水稻同源异型域转录因子OsHox9的反向遗传学分析

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1、中国水稻科学(ChinJRiceSci), 20 14,28(3 ): 223-228 http:/www. ricesci. cn322DOI: 1 0.3 9 6 9 /j. issn.1001G7216.20 14.03.001水稻同源异型域转录因子OsHox 9的反向遗传学分析艾丽萍 中奥 高志超李政龙孙琼琳栾维江*(天津师范大学生命科学学院/天津市动植物抗性重点实验室,天津3 0 0 3 8 7;*通讯联系人,EGmail:lwjzsq/163. com)ReverseGeneticsAnalysisoftheTranscriptionFactorOsHox 9 ,aMemberof

2、 HomeoboxFamily,inRiceAILi G ping,SHENAo,GAOZhi G chao,LIZheng G long,SUNQiong G lin,LUANWei Gjiang* (CollegeofLifeScience,TianjinNormalUniversity/TianjinKeyLaboratoryofAnimalandPlantResistance,Tianjin 3 0 0 3 8 7, China;* Correspondingauthor,E Gmail:lwjzsq16 3. com)AILiping,SHENAo,GAOZhichao,etal.

3、ReversegeneticsanalysisofthetranscriptionfactorOsHox 9 ,amemberof homeoboxfamily,inrice. ChinJRiceSci, 2 0 1 4,2 8(3 ):2 2 3G2 2 8.Abstract:Thehomeoboxtranscriptionfactorsplayimportantrolesinthegrowthanddevelopmentoftheplants, involvedinregulationofcelldifferentiation,thearchitectureofmorphogenesisa

4、ndresponsetoenvironmentalsignalsin plants. Tostudythefunctionofthesetranscriptionfactorsinrice,weconstructedRNAivectorsofOsHox 9 and analyzedthefunctionofOsHox 9bythereversegeneticsmethod Theresultsshowedthattheheightandtillernumber ofRNAitransgenicplantsweredecreasedincomparisonwithwildtypeplants R

5、ealGtimePCRanalysisshowedthatOsHox 9 expressionlevelwasdownregulatedintransgenicplantswithphenotype. However,theexpressionlevelof OsHox 9 intransgenicplantswithoutphenotypewassimilartowildtypeplants,suggestingthatthephenotypesof transgenicplantswerecausedbyRNAieffects Inaddition,wealsoanalyzedtheexp

6、ressionpatternofOsHox 9in differentorgansofriceTheresultsshowedthatOsHox 9wasexpressedindifferentorgans,especiallydisplayedhigh expressionlevelinstemapicalmeristemsandyoungpanicles ToinvestigatethesubcellularlocalizationofOsHox 9,we constructedthefusedvector 3 5 S:OsHox 9G GFPtointroduceintoleavesof

7、tobacco. Thetransientexpressionresult showedOsHox9waslocalizedonthecellmembraneKeywords:rice;OsHox 9;RNAi;expressionanalysis艾丽萍,申奥,高志超,等.水稻同源异型域转录因子OsHox 9的反向遗传学分析.中国水稻科学,2 0 1 4,2 8 ( 3):2 2 3 G 2 2 8.摘要:同源异型域(Homeobox,HB)转录因子对于植物的生长发育具有重要的调控作用,主要涉及细胞分化、形态建成、内外环境信号应答等多个方面.为了研究该转录因子家族成员在水稻中的功能,构建了该家

8、族成员OsHox 9基因的RNAi表达载体,利用反向遗传方法分析该基因的功能.与野生型对照植株相比,RNA i转基因植株株高变矮,分蘖数减少.实时PCR表达分析表明OsHox 9基因在有表型转基因植株中的表达下调,但在没有表型转基因植株中OsHox 9表达量与野生型 植株差异不显著,说明RNA i载体起到了干涉作用,转基因植株的表型是由RNAi造成的.组织特异性表达分析表明OsGHox9在水稻的根、茎、叶、茎顶端分生组织及不同时期的幼穗中均有表达,但在茎顶端分生组织及幼穗中表达量较高.为了查明OsHox 9的亚细胞定位,构建了。sHox 9与绿色荧光蛋白GFP的融合载体并导入烟草叶片中进行瞬时

9、表达,结果表明OsHox 9定位于细胞膜上,在细胞膜上起作用.关键词:水稻;OsHox 9 ;RNA干涉;表达分析中图分类号:Q 7 5 5 ;S 5 1 1 0 3 2文献标识码:A文章编号:10 0 1G 7 2 1 6 (201 4) 03G0223G06同源异型域(Homeobox,HB)转录因子在动植 物生长发育中起重要的作用.该转录因子包含一个 高度保守的同源异型域(Homeodomain,HD),该 结构域由6 0个保守的氨基酸组成1 .根据HD基 序序列、位置、两侧序列同源性的差异以及HB中其他保守结构域的不同一般可将植物HB转录因子家 族分为亮氨酸拉链同源异型域转录因子(Ho

10、meG odomain G leucine G zipper,HD G Zip)、Knotted相关同 源异型域转录因子(knotted G likehomeobox,KNOX)、植物指形同源异型域转录因子(plant收稿日期:2014G01G03;修改稿收到日期:2014G02G基金项目:国家自然科学基金资助项目(31171515 );天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目(11 JCZDJC 1 7 9 0 0 );天津市高校中 青年骨干创新人才培养计划资助项目(2013G12015G12).homeodomain G finger,PHD G Finger)、Bell同源异型 域转录因

11、子(bellhomeodomain,Bell)、Wuschel相 关同源异型域转录因子(Wuschel G relatedho Gmeobox,WOX)和锌指同源异型域转录因子(zinc finger G homeodomain,ZF G HD)六大类.其中,HD G Zip是近年来高等植物中发现的一类特有的转录因 子2G5 ,它们在植物的各个组织器官中均有表达6G9 . HD G Zip转录因子中,HD和LZ结构域的空间排列 在真菌和动物中均没有发现,由此可见,HD G Zip在 高等植物特有的发育过程中起着特殊的作用.HD GZip按编码蛋白基因结构、基序、识别结合特异性 DNA序列及生理

12、功能的差异,可以分为四个亚家族 (HDGZipl、HD G Zip II、HDGZiplll、HDGZipW4), 其中,HDGZiplll与I、II亚类存在很大的基因结构 差异,通常识别的DNA序列为GTAAT(G/C)ATTAC10 .HDGZipIII在植物顶端分生组织的分化、 生长素的极性运输、维管组织的形成、近轴区域侧部 器官以及胚胎发育等过程中起重要调控作用5,11. 拟南芥中HDGZiplll亚家族有5个成员,分别为ATHB8、REV、CAN、PHB、PHV 5 ,这些成员在拟 南芥发育进程中功能有所冗余,起着部分重叠或拮 抗的功能12 .水稻中HDGZiplll亚家族有OsHo

13、x 9、OsHox 10、OsHox 29、OsHox 32、OsHox 33 五个成员,目前这些成员的功能仍不明确.本研究通过反向遗传学方法对该家族中OsHox 9成员的 功能进行探索,并分析了其表达模式及具体作用部 位,结果表明该基因在水稻生长发育过程中起重要 作用.1材料与方法1.1材料本研究所用的野生型及相关转基因植株的遗传 背景都为粳稻品种中花11 (OryzasativaL. ssp.japonicacv. Zhonghua 11),材料种植于天津市农 业科学院试验田,常规管理.1.2 总RNA的提取与cDNA的合成SRNA用 TRIzol(Invitrogen 公司)试剂提 取,

14、用DNase I (NEB公司)消化基因组DNA. 2 院处理后的RNA用M G MLV反转录酶(TaKaRa) 反转录成cDNA.1.3载体构建RNAi载体的两段干涉特异片段从15 d大小 水稻幼苗cDNA中PCR扩增获得,正向片段由引WlHox 9 F 1 , 5 G CGTCggatccAATGATGATGGTT GGTCTGG3 IHox 9R1 ,5 GTCGCggtaccCATCTA TTCCAGTGCAAAGCG3,获得,反向片段由引物 IHox 9 F 2 : 5 G CGTCgagctcCAATGATGATGGTTG GTCTGG3 IHox 9R2,5 GCGGCactag

15、tCATCTATT CCAGTGCAAAGCG3 (小写字母为酶切位点)获 得.PCR条件如下:9 8C下1 min; 9 8C下10 s,6 0,C下15 s, 7 2,C下4 0 s,运行3 5个循环后7 2C下7 min.扩增的两段干涉特异片段分别连入RNAi 空载体pCAMBIA13 8中,酶切检测和测序正确后 电击转入农杆菌EHA 10 5中,用农杆菌介导的遗传 转化方法导入水稻中花11中13.1.4 转基因植株的分子检测转基因植株叶片DNA的提取参考卢扬江等方 法14 ,略有改动15 .提取DNA作模板用潮霉素特 异引物进行PCR扩增,引物序列分别为HygF, 5 G CTTCTG

16、CGGGCGATTTGTG3 HygR, 5 G CAGCGTCTCCGACCTGATG3 .PCR条件如下:9 5C 下1 min; 94C 下 30 s, 57C 下 30 s, 72C 下 30 s,运行3 2个循环后7 2C下7 min.1.5 RTGPCR 分析在RNA i转基因植株的表达分析中,RNA从水 稻植株的叶片中提取;在水稻组织特异性表达分析 中,RNA分别从水稻根、茎、叶、茎顶端分生组织、不 同时期的幼穗中提取,反转录成cDNA后用于实时PCR和RTGPCR模板.引物序列均为OsHox 9 F:5 GGCTCGGAGAAGACAACAATGG3 OsHox 9 R:5 G

17、 GCACACACTCTTTACAGGCA G3 .实时PCR 按照SYBRGreenPCR预混液(Tiangen,北京)试剂盒说明操作,并用2一Ct方法进行相对定量分 析,重复3次.实时PCR扩增条件为9 5C下10min; 9 5C下 20 s, 60C下 60 s, 40 个循环.RTGPCR 反应条件为9 5C下1 min; 94C下30 s, 56C下30 s, 7 2C下30 s,运行32个循环后7 2C下7 min.以 水稻OsActin 1内参相对定量,内参基因引物为OsActinF(5GGACTCTGGTGATGGTGTCAGCG 3 )和 OsActinR( 5 G GGC

18、TGGAAGAGGACCTCA GGG3 ).RTGPCR反应条件为 9 5C下1 min; 94C 下3 0 s, 5 6C下30 s, 72C下30 s运行24个循环后 7 2CT7min.1.6 OsHox 9的亚细胞定位对于瞬时表达载体的构建,RNA从15 d秧龄 水稻幼苗茎顶端分生组织中提取,PCR扩增5 2 2艾丽萍等:水稻同源异 型域转录 因子OsHox 9 的反向遗 传学分析OsHox 9完整ORF(去除终止密码子),所用引物为 FHox 9 F( 5 GTTAgagctcTGGTGGTGGAGGAGGA GGATG3 )和 FHox 9 R( 5 G ACTgtcgacCAC

19、GAAGG ACCAGTTGACGAG3 f)(小写字母为酶切位点序 列),PCR条件为 9 8C下 3 0 s; 9 8C下10 s, 5 9C下 15 s, 7 2C下2 min运行3 3个循环后7 2C下7 min. 扩增的特异片段克隆到空载体pCAMBIA 3 5 S: GFP中与GFP基因融合.测序鉴定正确的目的载 体pCAMBIA 3 5 S:OsHox 9GGFP注射烟草叶片, 注射3 d后在共聚焦显微镜下观察.2结果与分析2.1 OsHox 9 RNAi表达载体的构建为了揭示OsHox 9的功能,通过构建RNAi载 体进行反向遗传学分析(图1G A). 4 4 1 bpOsHo

20、x 9 特异干涉片段利用RTGPCR方法从水稻幼苗中获 得,通过凝胶电泳检测发现目的条带符合我们预期 结果(图1GB) .首先将正向特异干涉片段用BamH I和Kpn 1与RNA i空载体pCAMBIA 13 8 1连接 后获得中间载体,再将反向特异干涉片段用Spe I 和Sac 1与获得的中间载体连接获得最终的pCAMBIA 13 8 1G OsHox 9 RNAi表达载体.连接好 的重组载体进行酶切鉴定,按预期用BamH I和Sac I可切出约1 3 0 0 bp的片段,酶切结果与预期相 符(图1GC),说明正向和反向目的片段已连接到空 载体中;进一步用PCR方法验证,结果表明每个克 隆都

21、扩增出了预期的4 4 1bp大小的目的条带(图1GD),后经测序验证表明特异干涉片段已正确连接到载体中,可以进行下一步的转基因工作.2.2 转基因植株的PCR检测将构建好的pCAMBIA 13 8 1G OsHox 9 RNAi载 体用农杆菌介导的遗传转化方法转入水稻品种中花 11中,共获得了16个独立株系的10 4株T 0代 RNAi转基因植株.为了检测构建的RNA i载体是 否整合到水稻基因组中,我们提取这些转基因植株 的基因组DNA,用载体中特异的潮霉素基因引物, 对T0代转基因植株进行PCR检测,结果表明10 4 株转基因植株中有8 1株为转基因阳性植株(图2), 阳性率约为7 8%.

22、2.3转基因植株的表型观察及表达分析随机种植7个独立T 0代RNAi转基因阳性植 株获得T 1代转基因株系,观察T 1代转基因株系表 型发现7个株系中有3个株系株高变矮,分蘖数减 少,并且抽穗日期有所推迟(图3GA、B).另外,转基 因植株的结实率也有所下降.为了验证转基因植株 表型是否由RNAi干涉所致,从植株叶片中提取7A-RNAi载体结构;LB TGDNA左边界;p 3 5 S 一花椰菜病毒3 5 S启动子;OsHox 9OsHox 9正向特异干涉片段;AntiGOsHox 9-OsHox 9 反向特异干涉片段;Loop 内含子序列;RBTGDNA右边界;B OsHox 9特异干涉片段P

23、CR扩增.C 构建好的RNAi载体的酶切鉴定.DRNAi载体PCR鉴定;13分别代表RNAi重组载体质粒;P 空载体质粒;MDNA标记.A,RNAivector;LB,LeftborderofTGDNA;p 3 5 S, 3 5 Spromoterofcaulimovirus;OsHox 9 ,ForwardinterferencefragmentofOsHox 9 ;Anti G OsHox 9 ,ReverseinterferencefragmentofOsHox 9 ;Loop,Intronsequence;RB,RightborderofTGDNA;B,AmplificationofO

24、sHox 9 interferencefragmentbyPCR;C,DetectionofenzymedigestioninRNAivector;D,DetectionofPCRinRNAivector; 1 3 ,RNAi recombinantplasmid;P,Blankplasmid;M,DNAMarker.图1RNAi载体的构建Fig.1.ConstructionofRNAivector.xo tw qer sr rr or e 8 v a e 481 14分别代表T 0代RNAi转基因植株;PRNAi重组载体质粒;WT一野生型中花1 1 ;CK ddH 2 O.1 14 ,RNA

25、itransgenicplants(T 0 );P,RNAirecombinantplasmid;WT,WildtypeZhonghua 11 ;CK,ddH 2 O. 图2 T 0代RNAi转基因植株PCR检测Fig.2.PCRdetectionoftheRNAitransgenicplantsofT0generation.TW V 3 S r-(De一 noEeqqxeM 瀛051 .r.o.o.o.o O.89.42.A一抽穗期;B 一成熟期;WT 一野生型中花11 ;RNAi一转基因植株;C和D RNAi转基因植株RTGPCR和实时PCR表达分析;1 7分别 代表7个独立T 1代RNA

26、 i转基因植株.A,Headingstage;BMaturestage;WT,WildtypeZhonghua 11 ;RNAi,Transgenicplants;CandD,RT G PCRandreal G timePCRanalysis ofOsHox 9 expressioninRNAitransgenicplants; 1 7 ,RNAitransgenicplantsofT 1 generationderivedfrom 7 independentT 0 generation. 图3 RNAi转基因植株的表型及表达分析Fig.3. Analysisofphenotypeandexp

27、ressioninRNAitransgenicplants.个独立株系转基因植株的RNA,用实时定量PCR和RTGPCR的方法检验OsHox 9表达量.结果表明OsHox 9在有表型的4、6、7三个株系中表达量明 显降低(图3GC),而在没有表型或表型不明显的转 基因株系(1,2,3,5 )中表达量与野生型植株基本相当(图3GC,D),说明RNAi载体可以正常工作,RNAi转基因植株的表型是由OsHox 9表达受到十 涉造成的.2.4 OsHox 9基因在水稻中的组织特异性表达分析 为了确定OsHox 9在水稻不同组织器官中的表达,分别提取水稻茎顶端分生组织、不同时期幼穗、根、茎、叶的总RNA

28、,反转录后用RTGPCR检测 其在水稻组织器官中的表达.结果表明OsHox 9 在水稻各个组织器官中均有表达,但表达量有差异. 比较而言,在茎顶端分生组织及早期幼穗中表达量 较高(图4 ),但在根和叶中表达量较低.2.5 OsHox 9亚细胞定位分析同源异型域转录因子在植物中的功能复杂,为 了解OsHox 9在细胞中起作用的部位,我们构建了 绿色荧光蛋白GFP与目的基因ORF融合载体.OsHox 9完整ORF序列(去除终止密码子序列)用 RT G PCR方法从水稻茎顶端分生组织cDNA中获 得,测序验证无误后连入空载体pCAMBIA3 5S: GFP中与 GFP读码框融合,载体经测序验证后转

29、入农杆菌中,然后注射烟草进行瞬时表达.激光共 聚焦显微镜观察结果表明,pCAMBIA3 5S:8w gq iq mQxoHaO1 nMo AaOM 茎顶端分生组织;P 1 8 cm幼穗;P 2 16 cm幼穗;P 3 25 cm幼穗;R根;S 茎;L 叶.M,Stemapicalmeristem;P 1 , 8 cmlongpanicle;P 2,16 cmlong panicle;P 3,25 cmlongpanicle;R,Root;S,Stem;L,Leaf.图4 OsHox 9在水稻不同器官中的表达Fig.4. ExpressionofOsHox 9 indifferentorgans

30、ofrice.OsHox 9GGFP融合表达载体在烟草表皮细胞的细 胞膜强烈表达(图5 GB),另外,在气孔细胞膜上也有 强烈表达(图5GC),而在空载体对照pCAMGBIA3 5S:GFP中,GFP荧光在整个细胞内均有表 达,没有特异性(图5GA).表明OsHox 9转录因子 在细胞膜上起作用,另外其在气孔中起作用说明 OsHox 9可能在水稻叶片中有很重要作用.3 讨论HD G Zip转录因子在植物的发育进程中起重要 的调控作用,有着复杂多样的生物学功能.例如拟 南芥AtHB G1转录因子调控叶片发育,AtHB G2调 控叶片形态发育、下胚轴的延伸、植株开花时间等. AtHB G6调控细胞

31、分裂与分化,AtHB G8调控维管组 织的早期发育4.胡萝卜胚胎发育也受到HDGZip 转录因子CHB 1 / 2 / 3 / 4 / 5 / 6的调控,其中CHB 2在 胚胎早期发育中起作用.番茄VaHox 1转录因子 调控形成层细胞到韧皮部的分化16.HDGZip转录 因子还具有对外界环境胁迫信号的应答生理功能, 例如拟南芥AtHBG2和AtHBG4调控光敏素相关的 光控制的生物过程,如诱导叶绿素的合成适应弱光 照等17.7 2 2艾 丽萍等:水 稻同源异 型域转录 因子 OsHox9 的反向遗 传学分析水稻中转录因子HD G Ziplll蛋白家族的功能还 不明确,为了揭示其在水稻生长发育

32、中的功能,我们 构建了OsHox 9的RNAi表达载体,导入水稻中获 得转基因植株,利用反向遗传学方法对HD G Ziplll家 族中的OsHox 9基因功能进行了初步探索.结果 表明OsHox 9在功能敲除条件下影响水稻生长和 发育,转基因植株表现株高降低,生育期推迟.OsG Hox 9基因组织特异性表达表明其在茎顶端分生组 织、幼穗中表达量较高,与前人研究结果一致18. 虽然OsHox 9是一个转录因子,我们的研究结果表 明其在细胞膜上发挥作用,尤其在叶片气孔中有强 烈的表达信号,说明该转录因子可能对于水稻叶片 的发育及生长起重要作用,但该基因如何调控水稻 的生长发育目前仍不清楚.下一步的

33、研究,尤其是 OsHox 9转录因子与其下游基因的相互作用的研 究,将有助于揭示OsHox 9在水稻生长发育中的功 能,对于全面洞察HDGZiplll转录因子家族在植株中 的功能具有重要意义.A一空载体pCAMBIA3 5S:GFP对照;B和CpCAMBIA 3 5 S:OsHox 9GGFP融合表达载体;B 一烟草表皮细胞细胞膜上表达;C 一气孔细胞 膜上表达.A,pCAMBIA 3 5 S:GFPemptyvetor;BandC,pCAMBIA 3 5 S:OsHox 9GGFPfusionvector;B,GFPexpressedonthecellmembraneofepidermalc

34、ell;C,GFPexpressedonthecellmembraneofstoma.图5 OsHox 9亚细胞定位Fig. 5. SubcellularlocalizationanalysisofOsHox 9.参考文献:1 JohannessonN,WangY,EngstromP. DNA G bindinganddim G erizationpreferencesofArabidopsishomeodomain G leucinezip G pertranscriptionfactorsinvitro. PlantMolBiol, 2 0 0 1,4 5 (1 ): 6 3G73.2 R

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