆的原理,将拟南芥ARF2基因（ID：At05_g62000）编码的氨基酸序列,通过香蕉A基因组数据库（http:// banana-genome-hub.southgreen.fr/pahang_v2）Blast,获得同源基因Ma06_t17950.3（MaARF2）,根据其序列利用NCBI Primer-BLAST 工具设计引物,引物序列为A2F和A2R（A2F：5°-ATGGATTCCG GTGAGCTCG-3°;A2R：5°-AAAAGCCGTGCCA ATACTTGG-3°）,以cDNA为模板扩增MaARF2基因全长,扩增条件：98 ℃预变性3 min;32个循环的98 ℃ 10 s,62 ℃ 5 s,72 ℃ 30 s; 再加入1 μL Taq酶,72 ℃延伸20 min[19]。PCR产物琼脂糖凝胶电泳后利用回收试剂盒切胶回收,连接克隆载体pMD19-T,转化JM109感受态细胞,PCR鉴定,对鉴定阳性的克隆,回收并送至生工测序公司测序分析。
1.2.3 生物信息学分析 利用DNAMAN对测序的基因序列推导其编码的氨基酸序列;利用在线软件ExPASy-ProtParam tool（https://web.expasy. org/protparam/）分析该基因的蛋白理化性质;利用在线软件Protscale（http://www.expasy.ch/tools/ protscale.html/）分析MaARF2编码的蛋白的疏水性和亲水性;利用在线软件PredictProtein（https:// www.predictprotein.org）分析蛋白质的二级结构及亚细胞定位;利用在线软件SWISS-MODEL（https: //swissmodel.expasy.org/）分析蛋白质三级结构;利用在线软件分Motif Search（http://www.genome. jp/tools/motif/）对推导的MaARF2氨基酸序列进行生物学功能的位点分析。将MaARF2推导的氨基酸序列序列在NCBI数据库中的Protein BLAST进行同源性搜索和比对;利用Clustal X2.1和GeneDoc进行MaARF2蛋白与其近源物种的ARF2氨基酸序列比对,并利用MEGA 5.1软件,进行 ClustalW多重序列比对,Neighbor-joining 法构建系统发育树,分析其进化关系[19]。
1.2.4 MaARF2的组织表达分析 将巴西蕉“五叶一心”期小苗的根、茎、叶片、花和果实采集后液氮保存,所有材料提取总RNA,采用qRT-PCR 方法对其进行组织特异性表达分析。以香蕉MaActin片段为内参。qRT-PCR反应中MaARF2引物序列为A2QF：5°-GGTGGCCTGG TTCAAAATGG-3°和A2QR：5°-AAAGGAGGTTG TTCGTGGCT-3°;内参基因引物序列为MaActinF：5°-CGAGGCTCAATCAAAGA-3°;MaActinR：5°-ACCAGCAAGGTCCAAAC-3°。采用2-ΔΔCT法计算相对表达量。
1.2.5 MaARF2响应不同胁迫的表达特性分析 以巴西蕉“五叶一心”期小苗为材料分别进行低温胁迫、盐胁迫和干旱胁迫处理,进行MaARF2响应不同胁迫的表达特性分析。试验均安排了3次重复。低温胁迫：4 ℃低温处理22 h;盐胁迫：300 mmol/L NaCl处理7 d;干旱胁迫：200 mmol/L甘露醇模拟干旱处理7 d[20]。处理完毕后取叶片组织进行MaARF2的定量表达分析。

2 结果与分析

2.1 MaARF2的克隆和鉴定

以巴西蕉茎叶组织混合cDNA为模板,以A2F和A2R为引物,PCR手段克隆获得约2600 bp长度的条带,PCR结果如图1所示。将片段回收克隆至T载体后测序结果显示,该片段长度为2655 bp,将测序结果与香蕉A基因组数据库V2版本中比对,该序列与基因编号为Ma06_t17950.3的序列完全一致,表明成功克隆到目的基因片段。
图1 MaARF2基因克隆PCR鉴定

Fig. 1 Result of PCR in MaARF2 cloning

2.2 生物信息学分析

2.2.1 MaARF2编码蛋白质理化性质分析 利用ExPASy-ProtParam 软件分析MaARF2蛋白质理化性质,MaARF2基因编码884个氨基酸,分子量为97 917.38 Da,理论等电点pI均为6.64,分子式为C4311H6705N1219O1316S39;不稳定指数（instability index）为54.38,表明该蛋白不大稳定;脂肪族指数（Aliphatic index）为65.25,亲水性平均系数（grand average of hydropathicity,GRAVY）值为-0.554,表明该蛋白为亲水性蛋白。
利用Expasy的Protscale软件分析MaARF2编码的蛋白质产物的亲水疏水性分析,对氨基酸序列进行统计,其中MaARF2蛋白的非极性氨基酸共350个,疏水性氨基酸占总氨基酸比例39.6%,极性氨基酸共312个,碱性氨基酸共122个,酸性氨基酸共100个。MaARF2蛋白的氨基酸的组成比例见图2,富含丝氨酸（S）、脯氨酸（P）,甘氨酸（G）,其中丝氨酸占比最高为10.29%,半胱氨酸占比最低为1.36%。MaARF2蛋白亲水疏水性分析如图3所示,亲水性氨基酸（包括极性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸）数量高于疏水性氨基酸。与之前预测的总的亲水性平均系数（GRAVY）值的预测结果相一致。
图2 MaARF2编码蛋白的氨基酸组成

Fig. 2 Components of amino acids encoded by MaARF2

图3 MaARF2编码蛋白的亲水疏水性分析

Fig. 3 Hydrophilic and hydrophobic analysis of protein product encoded by MaARF2

二级结构组成中α-螺旋（helix）占6.45%,β-折叠（strand）占14.14%,环与无规则卷曲（loop）占79.41%,因此环与无规则卷曲及β-折叠是香蕉ARF2蛋白的主要结构与元件,预测的亚细胞定位结果为细胞核,符合转录因子的定位。三级结构预测结果如图4所示。
图4 MaARF2蛋白三级结构预测

Fig. 4 Three-dimensional structures of MaARF2 protein

2.2.2 MaARF2 编码蛋白质的Motif分析 通过Motif Search工具（http://www.genome.jp/tools/ motif/）对推导的MaARF2氨基酸序列进行生物学意义的位点分析（图5）,在氨基酸序列172~273位点之间预测到1个B3 DNA 结合区域（DNA binding domain）,在298~380位点预测到Auxin_response factor,在703~834位点预测到1个AUX_IAA family。根据预测结果,符合ARF的结构特点。
图5 MaARF2蛋白序列Motif预测分析

Fig. 5 Motif prediction from the deduced amino acid sequence of MaARF2

2.2.3 MaARF2氨基酸序列比对 利用Clustal X2.1和GeneDoc将MaARF2 cDNA推导的氨基酸序列与NCBI中已登录的其他高等植物的ARF2 like蛋白进行氨基酸序列比对,包括拟南芥（Arabidopsis thaliana）NP_851244.1、油棕（Elaeis guineensis）XP_010929664.1、海枣（Phoenix dactylifera）XP_008791039.1、番茄（Solanum lycopersicum）NP_001233765.1、粳稻（Oryza sativa Japonica Group）CAC83756.1、大豆（Glycine max）XP_003525433.1,结果如图6所示,结果显示它们在保守区域具有高度的同源性。
图6 不同植物ARF2 like蛋白多重氨基酸序列比对分析

Fig. 6 Multiple amino acid sequence alignments of ARF2-like proteins in several plant species

2.2.4 MaARF2进化树分析 利用Protein BLAST将MaARF2 cDNA推导的氨基酸序列与NCBI中已登录的其他高等植物的ARF基因进行氨基酸序列比对,结果表明,MaARF2编码的氨基酸序列与油棕Elaeis guineensis XP_010929664.1、海枣Phoenix dactylifera XP_008791039.1、荷花Nelumbo nucifera XP_010249209.1、菠萝Ananas comosus XP_020106699.1、罂粟Papaver somniferum XP_026385608.1、甜橙Citrus sinensis NP_001275789.1、芦笋Asparagus officinalis XP_020261175.1、落花生Arachis duranensis XP_015955707.1、粳稻Oryza sativa Japonica Group CAC83756.1、大豆Glycine max XP_003525433.1编码的氨基酸序列具有较高的一致性,分别为70%、70%、65%、64%、64%、63%、63%、62%、61%、60%。利用Clustal X2.1和MEGA5.1软件,将MaARF2所编码的氨基酸序列与其他植物中的与该序列同源的氨基酸序列进行了系统进化树的比对分析。结果表明香蕉MaARF2与上述的等高等植物的同源基因有较近的同源关系,具体的进化关系见图7。
图7 基于ARF2氨基酸序列的不同植物的进化树分析

Fig. 7 Phylogenetic relationships of in plants based on protein sequences of ARF2

2.3 MaARF2的组织表达分析

对巴西蕉不同组织MaARF2的表达水平进行qRT-PCR分析。结果表明,MaARF2在巴西蕉的根、茎、叶、花和果实中均有表达,为组成型表达,如图8所示,该基因在不同组织部位中的表达水平顺序依次为叶>根>茎>花>果实。
图8 MaARF2的组织表达分析

Fig. 8 Tissue-specific expression analysis of MaARF2

2.4 MaARF2响应外源胁迫下的表达情况分析

为进一步了解该基因的功能,对MaARF2响应非生物胁迫包括低温胁迫、盐胁迫以及干旱胁迫下的表达情况进行分析,结果如图9所示。结果表明香蕉MaARF2的表达受低温胁迫、盐胁迫以及干旱胁迫诱导,表达量分别提高了9.5倍、4.0倍和13.7倍。
图9 MaARF2响应外源胁迫下的表达情况

Fig. 9 Expression of MaARF2 response to exogenous stress

3 讨论

香蕉是热带重要的水果和粮食作物,也是各学科研究的重要作物对象,其基因资源的挖掘和利用在生长发育相关领域具有重要意义。大量的研究表明,ARF作为生长素响应的转录因子,影响植物生长过程中各器官和组织的生长发育,在花器官及维管组织、叶器官、果实等的生长发育及植物抗逆中发挥作用[21]。本研究克隆的ARF2基因是一个多效性的转录因子,在植物的生长发育、抗逆性及多个信号通路中发挥作用[22]。
本研究通过同源克隆得到香蕉生长素响应因子家族的MaARF2基因,对其序列推导蛋白的氨基酸组成分析发现其富含丝氨酸、脯氨酸、甘氨酸等,Guilfoyle等[23]提到ARF中间区富含谷氨酰胺、丝氨酸和亮氨酸残基的ARF蛋白具有转录激活功能;而如果中间区富含色氨酸、脯氨酸、亮氨酸和甘氨酸等残基,则该ARF蛋白具有抑制作用。因此推测香蕉ARF2其具有转录抑制功能,前人的研究结果[24]表明ARF2是植物地上部分组织器官细胞分裂的抑制子,可能通过负调节与细胞生长和衰老相关的信号通路下游的基因转录来实现,我们的推测与他人在其他作物中的研究结果一致。亚细胞定位预测结果为细胞核,符合转录因子在细胞核内发挥作用的特点。通过Motif Search工具对序列进行生物学意义位点分析发现,MaARF2蛋白的氨基酸序列上具有典型ARF的B3 DNA结合结构域、Auxin_response factor结构域以及AUX_IAA family结构域,符合ARF蛋白的结构特点,ARF与AuxRE是正是通过B3 DNA识别而结合,C-末端的AUX_IAA family结构域对ARF的功能也发挥重要的作用,其可以形成 ARF-ARF、ARF-Aux/IAA 二聚体互作,在低的生长素（Auxin）水平时,Aux/IAA、协同抑制子TOPLESS（TPL）和ARF蛋白结合,抑制生长素响应基因的表达;而在高生长素水平时,Aux/IAA和SCFTIR1/AFB形成复合子,被 26S 蛋白酶降解,ARF蛋白被释放从而调控生长素响应基因的表达[25]。通过NCBI的Blast工具分析其氨基酸序列的同源关系,发现其与其他高等植物包括模式植物或大宗作物的拟南芥、粳稻、大豆和番茄等的ARF2 like蛋白的氨基酸序列在保守区域具有较高同源性,进化树结果也表明它们的序列相似性高,具有一定的亲缘关系,可为其基因功能的预测作参考。
ARF2是一个多效性的转录因子,参与植物的多个生长发育过程。ARF2是组成型表达,在多个组织部位均有表达,Ren等[11]研究结果表明番茄SlARF2在所有部位均有表达,尤其在花中表达量最高;姜倩倩等[26]的研究结果也同样表明平邑甜茶MhARF2为组成型表达,且在叶片中的表达水平最高。本研究结果与前人研究结果一致,香蕉MaARF2在几个不同的组织中均有表达,故推测为组成型表达,同时在不同的组织部位的表达水平有差异,以叶片中的表达水平最高,表明该基因可能在香蕉不同组织及生长发育不同时期中发挥着不同的调控功能。
ARF在生长素信号传导过程中的作用已明确,生长素浓度时ARF与AUX/IAA蛋白质结合形成不活化的异源二聚体,阻止早期基因的转录,生长素浓度较高时,AUX/IAA抑制子可以被SCFTIR复合体识别,泛素连接酶被活化,导致AUX/IAA蛋白泛素化,ARF与早期基因启动子的生长素响应元件结合,从而调节下游基因的表达[7]。多个研究表明,ARF2在植物逆境胁迫调控中发挥作用。ARF2可参与拟南芥抗低钾胁迫过程,低钾条件下原本结合到K+转运蛋白基因HAK5的启动子区以抑制HAK5表达的ARF2蛋白被磷酸化,HAK5得以表达,促进K+的转运[27];ARF2及其调控的同源域基因HB33介导拟南芥ABA应答[22];ARF2还与PLTs和PINs协调作用于ABA介导的根尖分生组织活性的调控[28];ARF2是整合植物对干旱胁迫反应的分子链,ARF2-ANT-COR15A协同形成ABA介导的信号通路,调控拟南芥种子的抗旱性[29]。本研究中,qRT-PCR结果显示MaARF2响应低温胁迫、盐胁迫和干旱胁迫,表达量上升,表明MaARF2可能参与该几种胁迫调控过程,具体的调控机理有待进一步研究。

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