作物学报ACTAAGRONOMICASINICA2013,39(11):1944-1951
ISSN0496-3490;CODENTSHPA9
http:///
E-mail:xbzw@
DOI:10.3724/SP.J.1006.2013.01944
小麦TaWRKY44基因的克隆、表达分析及功能鉴定
王瑞1,2,**吴华玲3,**王会芳1,2黄珂1,2霍春艳1,2倪中福1,2
孙其信1,2,*
1农业生物技术国家重点实验室/北京市作物遗传改良重点实验室/中国农业大学,北京100193;2国家植物基因研究北京中心,北
京100193;3广东省农业科学院茶叶研究所,广东广州510640
摘要:WRKY是植物特有的转录因子基因,在植物对外界胁迫响应及生长发育的过程中发挥重要作用。本研究克隆
了一个新的小麦WRKY转录因子基因TaWRKY44,获得其全长cDNA,其中开放阅读框长度为897bp,编码298个氨
基酸。半定量RT-PCR的结果表明,TaWRKY44在叶片中表达水平较高,并且受干旱和低温胁迫诱导表达。转基因功
能分析结果表明,TaWRKY44的拟南芥超表达株系叶片变小,叶柄缩短,并且叶片细胞也明显小于野生型。另外,转
基因系对ABA、干旱和盐等胁迫处理的敏感性也高于野生型,说明该基因可能作为一个转录抑制子参与逆境胁迫信
号转导过程。
关键词:小麦;WRKY;基因表达;叶片;逆境胁迫;功能分析
Cloning,Characterization,andFunctionalAnalysisofTaWRKY44Genefrom
Wheat
WANGRui1,2,**,WUHua-Ling3,**,WANGHui-Fang1,2,HUANGKe1,2,HUOChun-Yan1,2,NIZhong-Fu1,2,
andSUNQi-Xin1,2,*
1StateKeyLaboratoryforAgrobiotechno1ogy/BeijingKeyLaboratoryofCropGeneticImprovement/ChinaAgriculturalUniversity,Beijing
100193,China;2NationalPlantGeneRearchCentre(Beijing),Beijing100193,China;3TeaRearchInstitute,GuangdongAcademyof
AgriculturalSciences,Guangzhou510640,China
Abstract:WRKYtranscriptionfactorsarespecificinplantsandrelatedinrespontostressaswellasplantdevelopmentInthis
study,weclonedthefull-lengthcDNAofanewWRKYtranscriptionfactorgene,TaWRKY44,fromwheat(TriticumaestivumL).
TheopenreadingframeofTaWRKY44is897bpinlength,whichencodes298animoacidresiduesThemi-quantitative
RT-PCRresultindicatedthatTaWRKY44washighlyexpresdinleaf,andresponsivetodroughtandclodstressTaWRKY44
over-expresdlinesofArabidopsixhibitedsmallerleaves,shorterleafpetioles,andsmallerleafepidermiscellthanthewild
typeInaddition,thetransgeniclinesweremorensitivetoabscisicacid,drought,esultsindicated
TaWRKY44couldbeanegativeregulatorinstresssignaltransductionpathway
Keywords:Wheat;WRKY;Geneexpression;Leaf;Abioticstress;Functionalanalysis
WRKY基因是植物中特有的一个转录因子家族,
得名于其保守结构域中包含有一个wRKYGQK的
序列1。早在1994年,Ishiguro等克隆出第一个
wRKY蛋白SPF1,此后在许多生物相继有研究报
道。最近研究结果显示,拟南芥、水稻和玉米分别
存在72、107和139个WRKY基因[2-3],说明WRKY
基因是由多个成员组成的大家族。在小麦中,迄今
仅克隆了58个WRKY基因4-5]。因此,分离和克隆
小麦新的WRKY基因,并鉴定其功能,将为探讨
WRKY基因与小麦生长发育的关系奠定重要基础。
研究发现,植物WRKY转录因子基因广泛参与
植物对生物及非生物胁迫的响应。在逆境胁迫下,
本研究由国家转基因生物新品种培育科技重大专项(2011ZX08009-084B),国家自然科学基金重大项目(31290210)和国家高技术研究发
展计划(863计划)项目(2012AA10A309)资助。
*通讯作者(Correspondingauthor):孙其信,E-mail:qxsun@
第一作者联系方式:E-mail:worryrrow@**同等贡献(Contributedequallytothiswork)
Received(收稿日期):2013-03-18;Accepted(接受日期):2013-06-25;Publishedonline(网络出版日期):2013-08-12.
URL:http:///kcms/detail/
植物能够感知并传递胁迫信号,激活下游转录因子,
启动抗逆相关基因的表达,从而促使植物体内发生
一系列的生理生化反应,抵御不良环境的危害并提
高植物的耐逆性。HvWRKY38在大麦中参与调控对
干旱胁迫的响应6],AtWRKY8在拟南芥中则参与盐
胁迫调控[7]。另外,一些WRKY基因在植物生长发育
过程中起重要作用。GaWRKY1在棉花中参与次生代
谢物的合成,AtWRKY6调控叶片衰老及成熟[8-10]。由
此可见,WRKY转录因子对于植物胁迫响应及调控
生长发育具有重要的作用。
最近,Niu等[4]克隆了43个小麦WRKY基因,并
对其中2个基因(TaWRKY2和TaWRKY19)的功能进
行了鉴定,发现TaWRKY2和TaWRKY19可能参与植
物非生物逆境胁迫过程。在本研究中,我们克隆了
一个小麦WRKY基因TaWRKY44,在表达模式分析
的基础上,对其功能进行了鉴定,为深入探讨
TaWRKY44基因与植物生长发育的关系奠定了基础。
1材料与方法
1.1植物材料及处理
2011年9月在中国农业大学上庄试验站田间种
植小麦品种农大3338,取分蘖盛期的叶片、分蘖节、
根系、开花期叶片、衰老期叶片及授粉后12d的种
子提取RNA,其中全长cDNA克隆材料为分蘖节。在
光照培养箱中,将小麦种子置培养皿滤纸上萌发,
培养条件为26℃(16h)/20℃(8h)(昼/夜),相对湿度
75%。至三叶期,对幼苗进行干旱(20%PEG,,2h和4h)、
低温(3℃,30min和60min)、高温(40℃,20min和
40min)及高盐(10%NaCl,20min和40min)胁迫处
理,并以正常生长幼苗为对照。取各处理叶片提取
RNA进行表达分析。
亚细胞定位材料为新鲜洋葱表皮。
1.2总DNA、RNA的提取纯化和cDNA的制备
采用CTAB法提取农大3338总DNA。用TRIzol
(TIANGEN)提取小麦不同组织和不同处理时间点叶
片的总RNA。按照TransScriptFirst-StrandcDNA
SvnthesisSuperMixKit(TransGenBiotech)操作说明
合成cDNA,-20℃保存备用。
1.3基因克隆和同源进化分析
按照吴华玲等5]报道的方法,以拟南芥和水稻
中已报道的WRKY基因为搜索序列,在GenBank数据
库中(http:///)进行同源
比对搜索,找出小麦中相关的EST序列后进行电子
拼接,获得包含完整开放阅读框(ORF)的cDNA序列
后进行氨基酸序列比对分析,筛选出未报道的新基
因,然后设计基因特异引物P1-L和Pl-R(表1),再分
别以农大3338DNA和分蘖节cDNA为模板进行PCR
扩增,反应总体积为20μL,包括反转录产物2μL、
10mmolL-1dNTPs0.4μL、20ngμL-1基因特异引物
2uL、TaqDNA聚合酶1U。PCR扩增程序为94℃5min;
94℃1min,63℃1min,72℃1.5min,35个循环;最
后72℃5min。PCR产物采用1%琼脂糖凝胶电泳后,
将目标片段进行回收、克隆和测序。根据RT-PCR产
物的测序结果,设计5′和3′RACE引物(表1),用
5′-FullRACEKitwithTAP试剂盒和3′-FullRACE
CoreSetwithPrimeScriptRTa(TaKaRa)进行全长
cDNA的克隆。同源进化分析采用ClustalX软件。
1.4基因表达模式的分析
取农大3338分蘖盛期的叶片、根、分蘖节、授
粉后12d的种子、苗期、开花期和衰老期的叶片,提
取RNA并反转录。同时取苗期农大3338幼苗进行胁
迫处理,提取RNA并反转录。以β-actin为内标基因进
行半定量RT-PCR分析,引物序列见表1。反应总体积为
20μL,包括反转录产物2μL、10×buffer2μL、10mmolL-
dNTPs0.4μL、20ngμL-基因特异引物(P1-L和
P1-R)2μL、TaqDNA聚合酶1U。PCR扩增程序为
94℃,5min;94℃1min,60℃1min,72℃1.5min,25
个循环;最后72℃延伸5min。设3个生物学重复。
1.5WRKY转录因子的亚细胞定位
为设计引物构建融合表达载体,在WRKY基因
特异引物上游和下游分别引入EcoRⅠ与HindⅢ的酶
切位点(P2-L和P2-R,表1),从农大3338分蘖盛期叶
片cDNA中扩增出带有以上酶切位点的ORF片段,
将片段从琼脂糖胶回收后连接到T-easy(TaKaRa)载
体上,然后以EcoRⅠ和HindⅢ对连接载体进行双酶
切,凝胶电泳后回收片段与同样双酶切后线性化的
pEGAD载体(由中国农业大学生物学院巩志忠教授
提供)连接,获得绿色荧光蛋白与目的基因的融合蛋
白表达载体。
取一块长、宽大约4cm的洋葱幼嫩表皮,在固
体MS培养基上22℃培养3~4h。采用PDS-1000/He基
因枪(Bio-Rad)轰击洋葱表皮细胞,可裂膜压力为
1100psi,轰击距离约为5cm。轰击的洋葱表皮细胞
于22℃培养箱中培养14~16h,于激光共聚焦显徽镜
下(Leica,TCSSP2)观察GFP的表达定位。
1.6拟南芥超表达载体构建和转化
在WRKY基因特异引物的两端引入酶切位点
(XbaⅠ和KpnⅠ)(P3-L和P3-R,表1),用于构建超表达
表1本研究所用引物
Table1Primersudinthisstudy
载体。将扩增得到的片段从凝胶电泳回收后,与
T-easy载体连接,然后用XbaⅠ和KpnⅠ双酶切,凝胶
电泳后回收片段与同样双酶切后线性化的
PCAMBIASuper1300载体(载体由中国农业大学生
物学院巩志忠教授提供)相连接,获得超表达载体。
将超表达载体进行农杆菌转化(农杆菌菌株为
GV3101,由中国农业大学生物学院巩志忠教授提
供),得到的阳性菌液采用蘸花法侵染拟南芥野生型
植株(种子由中国农业大学生物学院巩志忠教授提
供),收获成熟T0代种子。T0代种子经消毒后,点播在
MS选择培养板上(30mgL-1潮霉素)。4℃下春化3d
后,移入光照培养箱中(22℃恒温,24h光照,光强
30~40umolm2s-1)。10d后挑选真叶健康并呈深绿
色,根伸长至培养基中的转化体。将转化体幼苗移
入土中(营养土体积:蛭石体积=1:1),至收获T1代
种子。经卡方检测,筛选出符合3∶1分离比例的T1
代种子;种植该T1代种子,获得T2代纯系种子。
为检测转基因株系中WRKY基因插入片段的拷
贝数,剪取3个转基因株系叶片,提取DNA后进行
Southernblot分析,野生型叶片作为对照。使用EcoR
Ⅰ和KpnⅠ双酶切基因组DNA,在含有TAE缓冲液的
0.8%(W/V)琼脂糖胶中电泳,将DNA片段转移到尼
龙膜上,用α-32P-dCTP标记的WRKY基因PCR扩增片
段为探针进行杂交,最后经过放射显影。同时,提取3
个转基因株系和野生型叶片RNA后进行反转录,用
RT-PCR方法检测WRKY基因在转基因株系中是否正
常表达,检测引物同WRKY基因表达引物。
1.7拟南芥超表达株系与野生型表型及抗逆性
分析
将
转小麦WRKY基因的拟南芥T2代幼苗移栽到
土中,生长16d后取完全展开的第3叶片,剪成约1cm2
的小段,煮沸10min,倒弃上清液;转至95%乙醇中,
煮沸约1h至组织完全脱色;迅速将已褪色的材料置
预先加热至96℃的85%乳酸中,约8min后可观察到
透明组织;将已透明的材料转移至室温乳酸中,取表
皮细胞制片,于倒置显徽镜(Olympus,Ix71)下拍照。
对拟南芥超表达株系与野生型进行抗逆性分析,
选取在温室中MS培养基上竖直萌发5d后的幼苗(16h
昼/8h夜,22℃,相对湿度40%),待根长约2cm时在
无菌条件下移至分别加有甘露醇(400mmolL-1)、
NaC1(100mmolL-)和ABA(30umolL-)的MS培养
基平板上,观察转基因植株和野生型在逆境胁迫下
的表型差异。
2结果与分析
2.1TaWRKY44的全长cDNA克隆
采用电子克隆方法获得含有完整ORF的小麦
WRKY新基因,其特异引物扩增产物长度约为900bp。
扩增产物经克隆测序后发现ORF长度为897bp,编
码298个氨基酸,将该基因命名为TaWRKY44。利用
RACE方法克隆了3′和5′非翻译区(UTR)的序列,长
度分别为312bp和178bp。将RT-PCR与RACE序列进
行拼接获得一条长度为1397bp的全长cDNA。
氨基酸序列分析表明,TaWRKY44基因编码的
蛋白具有典型的WRKY结构域及C2H2锌指结构
(图1-A)。TaWRKY44与水稻OsWRKYl3和OsWRK-
Y14及拟南芥AtWRKY65和AtWRKY69归为一个小
的类群(图1-B)。
基因组序列分析结果显示,TaWRKY44编码区
内仅含有一个内含子,长度为184bp。在拟南芥中,
WRKY家族基因的内含子位置高度保守,可以分
为两种类型,一种是位于编码R的位点,在密码子
图1TaWRKY44系统进化树
Fig.1PhytogenictreeofTaWRKY44
A图中,星号(*)表示WRKY保守氨基酸残基。
AsterisksinpanelAshowtheconrvedaminoacidresidues.
AGG中的2个GG之间剪接,称为R型内含子;另一
种内含子在编码V(缬氨酸)的位点前剪接,V位于
锌指结构C2H2的第2个C(半胱氨酸)之后的第6个
位点,称为v型内含子[2]。分析发现,TaWRKY44的
内含子位于氨基酸R的位点,所以属于R型内含子
(图2)。
图2TaWRKY44基因组内含子位置
Fig.2IntronsiteofTaWRKY44
方框表示WRKY保守结构域。BoxreprentsconrvedWRKYdomain.
2.2TaWRKY44基因的表达模式分析
该基因在小麦分蘖盛期的叶片中表达较高,在
根和分蘖节中相对偏低,在授粉后12d的种子中没
有表达(图3-A)。以不同发育时期的叶片为材料研究
发现,TaWRKY44基因在苗期和开花期叶片中表达水
平明显低于衰老期叶片(图3-B)。另外,TaWRKY44在
低温胁迫30min时表达显著上调,而到60min时则
下调表达(图3-C);干旱胁迫处理4h时TaWRKY44表
达明显上调(图3-D)。但是该基因在高温(40℃)和高
盐(10%NaC1)条件下表达模式与对照相比并未发生
明显变化。
图3TaWRKY44的组织表达特异性(A)叶片表达模式(B)及低温
(C)和干旱胁迫(D)表达响应
Fig.3Tissue-specificexpressionofTaWRKY44(A)expression
patternsofleaves(B)andlowtemperature(C)anddrought
stress(D)expressioninrespon
1:授粉后12d的种子;2:分蘖盛期的分蘖节;3:分蘖盛期的分
蘖叶;4:分蘖盛期的分蘖根。5:幼叶;6:开花期叶片;7:衰老叶
片。8:室温(30min);9:3℃(30min);10:室温(60min);11:3℃
(60min)。12:H2O(2h);13:20%PEG(2h);14:H2O(4h);15:
20%PEG(4h)。
1:edsof12daysafterpollination;2:inter-nodeattilleringstage;
3:leavesattilleringstage;4:rootattilleringstage5:youngleaves;
6:leavesatflowingstage;7:agedleaves.8:roomtemperaturefor
30min;9:3℃for30min;10:roomtemperaturefor60min;11:3℃
for60min.12:H2Ofor2h;13:20%PEGtreatmentfor2h;14:
H2Ofor4h;15:20%PEGfor4h.
2.3TaWRKY44蛋白的亚细胞定位
对TaWRKY44基因亚细胞定位融合载体用基因
枪轰击法转入洋葱表皮细胞,用pEGAD表达载体作
为对照。经过培养后,在激光共聚焦显徽镜下观察,
显示对照GFP蛋白可以在整个细胞中见到比较均一
的明亮的绿色荧光(图4-a,b,c),而pEGAD-
TaWRKY44融合蛋白则位于细胞核中(图4-d,e),说
明TaWRKY44蛋白是核定位的转录因子。
图4TaWRKY44蛋白亚细胞定位
Fig.4SubcellularlocalizationofTaWRKY44protein
GFP:pEGAD载体在洋葱表皮细胞中的瞬时表达在暗场(a)、明
场(b)和暗场、明场叠加(c)观察。
TaWRKY44:GFP:pEGAD-TaWRKY44融合表达载体在洋葱表皮
细胞中的瞬时表达暗场(d)、明场(e)和暗场、明场叠加(f)观察。
GFP:imagesofgreenfluorescenceGFPofpEGADvectorinonion
epidermalcellsunderdark-field(a)、bright-field(b)andoverlapped
field(c)TaWRKY44:GFP:imagesofgreenfluorescenceGFPof
pEGAD-TaWRKY44vectorinonionepidermalcellsunder
dark-field(d)、bright-field(e)andoverlappedfield(f).
2.4TaWRKY44拟南芥超表达株系的分析及其
与野生型的比较
为分析TaWRKY44转录因子基因的功能,构建
了TaWRKY44的拟南芥超表达载体,并获得5个超表
达后代纯系。对其中3个(35S:TaWRkY44-4、35S:
TaWRKY44-12和35S:TaWRKY44-16)进行Southern
blot鉴定,发现转基因株系都含有一个目的基因拷
贝,说明TaWRKY44基因已经整合到拟南芥基因组
中(图5-A)。RT-PCR表达分析结果表明,3个转基
因株系中都检测到外源目的基因的表达,而野生
型对照则无相应的扩增产物,说明TaWRKY44在
这些转基因植株中正常表达,并没有发生基因沉
默(图5-B)。
图535S:TaWRKY44转基因株系的Southernblot(A)和
RT-PCR(B)
Fig.5Analysisof35S:TaWRKY44transgeniclines
WT:wildtype;1:35S:TaWRKY44-4;2:35S:TaWRKY44-12;
3:35S:TaWRKY44-16.
与野生型相比,TaWRKY44超表达拟南芥植株
的叶片变小且叶柄缩短(图6)。细胞学观察结果表
明,超表达株系35S:TaWRKY44-4、35S:TaWRKY44-12
和35S:TaWRKY44-16叶片表皮细胞大小分别为
1502、1660和1997μm2,分别比野生型低49.5%、
44.1%和32.8%(图7),说明超表达株系中的叶片细
胞明显变小。
甘露醇、NaCl和ABA逆境处理3d后,在添加
ABA的MS培养基上,转基因植株的两片子叶已经
完全变白,真叶也逐渐开始失绿白化,而野生型植
株叶片除子叶颜色开始变白外,其余的保持正常绿
色(图8-B);在添加甘露醇的MS培养基上,转基因植
株的2片子叶已经完全黄化,而wT植株的子叶颜色
刚开始呈现变黄的趋势(图8-C);在高盐NaCl处理条
件下,转基因植株顶端生长点处已经出现明显的褐
化,心叶逐渐死亡,而wT植株还未出现顶端褐化的
现象(图8-D)。
3讨论
WRKY转录因子是近年来研究较为广泛的植物
转录因子基因。在许多植物中克隆了WRKY基因,并
对其功能进行了深入研究。近年来,wu等[5]和Niu等[4]
分别在小麦中克隆了15个和43个WRKY基因,并在拟
南芥中进行了功能验证。在本研究中,我们克隆了一
个新的小麦WRKY基因,命名为TaWRKY44,其所编
码蛋白与水稻OswRKYl4同源性最高。该基因受干
旱诱导表达,并且在衰老的叶片中表达水平升高,
说明该基因可能参与了小麦逆境胁迫响应及叶片衰
老过程。
叶片大小是植物形态的一个重要特征,是由细
胞数目和细胞大小相互协调的结果。在模式植物拟
南芥中,一些控制叶片细胞大小的关键基因最近相
继被克隆和鉴定出来。例如,AtEXP10、ROTUND-
IFOLLA3(ROT3)、ANGUSTIFOLLA(AN)和ARGOS-
LIKE(ARL)通过促进细胞的伸长来调节器官发育[11-16]。
图635S:TaWRKY44转基因株系和野生型叶片表型及叶片表面积统计
Fig.6Leafareaof35S:TaWRKY44transgeniclinesandWTwiththeirphenotype
WT:wildtype;1:35S:TaWRKY44-4;2:35S:TaWRKY44-12;3:35S:TaWRKY44-16.
图735S:TaWRKY44转基因株系和野生型叶片细胞观察
Fig.7Leafepidermiscellsizeof35S:TaWRKY44transgenic
linesandWTwithmicroscopicview
WT:wildtype;1:35S:TaWRKY44-4;2:35S:TaWRKY44-12;
3:35S:TaWRKY44-16.
图835S:TaWRKY44转基因株系和野生型(WT)胁迫处理后的表型
Fig.8Phenotypeof35S:TaWRKY44transgeniclinesandWT
underdifferentstress
A:MS培养基;B:ABA处理(30μmolL-1);c:甘露醇处理(400
mmolL1);D:NaCl(100mmolL1)处理。
A:MSmedium;B:MS+ABA(30μmolL1);C:MS+mennitol(400
mmolL-1);D:MS+NaCl(100mmolL-1).
但是,BIGPETALp(BPEp)和RPT2a通过限制细胞的
伸长来控制器官生长[17-19]。在本研究中,TaWRKY44
基因的拟南芥超表达株系叶片变小及叶柄缩短,
并且细胞也明显小于野生型,说明该基因主要通
过调控细胞大小来影响叶片发育。进一步的研究
重点是深入解析该基因调控叶片发育的分子机制,
目前,我们已建立超表达株系和野生型叶片转录组
差异表达谱,筛选出一些候选下游基因,正在进行功
能鉴定。
同源进化聚类结果显示,TaWRKY44与水稻的
OsWRKYl3、OsWRKYl4及拟南芥的AtWRKY65和
AtWRKY69归为一个小的类群。在水稻中,OsW-
RKY13通过调控水杨酸和茉莉酸依赖的防御相关基
因提高抗病性[20]。OsWRKY14可能在MeOH诱导的Trp
及其次生衍生物的生物合成中发挥关键调节作用[21]。
迄今为止,拟南芥的AtWRKY65和AtWRKY69基因的
功能研究尚未见报道。我们发现TaWRKY44基因的拟
南芥超表达株系叶片明显变小,并且对ABA、甘露醇
以及高盐处理更为敏感。我们推测TaWRKY44可能与
水稻的同源基因OsWRKY13和OsWRKY14在功能上存
在分化,但需要进一步的实验证据。
4结论
获得了TaWRKY44基因,编码GroupⅡ型核定
位WRKY转录因子。超表达拟南芥植株表现出叶片
变小、叶片细胞变小的现象,并且对ABA、甘露醇
以及盐胁迫处理更为敏感。
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《中国食物与营养》2014年征稿征订启事
《中国食物与营养》创办于1995年,由农业部主管,中国农业科学院、国家食物与营养咨询委员会主
办的食物与营养领域相结合的综合性月刊,入选中国科技核心期刊和中国农业核心期刊。办刊宗旨为立足于
农业、食物、营养领域的结合,报道国家在食物与营养相关领域的方针、政策、法规、标准,主要刊登食物
生产、食物消费、食品工业、食物营养等方面的发展动态和科技成果,普及宣传营养保健、膳食指南等方面
的知识等。主要栏目有专题论坛、食物安全、资源与生产、食品工业、消费与流通、新技术新产品、营养
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