利用Red重组系统构建dsRNA原核表达体系抗烟草花叶病毒的研究

摘要

利用DNA重组技术，构建病毒基因发夹结构的RNA(hpRNA)(转录后均形成dsRNA)的植物表达载体，转化植物，获取抗病毒转基因植物是利用基因工程技术控制植物病毒病害的最有效策略。这一策略通常称为RNA介导的病毒抗性(RNA-mediated virus resistance)。RNA介导的病毒抗性的本质是一种转录后的基因沉默，也称为RNA干扰(RNA interference，RNAi)。与其他植物抗病毒基因工程策略相比，RNA介导的病毒抗性表型近乎免疫、抗性持久；且由于转基因植株中不存在有功能的病毒基因或蛋白，也不存在转基因mRNA的积累，因而不存在发生互补、异源包壳、协生和重组的风险，具有较高的生物安全性。尽管如此，但由于公众出于对转基因植物的生态风险和食品安全性的考虑，抗病毒转基因植物的应用仍然受到极大地限制。新近的研究表明，通过细菌原核表达dsRNA(HT115菌株，RnaseⅢ缺失体)同样能够干扰植物病毒的侵染，且与获得抗病毒转基因植物相比具有更高的安全性。 Rnase Ⅲ广泛存在于生物体中，它在dsRNA的加工中处于中心地位、参与RNA的降解、RNA沉默(负责产生microRNA或者siRNA)和许多其他的细胞生物活性。大肠杆菌中的Rnase Ⅲ由rnc基因编码。本研究利用Red重组系统，敲除了大肠杆菌JM109(DE3)和HMS174(DE3)PlysS菌株的rnc基因，构建和优化了dsRNA原核表达体系。并利用HT115原核表达系统表达了TMV不同功能基因区域的dsRNA，对不同功能基因dsRNA介导的病毒抗性进行了比较。研究结果有助于将原核表达dsRNA抗病毒体系进一步发展成为一种环境友好、高效便捷的控制植物病毒的新方法，解决目前植物病毒危害日益严重的问题。具体结果如下： 1、原核表达dsRNA抗病毒体系的构建 (1)突变体的构建：利用Red重组系统，设计引物RnaseⅢ50-5和RnaseⅢ50-3，分别以pKD3和pKD4质粒为模板，使用KOD-plus高保真酶进行PCR，扩增带有氯霉素抗性和卡那霉素抗性基因的打靶线性DNA片段，将JM109(DE3)和HMS174(DE3)PlysS菌株rnc基因进行敲除，获得缺失Rnase Ⅲ的突变体M-JM109和M-HMS174。在M-JM109突变体的基础上，设计引物LacY-5和LacY-3对M-JM109突变体LacY基因进行敲除，获得LacY基因缺失体M-JM109lacY。 (2)原核表达载体的构建：以TMV CP基因为目的基因，以质粒pBI12l上120 bp的葡萄糖苷酸酶基因部分序列为发夹结构的“环”，设计引物TMVCPII-5和TMVCPII-3，扩增TMV CP基因，分别对扩增的PCR产物和L4440质粒进行pstI和SalI双酶切，构建LCP480载体；设计引物TMVCPI-5和TMVCPI-3、TMVCPⅡ-5和TMVCPⅡ-3、GUSⅡ-5和GUSⅡ-3，构建pGEM-CP480载体；设计引物CPI-5和CPI-3、CPⅡ-5和CPⅡ-3、GUSI-5和GUSI-3，构建pET-CP480载体。 (3)原核表达体系的构建：将构建成功的原核表达载体，转入构建的Rnase Ⅲ突变体和HT115菌株中，获得原核表达体系。将构建好的原核表达体系，经IPTG诱导表达，均可提取长度约为660 bp或者480 bp的dsRNA，表明所构建的Rnase Ⅲ缺失体和HT115菌株具有相同特性，均可以用于dsRNA的诱导表达。对不同的原核表达体系表达的dsRNA进行荧光定量PCR分析，结果表明：M-JM109或者M-JM1091acY菌株dsRNA的表达量明显高于其他菌株，载体pGEM-CP480为适宜生产dsRNA的表达载体，因此M-JM109/pGEM-CP480或者M-JM1091acY/pGEM-CP480为最优化的原核表达体系，其相对表达量分别为6.50±0.69和7.28±0.56。 (4)抗病性检测：对来源于不同原核表达载体表达的dsRNA进行抗病性鉴定，结果表明，来源于不同原核表达载体表达的dsRNA抗病效果基本一致，都能达到50％左右的抗病率，说明不同的表达载体生产的dsRNA对TMV的防治并没有区别。抗病植株的Northern blot分析表明，抗病植株能够产生siRNA，而野生型对照植株则检测不到siRNA，外源的dsRNA能够防治植物病毒的侵染，这种抗病性为RNA介导的抗病性。 2、原核表达TMV不同功能基因dsRNA介导的抗病性比较研究 (1)TMV不同功能基因dsRNA表达载体的构建：Trizol法提取TMV总RNA，设计引物TMV RP-5和TMV RP-3，TMV MP-5和TMV MP-3，TMV RNA-5和TMVRNA-3，采用RT-PCR技术分别克隆了TMV复制酶基因、运动蛋白基因和54 kDaRNA聚合酶基因的部分序列，采用PCR技术亚克隆三个基因480 bp片段，反向重复插入pGEM-GUS载体，构建三个不同基因的dsRNA表达载体，分别为pGEM-RP480、pGEM-MP480和pGEM-RNA480。将构建好的dsRNA表达载体转入HT115菌株中，经IPTG诱导，均可表达480 bp的dsRNA，证明所构建的dsRNA表达载体正确。 (2)TMV不同功能基因dsRNA介导的抗病性比较：用原核表达的TMV复制酶基因、运动蛋白基因、54 kDa RNA聚合酶基因和衣壳蛋白基因的dsRNA处理烟草植株，进行抗病性鉴定。初步的检测结果表明，原核表达TMV不同功能基因的dsRNA均能保护植物抵抗TMV病毒的侵染，但介导的抗病性存在着差异。其中来源于运动蛋白基因的dsRNA介导的抗病效果最好，66％左右的处理植株表现为抗病；来源于衣壳蛋白基因的dsRNA介导的抗病效果较好，48％的处理植株表现为抗病；而来源于54kDa RNA聚合酶基因和复制酶基因的dsRNA介导的抗病效果较差，表现为抗病的处理植株的比例分别为40％和34％。

目录

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论文说明：符号说明

声明

1前言

1.1植物抗病毒基因工程

1.1.1利用病毒来源的基因的抗病毒策略

1.1.2利用非病毒来源的基因的策略

1.2RNA介导的病毒抗性与PTGS

1.3 RNaseⅢ超家族与dsRNA

1.3.1Ⅰ型RNaseⅢ：细菌的RNaseⅢ酶和酿酒酵母的Rntl酶

1.3.2Ⅱ型RNaseⅢ：Drosha酶类

1.3.3Ⅲ型RNaseⅢ Dicer酶类

1.3.4 RNaseⅢ在生命科学领域内的应用

1.4基因打靶技术

1.4.1基因打靶的原理

1.4.2打靶载体的构建

1.4.3外源DNA导入的方式

1.4.4基因打靶的筛选方法

1.4.5基因打靶的策略

1.5本研究的目的和意义

2研究报告

第一章 原核表达dsRNA抗烟草花叶病毒体系的构建

2.1材料

2.2方法

2.3结果与分析

第二章 原核表达的TMV不同功能基因dsRNA介导的抗病性比较研究

2.4材料与方法

2.5 结果与分析

3讨论

3.1大肠杆菌rnc基因缺失体的构建

3.2原核表达dsRNA的最佳体系的建立

3.3 RNA干扰和PTGS

3.4 TMV不同功能基因来源的dsRNA介导的抗病性比较

4结论

5参考文献

6附录

7致谢

8攻读学位期间发表论文情况