分子植物育种,2010年,第8卷,第1期,第53—58页 Molecular Plant Breeding,2010,Vo1.8,No.1,53—58 研究报告 A Letter 马尾松体细胞胚胎发生相关基因PmSERK1的克隆与表达分析 高燕 席梦利 王桂凤 杨立伟1施季森1 1南京林业大学林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室,南京,210037;2上海大学上海市能源作物重点实验室,上海,200444 通讯作者,jshi@njfu.edu.Crl 摘 要体细胞胚胎发生不仅是植物微繁、种质保存的有效手段,同时也是研究高等植物胚胎发育和遗传转 化的模式系统之一。本研究从马尾松未成熟合子胚诱导的胚性细胞团中成功克隆了体胚发生受体激酶基因 PmSERK1。该基因全长2 303 bp,包含完整的开放阅读框,编码626个氨基酸,其蛋白分子量约为69 kD。序列分 析发现PmSERK1与其它植物的SERK基因高度同源。系统进化树重建表明,PmSERK1与已知参与体胚发生 的关键SERK基因聚为一类,如MtSERK1、CuSERK1、AtSERK1和DcSERK。表达分析显示:PmSERK1在主 要的组织器官(根、茎、针叶等)略有表达;但在诱导培养的非胚性愈伤中没有检测到表达,而在经继代培养的 胚性愈伤中表达很高且逐渐增加,且在培养20d时达到最高。另外,在再生的子叶胚中,PmSERK1的表达量 也很高。综上所述表明,PmSERK1是与体胚发生相关的关键SERK基因的直系同源基因,可以作为愈伤组织 胚性的标记基因。 关键词 马尾松,SERK,体胚发生,表达模式 Molecular Characterization and Expression Analysis of PmSERK1 During Somatic Embryogenesis in Masson Pine GaoYan XiMenli WangGuifeng YangLiwei Shi Jisen 1 Key Laboratory ofForest Genetics and Biotechnology,Ministry ofEducation,Nanjing Forest University,Naniing,210037;2 Shanghai Key Laborato— ry ofBio—Energy Crops,School ofLi ̄Sciences,Shanghai University,Shanghai,200444 Corresponding author,jshi@nVu.edu.cn DOI:10.3969/mpb.008.000053 Abstract Somatic embryogenesis is not only the most effective way to micro・・propagation and germplasm conser-- vation of plant,and also as a suitable model system for embryogenesis and genetic transformation of higher plants. We have cloned and characterized a somatic embryogenesis receptor kinase(SERK)gene nemed PmSERK1 from the embryogenic cell aggregates induced by immature zygotic embryos of Masson pine Pinus massoniana Lamb.). The full-length cDNA ofPmSERKI is 2 303 bp,contain an open reading frame,encoded a 626 amino acids peptide with protein of 69 kD.Sequence analysis ofPmSERK1 revealed hihg levels of homology to other plant SERK gene. Phylogenetic tree reconstruction showed PmSERK1 and other key SERK genes involved in evoking somatic em— bryogenesis such as MtSERK,,CuSERK1,A tSERK1,and DcSERK,were classified to one cluster.The expression analysis indicate that SERK1 expression were seen a 1ittle in the major plant tissues,such as root,stem,leave etc.; the PmSERK1 expression were barely detected in proliferating non—embryogenic calli,However,they could be de— tected in the secondary culutre embryogenic ealli,and the expression level was increased gradually,with a peak at the 20 days after subculture.Otherwise,the hi曲expression level of PmSERK1 was detected in the regenerated cotyledonary embryos.The results suggest that the isolated PmSERK1 could have homologous sequences of the key genes involved in somatic embryogenesis and might be as a marker gene ofembryonic capability ofcalli. Keywords Masson pine(P/nus massoniana Lamb.),SERK,Somatic embryogenesis,Expression pattern Ⅵ v、v.molplantbreed.org/doi/1 0.3969/mpb.008.000053 基金项目:本研究由国家948项目(2006—4一C02)资助 马尾松体细胞胚胎发生相关基因PmSERK1的克隆与表达分析 Molecular Characterization and Expression Analysis ofPmserkl During Somatic Embryogenesis in Masson Pine 55 的结构域,具有SERK基因的典型序列特征。在近N 基因肌动蛋白(Actin)为对照,用PmSERK1的特异性 端有一个膜扩展结构域,以及近C端有11个保守的 引物进行半定量RT—PCR分析。电泳结果显示该基因 蛋白激酶域(图3)。有研究表明,不同植物SERK基 在主要的组织器官(根、茎、针叶等)均略有表达;在增 因编码的蛋白质分子量、氨基酸组成都很接近。 殖的非胚性愈伤中没有表达,在继代培养的胚性愈伤 PmSERK1编码的蛋白(626个氨基酸)分子量约为 中表达逐渐增加且在培养20 d时达到最高。此外,在 69 kD,预测的pI为6.11。与已克隆的AtSERK1基 再生的子叶胚中,PmSERK1的表达量也很高(图51。 因编码625个氨基酸、分子量69 kD,A S职 和 OsSERK1编码的蛋白分别由627和628个氨基酸 2讨论 组成,分子量分别是69.125 kD和69.5 kD。这些相 似性使得不同植物的SERK蛋白具有保守的结构 特征,表明它们在植物生长发育过程中发挥了类似 的生物学功能(林庆光等,2007)。 1.3 SERK基因家族的系统进化分析 系统进化重建表明SERK基因可以分为3个主 要的分支(图41。第一分支主要包括一些主要的双子 叶植物;第二分支全部由单子叶植物组成。有趣的 是,同为双子叶植物的拟南芥单独归为一类。 单子叶分支可以明显分为3个亚类。已有研究 表明玉米的3个SERK基因是有功能的。其中,Zm一 .s朋K2和Z 5ER 明显来源于一次较近的基因复 制;而ZmSERK1则来自于更早的复制,发生在玉米 分化之前(Baudino et a1..2001)。这也与玉米SERK基 因在水稻中的ortholog(OsSERK1)的进化位置相一 致,产生于玉米和水稻分化之后。同样水稻中也有一 些拷贝来源于较近的和较古老的基因复制事件。这 种模式表明一些拷贝遗传自古老的单子叶植物,而 另一些则源于较近的基因复制。另外,单子叶的木本 植物椰子树的SERK单独具为一个亚类,表明其可 能来源于草本和木本植物分化之前。 双子叶植物分支则含有许多有证明有功能的 SERK基因,如DcSERK、MtSERK1等。与单子叶分 支类似,5职K基因的拷贝来源于古老及较近的基因 复制事件。本研究克隆的PmSERK1虽然是裸子植 物,但是在本研究的进化树中PmSERK1明显与双子 叶植物聚为一类。这表明SERK基因进化的复杂性及 深远的历史。但是,拟南芥中的5个拷贝则单独分为一 类,与已有的研究有不同: f.s职K 和AtSERK2归为 一类,而其余的3个成员聚为一类(Santos et a1.,2005)。 这也可能由于进化分析的算法不同,以及前人研究中 含有许多非全长的SERK基因序列,导致结果的偏差。 1.4 艇R 的表达分析 以马尾松旺盛生长期的根、一年生茎、针叶,胚 性愈伤继代培养不同时间及子叶胚为材料,同时管家 体细胞胚胎发生不仅是植物微繁、种质保存的 有效手段;同时也是研究高等植物胚胎发生和遗传 转化的的模式系统之一。在体细胞胚胎诱导培养过 程中,体细胞不仅组织形态及生理生化指标改变,而 且与该过程相关基因表达方式模式也发生变化。过 去二十多年,研究者们不断在寻找植物体细胞胚发 生过程中差异表达的基因。随着SERK基因首先从 胡萝卜胚性细胞中发现,相继在其它许多物种中克 隆并鉴定该基因。它是一类体细胞胚发生相关类受 体蛋白激酶基因。 蛋白激酶是生物生命活动中极其重要的一类蛋 白,一直是研究的热点。具有蛋白激酶结构域及活性 的SERK表达的非特异性和分布的广泛性,说明 SERK基因功能也是非特异的。~方面,SERK可以 作为体胚发生过程中胚性细胞的一种标记,标记胚 性细胞的形成及胚胎发生细胞;另一方面,它又在除 胚胎发生的其他发育过程中表达,表明SERK基因 不仅在体胚发生的诱导或维持中起重要作用,还可 能广泛地参与植物生长发育的其它生物学过程。 为了分析参与马尾松体胚发生的SERK基因的 结构与功能,本研究首次从裸子植物未成熟合子胚 诱导的胚性愈伤中成功克隆了一个全长基因,命名 为PmSERK1。序列分析及进化分析表明其与已发现 的体胚关键SERK基因具有很高的同源性,且为它 们的直系同源基因。如DcSERK,它是从胡萝卜 (O ̄us carota)下胚轴悬浮培养的胚性细胞中分离出 第一个SERK基因。表达分析发现它只在胚性细胞, 以及体胚发生过程中球形胚之前表达;而在非胚性 细胞及球形期后的体细胞胚中均不表达。表明Dc— SERK是胡萝卜体细胞胚发生过程中过渡性表达的 特异基因,且可以作为细胞是否具有胚性的标记基 因(Schmidt et a1.,1997)。Santos等(2005)从可可树 (Theobroma co ̄oo)叶芽诱导的胚性愈伤中克隆了 一 SERK,除了在起始诱导和反复继代培养的胚性愈伤 中高度表达外,还在成熟体胚和合子胚中表达,表明 TcSERK可能还参与胚胎的发育过程。而 阳 只 58 M分子植物育种 O1ecular PlaIlt Breeding 、】lnv、Ⅳ.molplantbreed.org DOI:10.3969/mpb.008.000053 n,同时以管家基因肌动蛋白(Actin)为对照。 反转录酶(TaKaRa)合成cDNA第一链。根据Gen. 伸5 miBank上胡萝b、玉米、拟南芥、大麦、小麦、水稻和杨 树等植物SERK基因序列的保守区域,设计了两条 兼并引物。PCR反应程序为:95℃预变性3 rain;然后 95℃,30 s,50℃,30s,72℃,l min,35个循环;72℃, 10 min,PCR产物用DNA Gel Extraction Kit(AXV— 参考文献 Baudino S.,Hansen S.,Brettschneider R.,Hecht V.F.G.,Dressel- hans T.,Lorz H.,Dumas C.,and Rogowsky P.M.,2001, Molecular characterization of two novel maize LRR recep— tor-like kinases,which belong to the SERK gene family, GEN公司)切胶回收。回收的产物连接到pGEM—Teasy (Promega)载体,转化蓝白斑筛选后,挑取白斑PCR Planta,213(1):1-10 Becrafi P.W.,1998,Receptor kinases in plant development, 验证后进行测序。 3.5砌 衄lJ全长cDNA的克隆 Trends in Plant Sci.,3(1O):384-388 Chang S.,Paryear J.,and Caimey J.,1993,A simple and eficifent method for isolation RNA from pine trees,Plant Mo1.Bio1. 取马尾松胚性愈伤组织ESM的总RNA 2 Ixg, 根据RACE试剂盒说明将其反转录合成cDNA,以 该cDNA为模板用5’和3’基因特异性引物及试剂盒 自带的RACE引物分别扩增相应全长基因的5’和3’ 末端。扩增程序为:94℃2min;94℃30 s,72℃90 s,5 Rep.,l1(2):ll4-ll7 Hecht V.,Vielle—Calzada J.P.,Hartog M.V.,Schmidt E.D.L., Boutilier K.,Grossniklaus U.,and de Vries S.C.,2001,The Arabidopsis somatic emeryogenesis receptor kinase 1 gene is expressed in developing Ovules and embryos and en— 个循环;94℃30 s,70℃1 min,5个循环;94℃30 s, 60~68 ̄C 30 s,72℃1 min,25个循环;72℃10 min; 4℃保存。退火温度根据所设计引物进行优化,扩增 产物经切胶回收后,取5O ng与pGEM.T载体 (Promega)连接,插入片段与载体的摩尔比为3:1。取 5 L连接产物转化DH5a感受态受体菌,涂板后 37℃培养过夜。基于蓝一白筛选法,从LB平板挑取 白色阳性克隆菌落接种到含3 mL LB液体培养液的 10mL管中,37 ̄C培养过夜取,1 mL菌液质粒提取试 剂盒Rapid plasmid miniprep isolation操作说明书提 取外源质粒DNA,余下菌液加入甘油至终浓度15%, hances embryogenic competence in culture,Plant Physio1., 127(3):803—816 Lin Q.G.,Cui B.M.,and Peng M.,2007,Advanced study on SERK genes family,Yichuan(Hereditas),29(6):681-687(林 庆光,崔百明,彭明,2007,SERK 基因家族的研究进展, 遗传,29(6):681.687) Santos M.D.O.,Romano E.,Yotoko K.S.C.,Tinoco M.L.P.,Dias B. B.A.,and Aragao F.J.L.,2005,Characterization of he cacao tsomatic embryogenesis receptor-like kinase(SERK)gene ex- pressed during somatic embryogenesis,Plant Sci.,168(3): 723.729 70℃保存。按AB公司的BigDye Terminator v3.1 Schmidt E.D.,Guzzo F.,Toonen M.A.,and de Vries S.C.,1997, A leucine・-rich repeat containing receptor-・like kinase marks somatic plant cells competent to form embryos,Develop— Cycle Sequencing Kit进行5’端双向测序反应,在 AB3 130xl遗传分析仪上电泳。 3.6 PmSE兄 序列的分析 ment,124(10):2049—2062 Sharp W.R.,Sondahl M.R.,Caldas L.S.,and Maraffa S…B 1980, The physiology ofin vitro asexual embryogenesis,Horticult. Rev..2:47—54 运用DNAMAN5.2软件去除载体序列进行拼接, 分析这些基因可能编码的蛋白质序列,并在GenBank 中用BLASTx进行同源性分析,并用该软件进行多 重比对(multiple alignment)分析。进一步用MEGA4.0 Wang,G.F.,2008,Identification nd afunctional analysis ofdifer- entially expressed genes in diferentiating xylem of Chinese 软件构建SERK基因家族的系统进化树。 3.7 Pm 的表达模式分析 ifr(Cunninghamia lanceolata)by suppression subtractive by- bridiatzion,Dissertation for Ph.D.,Nanjing Forestry Univer- sity,Supervisors:Shi J.S.,PP.36(王桂凤,2008,杉木木材 形成过程中差异表达基因的鉴定与功能分析,博士学位 论文,南京林业大学,导师:施季森,pp.36) Zhang X.R.,1 998,Leucine—ich repeatr receptor-like kinases in 分别提取马尾松旺盛生长期的根、一年生茎、 针叶,胚性愈伤继代培养不同时间及子叶胚期的 总RNA,反转录合成第一链cDNA,PCR反应条件 为94℃预变性1 min,随之94℃30 s,58℃30 s, 72℃30 s,分别23、28和33个循环,最后72℃延 plants,Plant Mo1.Bio1.Rep.,l6(4):301-31 1 Zimmerman J.L.,1993,Somatic embryogenesis:a model for early developmentinHigherPlntas,PlantCell,5(1 0):1411-1423