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沉默CCR和CAD基因培育低木质素含量转基因多年生黑麦草

发布时间:2016-09-07 08:17

  本文关键词:沉默CCR和CAD基因培育低木质素含量转基因多年生黑麦草,由笔耕文化传播整理发布。


72-832013年10月   草 业 学 报   

CTAPRATACULTURAESINICA      A  第22卷 第5期

Vol.22,No.5

沉默CCR和CAD基因培育低木质素

含量转基因多年生黑麦草

222,,,胡可1,严雪锋1,栗丹1,唐晓梅1,杨宏1,王艳1,邓洪渊1,马欣荣1*

()中国科学院成都生物研究所,四川成都6中国科学院研究生院,北京11.10041;2.00049

摘要:木质素作为维管植物的重要成分之一,主要存在于细胞的次生壁中。然而,木质素却是许多工农业加工过程的限制因素,例如在化学制浆、牧草消化以及木质纤维转化为生物酒精等过程中。肉桂酰辅酶A还原酶(和CCR)是催化木质素单体生物合成最后两步的关键酶。本研究根据N肉桂醇脱氢酶(CAD)CBI中黑麦草CCR和CAD基从野生型多年生黑麦草c分别因序列设计特异引物并添加相应酶切位点,DNA分离克隆CCR和CAD基因片段,构建了含正反方向目的片段的植物表达干扰载体p2323iCCR和piCAD。通过根癌农杆菌EHA105介导转入多--年生黑麦草胚性愈伤组织,经过巴龙霉素筛选和PCR检测获得导入了干扰CCR和CAD基因片段的转基因株系结果显示,与对照相比,有9株iiCR和iAD。常规方法测定相对木质素含量,CR植株和11株iAD植株木-C-C-C-C质素含量显著降低,分别平均降低了3且生长正常。本研究表明通过干扰C4.67%,33.86%,CR和CAD基因表可以获得低木质素含量的多年生黑麦草,为进一步培育易消化吸收的黑麦草提供了良好的种质资源。达,

;关键词:木质素;肉桂酰辅酶A还原酶;肉桂醇脱氢酶;多年生黑麦草;遗传转化RNAi

()中图分类号:S816;S546.603;Q943.2  文献标识码:A  文章编号:10045759201305007212---

:/DOI10.11686cxb20130509  y

主要存在于植物细胞的次生壁,与纤维素和半纤维素共价结合,  木质素是一种复杂的芳香族化合物多聚体,

赋予细胞壁强度和硬度,为植物组织提供机械支持,使得植株向上生长。木质素还使植物的脉管组织具有疏水

1]2]

,。在大多数被子植物中,性,便于水分和营养物质的长距离运输[还能保护植株避免病原体入侵[木质素主要

)和紫丁香基木质素(这两种木质素单体亚单位构成,它们分别来自松柏醇由愈创木基木质素(GlininSlinin)--gg和芥子醇,第三种木质素单体亚单位对羟基苯基木质素(来自香豆醇,它在单子叶植物中相对较多,而H-linin)g

1]3,4]

。图1为木质素合成途径[。在双子叶植物中较少[

5]

。木质素作为维管束植物细胞壁的主要成分,长期以来被认为不利于饲料品质、造纸和纤维素燃料的生产[

6]

。在草料消化和例如,在制浆造纸工业中,需通过严格的化学工艺从木材中去除木质素以获得纯的纤维素纤维[7]

。因此,低木质素含量的牧草或者木材的培育,是育种的方向之一。如生产乙醇时木质素也是主要的限制因子[

今大部分研究主要是通过基因工程手段降低植株的木质素含量或者改变其组成。

[3,4]

,木质素单体作为组成木质素的亚单位,产生于苯丙氨酸途径的一个分支(图1)肉桂酰辅酶A还原酶

(,,和肉桂醇脱氢酶(是催化木质素单体生cinnamolCoAreductaseCCR)cinnamlalcoholdehdroenaseCAD)    yyyg物合成最后两步的关键酶。许多研究通过在不同植物中抑制这两种酶的表达降低了木质素含量或是改变了木质

1]

。素的组成[

在木质素的生物合成中起着重要作用,它以5种羟基肉桂酸的CCCR是木质素特异途径的关键酶之一,oA酯(对-香豆酰辅酶A、咖啡酰辅酶A、阿魏酰辅酶A、作为底物催化生成相5-羟基阿魏酰辅酶A和芥子酰辅酶A)应的肉桂醛。C突变体,木质素含量降低的同时表现出外CR1基因表达受影响的拟南芥(Arabidosisthaliana) p

8]

。C形矮小、衰老延缓的性状[木质素含量可降低CR下调的转基因杨树(Poulustremula×Poulusalba)  pp

;改回日期:2012050720120606*收稿日期:----

))基金项目:国家8和国家自然科学基金项目(资助。63计划项目(2009AA10Z108,2008AA10Z40930170589,:_作者简介:胡可(男,四川江油人,硕士。E-m1986aildd122@163.com-)jyjy

:ailmaxrib.ac.cn*通讯作者。E-m@c

3,4]

图1 苯丙烷和木质素单体生物合成途径,重点显示了木质素单体的合成途径[

Fi.1 Phenlroanoidandmonolinolbiosntheticathwasmainlshowinbiosnthesisathwasofmonolinols        gyppgypyygypyg  

;;AL:苯丙氨酸解氨酶PheammonialaseC4H:肉桂酸4innamate4hdroxlase4CL:4hdroxcin P --羟化酶C --羟基肉桂酰辅酶A连接酶4--yyyyy;;C/namoloAliaseC3H:对香豆酸3coumarate3hdroxlaseOMT:咖啡酸/5affeic5hdroxferulic-C -羟化酶p- --羟基阿魏酸-O-甲基转移酶C-ygyyyy;;HC;O-methltransferaseF5H:阿魏酸5erulate5hdroxlaseT:羟基肉桂酸转移酶HdroxcinnamoltransferaseCCoAOMT:咖acid -羟化酶F -yyyyyy;;啡酰辅酶A甲基转移酶CaffeoloA O-methltransferaseCCR:肉桂酰CoA还原酶CinnamoloAreductaseCAD:肉桂醇脱氢酶Cinnamlal-C-C --yyyy;;芦丁:R;山奈酚二糖苷阿魏酸:lcosidecoholdehdroenaseSAD:芥子醇脱氢酶Sinalalcoholdehdroenase.芦丁-7utin7utin - -糖苷:R--ygpyyggy;山奈酚二糖苷丙二酸酯:K;山奈酚-O;黄酮类化Kaemferoldilcosideferulicacidaemferoldilcosidemalonateaemferollcoside     -糖苷:K-O-pgypgypgy;苯丙氨酸:;肉桂酸:;对-香豆酸:;咖啡酸:;阿魏酸:;合物:FlavonoidPhenlalanineCinnamicacidcoumaricacidCaffeicacidFerulicacid5 -   -羟基yp;芥子酸:;对-香豆酰辅酶A:;香豆酰奎尼阿魏酸:5droxferulicacidSinaicacidcoumaroloA;香豆酰莽草酸:Coumarolshikimicacid-H  --C  yyppyy;咖啡酰辅酶A:酸:CoumarolacidCaffeoloA;阿魏酰辅酶A:FeruloloA;55hdroxferuloloA;芥子酰辅酶uinic  -C-C-羟基阿魏酰辅酶A:--Cyyyyyyq;咖啡醛:;松柏醛:;;A:SinaoloA;对-香豆醛:coumaraldehdeCaffeolaldehdeConiferaldehde55hdroxconiferaldehde-C- -羟基松柏醛:-pypyyyyyyy ;对-香豆醇:;松柏醇:;;芥子醇:芥子醛:SinaaldehdecoumarlalcoholConiferlalcohol55hdroxconiferlalcoholSinalal-  -羟基松柏醇:-  -pypyyyyypy ;过氧化物酶/漆酶:/;H型木质素:HcoholPeroxidaselaccaselinin;G型木质素:Glinin;S型木质素:Slinin.   ggg

其中S另外半纤维素、果胶和木聚糖的合成也减少,外层木质部表现出橙棕50%,linin比Glinin减少得更多,--gg

9]

。C并且伴随着纤维素比例的增加,改善了制浆特性[木质色且着色不均,CR下调的烟草(Nicotianatabacum) 

素含量降低,而C转录和代谢研究表明木质素合成途径与其他代AD下调植株的木质素中含有更多的醛类物质,

10]

。玉米(,谢途径相关联[Zea mas)CCR1基因插入突变体(Zmccr1CCR1基因的表达量只有野生型的31%,-)y

/其木质素含量有所下降且结构明显改变,并且消化性能提高,但未影响植H-linin含量明显下降,SG略有上升,g

11]

。另外,株的生长发育[由于苯丙氨酸代谢途径不仅生成木质素,还生成其他的植物次生代谢物,如类黄酮、羟

单宁酸等酚类化合物,因此,可通过降低木质素的生物合成来促进有益的可溶性酚类化合物生成。在基苯乙烯、

干扰C中,木质素含量降低,同时茎和叶中可溶性酚类物质的总CR基因的转基因番茄(Solanumlcoersicum) yp组分分析显示绿原酸和芦丁等含量增加,果实中酚类物质总量没有增加,但是组分发生改变,相应地提含量增加,

12]

。高了番茄提取物的抗氧化能力[

将3种肉桂醛(对-香豆醛、松柏醛和芥子醛)还原生成相应的3CAD催化木质素单体生物合成的最后一步,

[3]

种肉桂醇。S通过R中C发现这些植株茎中催化松aathoff等1NAi下调柳枝稷(Panicum viratum)AD表达,g

总木质素含量和表皮素含量也明显降低,且经过氢氧化铵预处理和纤维素酶消柏醛和芥子醛的CAD活性下降,

[4]化的研磨样品释放出的葡萄糖也多于野生型对照。F利用R结果显示ornalé等1NAi下调玉米CAD基因表达,

转基因植株细胞壁的成分发生变化,茎的细胞壁总木质素含量未受影响,在不同组织中CAD下调的程度不同,/并且积累了更多的纤维素和木聚糖,而中脉的细胞壁总木质素含量和多糖含量下降,转基因SG比例稍有下降,植株与野生型相比表型没有改变,但更容易降解,乙醇产量也较高。R中的NAi下调亚麻(Linum usitatissimum)

15]

。R木质素前体物质含量显著提高,木质素、果胶和半纤维素含量降低,转基因植株的弹性增加[CAD后,NAi[6]

。还有研究将拟南下调C植株生长发育正常,木质素含量未受影响,仅GAD1的转基因烟草,linin略有减少1-g

的突变体和C芥2种CAD基因(CAD C和CAD D)CR1的突变体杂交后发现其木质素含量比野生型减少了

17]

。木质素结构也发生改变,但植株严重矮化并伴有雄性不育症状[31%,

综上所述,利用R在多种植物中,可以通过降低木质素合成途径中相应酶的表NAi技术并结合转基因方法,达而获得木质素含量降低或者木质素组成改变的转基因植物。R在mRNAi是由双链RNA分子介导的、NA水平关闭相应基因表达的过程。因为R抑制基因表达效率高,,已被广泛应用于真核生物基因功NAi技术简单易行,

18]

。能的研究[

多年生黑麦草(是禾本科黑麦草属(植物,是优良的牧草和草坪草,但自交不亲和,Lolium erenne)Lolium)p传统育种困难而复杂。随着现代生物技术的发展,转基因技术已成为黑麦草遗传改良的有力工具,可通过RNAi

4]

。方法和转基因技术获得木质素含量降低的黑麦草[

19]

,本研究在本实验室已建立的多年生黑麦草转化体系上[优化转化方法,通过根癌农杆菌(Arobacteriumg

介导的R降低多年生黑麦草中C以期获得低木质素含量的多年生黑NAi技术,CR、CAD基因表达,tumeaciens)f为进一步培育高消化利用率的多年生黑麦草提供种质资源。麦草新材料,1 材料与方法1.1 材料

,多年生黑麦草品种“雅晴”由百绿草业公司惠赠。本实验在中国科学院成都生物研究所于2010年9月至2012年4月期间进行并完成。根癌农杆菌EHA105由本实验室保存。植物表达载体p2355由中国科学院成都生物研究所马欣荣实验室在p外源基因由多克隆位点区插入;中间载体pint由四CAMBIA2301基础上构建,SK-川省农业科学院黄维藻博士惠赠。载体示意图见图2。1.2 CAD和CCR基因片段的分离克隆

))根据N登录号:和C登录号:基因c选取其CBI中的黑麦草CAD(AF472591.1CR(AF278698.1DNA序列,中约2应用P分别设计C反向目的片段的上下游2对引物(表00~300brimer6.0软件,AD和CCR正、 p的片段,),正向片段和反向片段引物的扩增序列相同,而酶切位点不同,以使目的片段定向插入载体中。1

预期C加酶切位点1共计2加酶切位点1共计AD片段长度256b2b68bCCR片段长度194b2bp,p,p;p,p,206bp。

第22卷第5期草业学报2013年75

图2 载体结构简图Fi.2 Thecassetteofvectors   g

int结构简图。pintsimlifieddiaram.B:植物表达载体pheexressioncassetteoftheexresSKSK2355表达盒示意图。Tlant A:中间载体p--        -pgpppsionvectoriCAD和piCCR干扰片段表达盒示意图。TheexressionvectoriCADandiCCRin2355.C:重组植物表达载体p2323lant2323  --    -  - -pppppterferenceframentexressioncassettediaram.    gpg 

表1 用于扩增C反向片段的寡核苷酸引物AD、CCR正、

Table1 SeuencesofolionucleotiderimersusedforamlificationofCAD,CCRframents         qgppg

引物名称Primername 

cad1-cad2-cad3-cad4-ccr1-ccr2-ccr3-ccr4-

引物序列Primerseuences q

GGATCCGACGATGTGACGATCAAGGTGCTC GAGCGTCAGGGTGGGGCAGAAGTT GAGCTCGACGATGTGACGATCAAGGTGCTC GAATTCTGAGCGTCAGGGTGGGGCAGAAGTT GGATCCAAGCCGACCTCCTCGACTATGATGC AAGCTTGCCGATGGACGACGTGAACACC GAGCTCAAGCCGACCTCCTCGACTATGATGC GAATTCGCCGATGGACGACGTGAACACC 

酶切位点Restrictionsite 

扩增片段Amlificationframents pg

BamHI  HindIII SacI  EcoRI BamHI  HindIII SacI  EcoRI 

)。C预期长度2CAD正向片段(68bADfor -p)wardframent(exectedlenth268b.   gpgp。C预期长度2CAD反向片段(68bADre -p))verseframent(exectedlenth268b.   gpgp。C预期长度2CCR正向片段(06bCRfor -p))wardframent(exectedlenth206b.   gpgp。C预期长度2CCR反向片段(06bCRre -p))verseframent(exectedlenth206b.   gpgp

 下划线部分为酶切位点。

heunderlinedindicatethesitesofrestrictionenzmes. T       y

)用R反转录成c作为扩增目的片段NA,T-PCR试剂盒(TaKaRaDNA,  提取新鲜的野生型黑麦草叶片总R

。扩增条件为的模板。用引物c表1)ad1和cad2、ccr1和ccr2分别PCR扩增出CAD和CCR的正向片段(----;,,,(;。扩增产物经1%琼脂糖凝胶电泳,切下目94℃5min94℃45s55℃45s72℃45s35个循环)72℃7min()上海生工)回收后与p连接,筛选重组子并测序(上海的条带用DNA GelExtractionKitTaKaRaMD19  -T载体(,)生工)测序结果用D版本5.软件进行分析。NAMAN(2.2

以含有C分别以cAD或CCR正向片段的重组pad3和cad4、ccr3和ccr4为引物,MD19-T载体为模板,----,表1)再分别克隆到p筛选重组子,酶切验证并测序分PCR扩增出CAD和CCR的反向片段(MD19-T载体中,析。

1.3 piCAD和piCCR植物表达载体构建2323--

含有正向目的片段的重组p分别回收小片段,与经相同酶MD19amHI和HindIII双酶切,-T载体分别经B  切的中间载体p筛选重组子并酶切验证。再将含Cint连接,AD或CCR反向片段的重组pSKMD19--T载体分别用E回收小片段分别插入已经含有C筛coRI和SacI双酶切后,AD或CCR正向片段的重组中间载体相应位点, 酶切验证。分别获得含有干扰片段的中间载体p具有发卡结构的干扰片段分选重组子,iCAD和piCCR,SKSK--别称为iCAD和iCCR。

将重组中间载体分别用B分别获得iamHI和SacI双酶切后,CAD或iCCR目的片段。将目的片段分别插  


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本文编号:111039

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