公开/公告号CN103305486A
专利类型发明专利
公开/公告日2013-09-18
原文格式PDF
申请/专利权人 中国农业科学院作物科学研究所;
申请/专利号CN201210062346.5
申请日2012-03-09
分类号C12N9/12(20060101);C12N15/54(20060101);C12N15/82(20060101);A01H5/00(20060101);
代理机构11002 北京路浩知识产权代理有限公司;
代理人王朋飞;王加岭
地址 100081 北京市海淀区中关村南大街12号
入库时间 2024-02-19 20:16:50
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2023-02-28
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):C12N 9/12 专利号:ZL2012100623465 申请日:20120309 授权公告日:20141112
专利权的终止
2014-11-12
授权
授权
2013-10-23
实质审查的生效 IPC(主分类):C12N9/12 申请日:20120309
实质审查的生效
2013-09-18
公开
公开
技术领域
本发明涉及基因工程领域,特别是涉及一个钙依赖性蛋白激酶基 因在抗病工程中的应用。
背景技术
近年来,由于杀菌剂的大量使用,尽管没有出现作物病害大面积 爆发的局面,然而过多依赖于农药,不仅增加了生产成本,而且还造 成了大面积环境污染,严重威胁农业生态安全。采用生物技术手段, 克隆作物抗病基因并将其应用于作物抗病遗传育种是控制作物病害 流行最经济、安全、有效的方法。然而,由于抗病基因和无毒基因的 互作表现为品种对小种的专化抗性,植物抗病性常因病原菌群体生理 小种的变化而被克服,有些抗病基因还没有克隆到,其抗病性就由于 病菌群体毒性的变化而丧失。由此可见,利用抗病基因培育抗病品种 也在不断面临新的挑战。人们转而开始筛选广谱、持久的抗病重要相 关基因并培育具有持久抗病性的作物品种。
钙依赖性蛋白激酶(Calcium-dependent protein kinase,CDPK)是 植物和原生动物所特有的钙离子(Ca2+)感受器。非生物胁迫、病原、 激素以及光等刺激均可导致植物内源Ca2+浓度发生变化(Knight and Knight,2001;Sanders,2002),CDPK能够识别Ca2+浓度变化,改变下 游蛋白质(如转录因子)磷酸化状态,影响基因表达模式(Sanders et al., 1999)。CDPK蛋白包含4个结构域,即N-末端可变区(N),蛋白激 酶结构域(kinase,K),自抑区(autoinhibitory region,A)以及类钙调 蛋白结构域(CaM-like)(Cheng et al.,2002;Hrabak et al.,2003)。 CaM-like结构域包含可以结合Ca2+的EF hands功能域。当Ca2+结合到 CDPK的CaM-like结构域,自抑区对激酶域的抑制被解除,CDPK即被 激活。CDPK在植物多条信号传递路径中扮演着关键调节子的角色。
作为早期信号因子,CDPK处于信号传递路径上游位置,在植物 病原防卫中发挥着重要作用(Cheng et al.,2002)。烟草NtCPK2被发 现是R基因介导的信号传递路径的组分(Romeis et al.,2001)。大麦中, 瞬时表达HvCDPK4,诱导同过敏反应类似的烟草叶肉细胞死亡的蔓 延,不利于真菌的侵入;而瞬时表达HvCDPK3则有利于真菌的侵入 (Freymark et al.,2007)。大麦中的HvCDPK3和HvCDPK4这对基因 在控制白粉发病早期阶段进入宿主细胞的过程中,起拮抗作用。水稻 中的OsCPK13(OsCDPK7)在盐,干旱和低温等逆境环境中起着重要作 用(Saijo et al.,2000;Komatsu et al.,2007),将其在高梁中过表达,却 表现出抗病相关性状(Mall et al.,2011)。在马铃薯中StCDPK5诱导St RBOHB的磷酸化并调节氧化爆发(Kobayashi et al.,2007),可能参与 了植物对病原的防卫反应。
尽管目前小麦CDPK家族已有研究报道(Li et al.,2008),然而 有关TaCPK2的生物学功能并没有明确阐释。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种小麦TaCPK2蛋 白在植物抗病育种中的应用。
为了实现上述目的,本发明提供一种小麦TaCPK2蛋白,其氨基 酸序列如SEQ ID No.2所示。
本发明提供了小麦TaCPK2蛋白在植物抗病育种过程中的应用。
所述的病害优选为白粉病或白叶枯病;所述植物优选为小麦或水 稻。
本发明提供的小麦TaCPK2蛋白在调节植物抗病中的应用。所述 应用是指通过过表达小麦TaCPK2基因,调节SA,JA路径相关基因 的表达变化,从而使植株产生抗病性。
上述技术方案具有如下优点:
本发明的小麦TaCPK2基因,其属于CDPK基因家族参与植物对 病原防卫的基因,在小麦中抑制TaCPK2基因的表达能够明显影响小 麦对白粉病抗性,而在水稻中过表达TaCPK2基因可明显增加转基因 水稻对白叶枯病抗性。可用于解决植株在由于白粉病、白叶枯病等真 菌或细菌性病害导致的产量减少等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1和实施例3小麦TaCPK2基因的克隆中间载 体pEASY-T1 Simple;
图2为本发明实施例4的小麦钙依赖性蛋白激酶TaCPK2基因 VIGS后的抗病性降低的表型观察;
图3为本发明实施例5的植物表达载体pCUbi1390;
图4为本发明实施例6的小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2增 加水稻(苗期)对白叶枯的抗性;
图5为本发明实施例7的小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2增 加水稻(成株期)对白叶枯的抗性;
图6为本发明实施例8的量化统计结果显示小麦钙依赖性蛋白激 酶基因TaCPK2增加苗期水稻对白叶枯的抗性;
图7为本发明实施例9过表达水稻植株的RT-PCR阳性鉴定及其 内源基因表达不变;
图8为本发明实施例10的小麦钙依赖性蛋白激酶TaCPK2基因 过表达水稻不接菌条件下的考种结果。
其中,空载体(empty vector简称pC)为对照,1,2,3为3个 水稻过表达株系。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。在不 背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的 修改或替换,均属于本发明的保护范围。
本发明中涉及到的生物材料中国春小麦、硬粒小麦DR147、小麦 Am6、北京837均为公知公用品种。若未特别指明,实施例中所用的 技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1小麦钙依赖性蛋白激酶TaCPK2基因全长的克隆
使用带有限制性酶切位点的引物,正向引物 GCATATGGGCAACGCATGCGGCGGT(如SEQ ID No.4所 示)和反向引物GCATCTAGATTGCACCAGGTGCGTC(如 SEQ ID No.5所示)从中国春小麦(Triticum aestivum L.)叶的cDNA 中克隆TaCPK2基因的编码区序列;
PCR程序:94℃,5分钟;94℃,30秒;55℃,30秒;72℃, 90秒;重复35次;72℃,10分钟。
PCR体系:2×EasyTaq PCR SuperMix(全式金公司)25μl;
正向引物(10μM) 2μl;
反向引物(10μM) 2μl;
DNA模板 5μl;
双蒸水 补足50μl。
PCR产物切胶回收纯化后按照北京全式金生物技术有限公司提 供的pEASY-T1 Simple Cloning Kit克隆方法克隆连接到pEASY-T1 Simple载体上(图1),连接产物转化大肠杆菌DH5α,并在其中扩繁, 阳性克隆经过测序筛选获得TaCPK2,其cDNA序列如SEQ ID NO.1 所示;由其编码的蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
实施例2:小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2编码蛋白的结构分析
小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2编码蛋白的结构分析显示, 由该基因所编码的蛋白同其它植物中的CDPK蛋白结构域一样具有 保守的酶活位点和结构域。系统进化分析显示,由小麦TaCPK2基因 所编码的蛋白同大麦中的HvCDPK4蛋白相似性最高,为95.9%。而 HvCDPK4诱导叶肉细胞死亡的蔓延,不利于真菌的侵入,对白粉菌 的侵入起到抵抗作用。因此,小麦TaCPK2基因与大麦中的HvCDPK4 基因具有类似抵御白粉菌入侵的功能。
实施例3:小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2的VIGS载体及VIGS 植株
使用带有限制性酶切位点的引物,正向引物 TGTCCTTTGATGGGCAACGCA(如SEQ ID No.6所示)和 反向引物CCGCGTGGCCGTCCGTCTT(如SEQ ID No.7所 示)从中国春小麦(Triticum aestivum L.)叶的cDNA中进行PCR扩 增,PCR程序:94℃,5分钟;94℃,30秒;56℃,30秒;72℃, 30秒;重复35次;72℃,10分钟。
PCR体系:2×EasyTaq PCR SuperMix(全式金公司)25μl;
正向引物(10μM) 2μl;
反向引物(10μM) 2μl;
DNA模板 5μl;
双蒸水 补足50μl。
PCR产物切胶回收纯化后按照北京全式金生物技术有限公司提供的 pEASY-T1 Simple Cloning Kit克隆方法克隆连接到pEASY-T1 Simple 载体上(图1),连接产物转化大肠杆菌DH5α,并在其中扩繁,阳性 克隆经过测序筛选获得TaCPK2的cDNA片段,其cDNA序列如SEQ ID NO.3所示。大麦条纹花叶病毒(BSMV)载体由BSMV-α,BSMV- β,BSMV-γ三个组分构成(Holzberg et al.,2002;赵丹等,2011)。 将上述测序正确的pEASY-T1Simple载体和BSMV-γ载体用NEB的 NheI酶切,回收酶切的TaCPK2(190bp)基因片段和BSMV-γ载体 片段,用T4DNA连接酶(NEB)连接,将TaCPK2的基因片段反向 连接到BSMV-γ载体多克隆位点。将连接产物转化到大肠杆菌DH5 α感受态中,菌液PCR筛选阳性克隆并测序验证,获得序列正确的载 体质粒即为重组载体BSMV-γ:TaCPK2。
绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein,GFP)来源于海洋生 物水母,其基因可在异源组织中表达并产生荧光,GFP cDNA开放阅 读框架长度约714bp,编码238个氨基酸残基,其肽链内部第 65-67位丝氨酸-脱氢酪氨酸-甘氨酸通过自身环化和氧化形成一 个发色基因,在长紫外波长或蓝光照射下发出绿色荧光。绿色荧光蛋 白是常用的报告基因之一。本研究中之所以选用绿色荧光蛋白作为对 照,是因为该基因在植物体内没有任何同源基因,因此携带GFP的 BSMV载体不会沉默植物中的任何基因,可以作为基因下调表达的对 照。
在VIGS实验中,BSMV:GFP常常用来作为阴性对照(Li et al., 2011;Cao et al.,2011)。该载体构建过程与BSMV-γ:TaCPK2载体 相同,即将克隆到的GFP基因片段与BSMV-γ载体片段用T4DNA 连接酶(NEB)连接,并通过转化到大肠杆菌感受态细胞,测序筛选 得到正确的载体质粒即为BSMV-γ:GFP重组载体。
VIGS植株获得的方法步骤:
1)提取BSMV-α,BSMV-β,BSMV-γ:TaCPK2和BSMV- γ:GFP的质粒,BSMV-α,BSMV-γ:TaCPK2和BSMV-γ:GFP用 Mlu1酶切,BSMV-β用Spe1酶切,37℃,8h。线性化处理,50μl NEB 酶切体系如下:
Mlu1:
10×NEB缓冲液: 5μl
质粒: ≤2μg
Mlu1: 1μl
灭菌双蒸水:to 50μl
Spe1:
10×NEB缓冲液: 5μl
质粒: ≤2μg
100×BSA: 0.5μl
Mlu1: 1μl
灭菌双蒸水:to 50μl
2)乙醇沉淀
150μl线性化好的质粒,加350μl DEPC(Diethyl pyrocarbonate) H2O,加500μl酚氯仿(苯酚和氯仿体积比为1∶1),12000rpm离心 30min。取上清450μl,加45μl NaAc(PH 5.2,3M),加1ml冷(4 ℃)无水乙醇,混匀。-20℃过夜。12000rpm离心30min,倒掉上清, 1ml 70%乙醇重复洗两次,晾干,加30μl DEPC H2O溶解。浓度应≥ 400ng/μl。
3)体外转录试剂盒使用北京GBI公司提供的AmpliCap-MaxTM T7 and T3 High Yield Message Maker Kits(Epicentre,USA)
10μl反应体系:
模板: 3μl
10×转录缓冲液: 1μl
Cap/NTP预混液: 4μl
100mM二硫苏糖醇:1μl
T7酶: 1μl
42℃,3h。
4)病毒接种
BSMV-α、BSMV-β、BSMV-γ:TaCPK2(或BSMV-γ:GFP)转录 物各取10μl混合,共30μl,加3倍体积(90μl)的DEPC H2O,总 体积达到120μl,再加一倍体积(120μl)的GKP buffer,制得240 μl TaCPK2和GFP的接种病毒混合液。
用于病毒侵染的小麦材料选用抗白粉病近等基因系PmAm6/北京 837*BC5F3(PmAm6/北京837*BC5F3制备方法:以四倍体硬粒小麦 (Triticum durum)DR147为母本,以二倍体粗山羊草(Aegilops taushii)Ae39为父本,人工合成六倍体小麦Am6。以Am6为供体亲 本,以北京837为轮回亲本,从杂交F1中筛选抗白粉病单株,与北京 837回交,从每次回交后代中筛选抗病单株。从回交5代的F3家系中 筛选纯合抗病单株,即为PmAm6/Beijing837*BC5F3)。待小麦幼苗第 二片叶展平时(14d),开始接种。戴刚开封橡胶手套,用处理过的无 RNA酶的枪头取5-10μl接种液到食指肚上,一手固定住小麦幼苗基 部,另一手用大拇指和食指轻轻来回摩擦小麦第二片叶。
接种完后,向小麦幼苗喷施DEPC H2O,保鲜膜覆盖,保湿24h (高湿有利于病毒侵入),之后揭开。温度在20-32℃之间均可(温度 升高不利于病毒侵入,且叶片长的很快)。
6-8天后,第三片叶产生病毒斑,即为病毒接种成功,得到 BSMV:TaCPK2和BSMV:GFP的VIGS植株。
实施例4:VIGS实验证明TaCPK2基因参与白粉病抗性反应
实施例3中获得的BSMV:TaCPK2和BSMV:GFP植株在培养箱 一起培养至第四叶展平,将有病毒发病表型的植株叶片剪下,放在苯 并咪唑培养基上接种白粉菌E09培养一周,可明显看出 BSMV:TaCPK2植株中TaCPK2基因表达下调导致感染白粉病,叶片 表面有肉眼可见的白色孢子堆,而对照BSMV:GFP植株中由于 TaCPK2基因表达未发生变化,因此依然抗白粉病,叶片表面干净。 由此得出结论:TaCPK2基因参与白粉病抗性反应。如图2所示,Bj 为感病材料接种白粉菌后长出孢子堆,作为感病对照;MOCK为抗 白粉材料接种GKP buffer,没有感染白粉病;BSMV:GFP为接种病 毒BSMV:GFP植株,没有感染白粉病;BSMV:TaCPK2为接种病毒 BSMV:TaCPK2植株,局部感染了白粉病,证明TaCPK2基因参与白 粉病抗性反应。
实施例5:小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2植物表达载体
从实施例1获得的测序正确的TaCPK2,利用KpnI和SpeI两个 酶切位点,得到构建在pEASY-T1 Simple(北京全式金生物技术有限 公司)载体上的全长序列TaCPK2,将植物表达载体pCUbi1390(Peng et al.,2009)(图3)进行同样的酶切后,按照NEB公司的T4 DNA 连接酶的使用方法将酶切得到的两个片段连接,并按照实施例3中的 方法将连接产物转化大肠杆菌DH5α,在其中扩繁,阳性克隆经过测 序获得TaCPK2的过表达载体。采用农杆菌介导法将得到的TaCPK2 的过表达载体转化到水稻中,得到转化植株。植物中的筛选标记为潮 霉素。
应用实施例6:小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2增加水稻对白叶 枯的抗性---苗期
从实施例5获得的水稻转化植株与其空载体(野生型空育131) 在大田中同时一起培育,直至成株期。图4显示小麦钙依赖性蛋白激 酶基因TaCPK2转化水稻,导致苗期水稻对白叶枯的抗性增加。如图 4所示,空载体(empty vector简称pC)为对照,1,2,3为3个水 稻过表达株系。接种白叶枯2周以后的叶片表型,说明小麦TaCPK2 基因参与水稻抗病反应。
实施例7:小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2增加水稻对白叶枯的 抗性---成株期
从实施例5获得的水稻转化植株与其空载体(野生型为空育131) 在大田中同时一起培育,直至成株期。图5显示小麦钙依赖性蛋白激 酶基因TaCPK2转化水稻,导致成株期水稻对白叶枯的抗性增加。如 图5所示,空载体(empty vector简称pC)为对照,1,2,3为3个 水稻过表达株系。接种白叶枯2周以后的叶片表型,说明小麦TaCPK2 基因参与水稻抗病反应。
实施例8:统计结果显示:小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2增加 水稻苗期对白叶枯的抗性
从实施例6获得水稻转化植株接种白叶枯后的叶片枯斑长度与 叶片总长度的比值进行统计,结果显示小麦钙依赖性蛋白激酶基因 TaCPK2的确增加水稻对白叶枯的抗性。如图6所示,空载体(pC) 为对照,1,2,3为3个株系(每个株系9个叶片)的统计值。白叶 枯侵染比例分别为:pC,52%;1,24%;2,29%;3,11%。数据显 示,转基因植株比对照病斑比例明显减小,对白叶枯抗性增加。
实施例9:测定TaCPK2过表达植株(水稻)中TaCPK2和OsCPK13 的表达量
利用RT-PCR测定TaCPK2过表达植株(水稻)中TaCPK2和 OsCPK13的表达量,结果如图7所示。水稻中的OsCPK13基因和 TaCPK2基因序列的相似性最高。从实施例6和实施例7获得的过表 达水稻进行RT-PCR鉴定,在水稻Tubulin检测cDNA的质量及浓度 基本一致的条件下,TaCPK2过表达植株(水稻)中检测到TaCPK2 的表达,空载体(pC)中无表达;且水稻中的内源基因OsCPK13表 达量基本不变,即TaCPK2基因的过表达没有影响水稻内源基因 OsCPK13的表达。所以,实施例6和实施例7过表达植株的抗病作 用是由于过表达的小麦TaCPK2基因产生的。
实施例10:小麦钙依赖性蛋白激酶基因TaCPK2水稻过表达植株在 不接菌条件下对水稻的产量基本没有影响。
从实施例7获得的水稻考种结果如图8所示:三个转基因株系(1, 2,3)与空载体(pC)相比较,分蘖数(A)和穗粒数(B)略微减少;株 高(C)和单粒重(D)基本不变,说明小麦钙依赖性蛋白激酶基因 TaCPK2水稻过表达植株在不接种白叶枯条件下对水稻的产量基本没 有影响。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详 尽的描述,但在本发明基础上,可以对之做一些修改或改进,这对本 领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础 上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
机译: 改善小麦植物中的草甘膦耐受性的方法,该植物的细胞,其DNA,用作引物的一对DNA分子,其检测方法,将耐草甘膦性状育种到小麦植物中的方法和DNA检测
机译: 从羽扇豆属植物中提取的蛋白质或以重组形式生产的蛋白质,编码该蛋白质的核苷酸序列及其在植物营养中的用途,以及作为植物生长促进剂以及在抗病原真菌中的应用
机译: 从羽扇豆属植物中提取的蛋白质或以重组形式生产的蛋白质,编码该蛋白质的核苷酸序列及其在植物营养中的用途,以及作为植物生长促进剂以及在抗病原真菌中的应用