象草CCR的克隆、生物信息学分析及RNAi表达载体构建

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象草(Pennisetum purpureum)系禾本科(Gramineae)狼尾草属多年生C4草本植物。因具有产量高、营养丰富、适口性良好、适应性、抗逆性和再生能力强、生物质产量和热值高等特点,使象草成为热带、亚热带被广泛种植的优良饲用牧草、公路绿化和防护的理想植物、也是最具潜力的能源作物、重要的造纸原料、食用菌生产上不可多得的培养基成分。然而,木质素含量过高却在一定程度上制约着象草的充分利用,因此通过有效手段降低其木质素含量、优化木质素成分组成,对培育木质素改良的象草新品种具有重要的实践意义。  木质素的生物合成是由多种酶和多种物质参与的复杂过程。肉桂酰辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoA reductase,CCR,EC1.2.1.44)就是其中催化木质素单体生物合成第一步氧化还原反应的关键酶。它是类苯丙酸代谢的一个重要分支点,对木质素单体的生物合成起着重要作用。CCR的表达水平会直接影响木质素的含量与组成。调控象草CCR的表达,对于培育适用于多种利用方式的象草新品种具有重要的指导意义。  本文以华南象草为实验材料,对其CCR基因进行了克隆与生物信息学分析,并利用简便手段快速构建了CCR的RNAi表达载体。主要的研究结果如下:  (1)根据已克隆的禾本科植物CCR基因序列,经比对选择同源性高的区域设计简并引物。采用常规RT-PCR技术成功克隆了象草CCR的长为580 bp的EST序列,并在已知EST片段的基础上,将RT-PCR技术和RACE技术相结合,克隆得到了象草CCR包含编码区和3’非翻译区的长为1316 bp的cDNA序列,该序列编码369个氨基酸。而后,在cDNA序列的基础上又设计了南对特异性引物,成功扩增得到了象草CCR包含5个外显子和4个内含子的,全长为6133 bp的基因组DNA序列。象草CCR的mRNA序列、蛋白质序列、以及基因组全序列已提交的GenBank数据库,登录号分别为HQ889311、ADY39751和JN695588,并命名为PpCCR(Pennisetum purpureumCCR)。  (2)PpCCR与同属禾本科的柳枝稷(Panicum virgatum)的CCR序列相似性最高,为93%。PpCCR具有单子叶植物CCR基因的典型特征:编码区GC含量很高,为70%,且其编码的氨基酸序列中含有高度保守的辅因子结合区域和底物结合位点。PpCCR蛋白的二级结构元件以无规则卷曲和α-螺旋为主,是一个存在于细胞质中无明显跨膜结构的非可溶性蛋白、非分泌蛋白。通过对结构域分析得知,PpCCR属于依赖NAD表异构酶/脱氢酶家族。此外,对CCR的比对与系统进化分析表明PpCCR属于真正的CCR(real CCR),其编码的蛋白是负责组织和细胞壁中木质素生物合成的组成型表达蛋白。  (3)PpCCR的RNAi表达载体的构建:以克隆得到的长为580 bp的EST片段为干涉片段,通过TOPO反应构建了PpCCR的RNAi入门载体pEntry-CCR;再利用LR反应成功构建了PpCCR的RNAi表达载体pCB2004B-CCR。TOPO反应和LR反应的结合实现了最快速的RNAi表达载体的成功构建。最后,还通过冻融法将该表达载体成功转入农杆菌EHA105中。经多次检测证明,构建的RNAi表达载体在农杆菌中具有良好的遗传稳定性。PpCCR的RNAi表达载体的成功构建为下一步研究象草CCR的功能奠定了良好的实验基础。
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