核糖体失活蛋白及其抗病毒转基因研究_徐翠莲
安徽农业科学,JournalofAnhuiAgri.Sci.2007,35(35):11416-11417,11419责任编辑张杨林责任校对王淼
核糖体失活蛋白及其抗病毒转基因研究
徐翠莲1,2,胡文明1
(1.塔里木大学植物科技学院,新疆阿拉尔843300;2.莱阳农学院,山东青岛266109)
摘要综述了几种常见核糖体失活蛋白在植物抗病毒基因工程中的研究,并对核糖体失活蛋白的发展前景进行了展望。关键词核糖体失活蛋白;商陆抗病毒蛋白;天花粉蛋白;玉米核糖体失活蛋白;抗病毒研究
文献标识码A文章编号0517-6611中图分类号Q78(2007)35-11416-02
ResearchonRibosome! inactivatingProteinandItsAntiviralTransgene
XUCui! lianetal(CollegeofPlantScienceandTechnology,TarimUniversiry,Alar,Xinjiang843300)
AbstractTheresearchesonseveralkindsofmainribosome! inactivatingprotein(RIP)inplantantiviralgeneengineeringweresummarizedandtheprospectofRIPwasexpected.
KeywordsRibosome! inactivatingprotein;Pokeweedantiviralprotein(PAP);Trichosanthin(TCS);Maizeribosome! inactivatingprotein;Antiviralresearch
植物病毒素称植物“癌症”,是农作物的主要病害之一。全世界每年因病毒病造成的产量损失大约占粮食总产量的
22.1
几种常见RIP及其抗病毒基因工程的研究
商陆抗病毒蛋白(Pokeweedantiviralprotein,PAP)
10%,因此,如何有效地防治植物病毒病成了农业生产中亟
待解决的一大难题。核糖体失活蛋白(Ribosome! inactivating
2.1.1PAP概况。PAP是从美洲商陆中分离出来的一种单
链碱性蛋白,分子量约为30kD,能专一水解真核生物核糖体26S/28SrRNA上一特定腺嘌呤处糖苷键,组织EF2/GTP复合物与核糖体60S大亚基的结合,使蛋白质合成受阻。PAP除能降解rRNA外,还具有双链超螺旋DNA切割活性[2]。在美洲商陆植物体内,存在4种抗病毒蛋白:PAP、PAP! Ⅱ、目前研究最为深入的抗病毒蛋白是PAP,PAP! S和PAP! H。
其分子量为29kD,在春季生长的商陆叶片中含量较高;
protein,RIP)具有广谱抗病毒作用,目前已被应用于抗病毒
基因工程的研究,并取得了一些显著成效,为病毒病防治和抗病毒品种的培育提供了一条重要的可行途径。
1RIP概述1.1RIP的特性
RIP具有RNAN! 糖苷酶活性,可特异地
水解去除大鼠28SrRNA3'端茎环结构的一个腺苷酸,阻止核糖体与延伸因子EF! Tu和EF! G结合及多肽链的延伸,从而抑制靶细胞的蛋白质合成。RIP能作用于核糖体使之失活,抑制蛋白质合成,不影响自身核糖体的活性,而对亲缘关系较远的核糖体表现不同程度的损伤。有些RIP还可以使病毒的核糖体失活[1],能有效阻止病毒的侵染。
PAP! Ⅱ,PAP! S分子量都是30kD,分别来自夏季生长的商
陆叶片和种子。PAP! H[3]是近年来从商陆根中分离出的一种试新型核糖体失活蛋白,分子量是29.5kD,等电点是7.8。验发现,PAP! H是商陆根的分泌物之一,纯化的PAP! H不具有抗真菌活性。
1.2RIP的类型根据分子结构,大体上可将RIP分为Ⅰ型2.1.2PAP基因的克隆及其在植物抗病毒基因工程中的研
究。PAP属典型的单链核糖体失活蛋白,对植物病毒和动物云南省农业生物技术重点实病毒均有广谱抗病毒作用[4-5]。
验室从美洲商陆中克隆了a! PAP基因,为抗病毒基因工程提供具有广谱抗性的基因[6]。中国科学院遗传所张海燕等[7]根据已发表的PAPcDNA序列,设计特异引物,对美洲商陆测序并将其构建在马铃薯蛋白抑制剂PAPcDNA进行克隆、
端损伤诱导型启动子下,通过激光微束穿刺法导入Ⅱ基因5′
甘蓝型油菜,经庆大霉素筛选,获得了抗性植株。攻毒试验证明,转化体对芜菁花叶病毒傅道(TuMV)具有较高抗性[8]。林等利用微束激光技术将损伤诱导型启动子驱动的PAP
其中Ⅰ型RIP只有一条多肽链,为碱RIP和Ⅱ型RIP两类。
性蛋白质,等电点(pI)大于10,相对分子量在20 ̄30kD之间,具有RNAN! 糖苷酶活性。如天花粉蛋白(Trichosanthin,)和美洲商陆抗病毒蛋白(Pokeweedantiviralprotein,PAP)TCS
等。Ⅱ型RIPs,如蓖麻毒蛋白Ricin,有A链和B链两条多肽链。A链与Ⅰ型单链RIP结构和功能相似,是活性链;而
B链有凝集素活性,能识别细胞膜上特定受体并与其结合,
协助A链进入细胞。
1.3RIP的体内加工RIP在植物中首先以无活性的前体
蛋白形式存在。前体蛋白中含有信号肽,该信号肽序列不仅具有指导蛋白定位功能,而且还能保护自身蛋白质合成体系不被破坏。它如同RIP的抑制剂,只有被解离掉以后,RIP才具有活性。Ⅰ型RIP前体蛋白加工过程相对简单,信号肽被切除后,即成为有活性的毒蛋白。Ⅱ型RIP加工过程相对复杂,它首先以无活性单链蛋白———前原蛋白形式被合成,信号肽被切除后仍为无活性单链前体蛋白———原蛋白,只有当内切酶水解掉中间十几个氨基酸序列之后,才形成有A、
cDNA导入马铃薯中,并首次利用庆大霉素筛选马铃薯再生
苗,获得了对PVX有高度抗性转基因植株[9]。从转基因植株生长情况和攻毒试验结果推测,PAPcDNA在损伤诱导型启动子控制下,在病毒侵染时,侵染点细胞就会启动PAP的表达,抑制病毒的复制与扩展。
2.22.2.1
天花粉蛋白(Trichosanthin,TCS)
TCS概况。TCS是中草药天花粉的主要药用成分,是
B链组成的真正毒蛋白。
作者简介收稿日期
徐翠莲(1979-),女,山东淄博人,硕士,讲师,从事植物抗
病毒基因工程研究。
从多年生草本植物栝楼(Trichosantheskirilewiimaxim)块根中提取出来的一种核糖体失活蛋白。天花粉蛋白在医学研究方面应用广泛,除能用于妊娠引产外,还能治疗各种滋养叶细胞疾病,对肿瘤细胞生长和多种乙型肝炎病毒均有抑制
2007! 07! 31
35卷35期徐翠莲等核糖体失活蛋白及其抗病毒转基因研究
11417
作用,同时还具有较强的抗HIV活性。病的抗性增强[24]。
2.2.2TCS基因的克隆及其在植物抗病毒基因工程中的研
究。北京大学1992年获得了具有自主知识产权的转TCS基因烟草[10];郑洪刚等克隆了TCS基因[11];徐琼芳等利用根癌农杆菌转化系统,将TCS! GUS融合基因导入烟草,获得了抗
3RIP的研究展望
近年来,国内外许多专家在RIP基因工程研究方面开展了大量的工作,然而对于RIP对植物病毒的抗性机理至今还没有形成统一认识,尚待进一步研究。早期认为,RIP对病毒的抗性在于它能抑制被病毒侵染过的核糖体活性,进而杀死细胞,病毒因得不到营养,被限制在单个细胞或局部水平,不能造成系统侵染,而使植物表现抗性。后来发现,一些随着植RIP能通过损害病毒的基因组直接抑制病毒的复制。物基因工程技术和分子生物学的快速发展,RIP已在烟草、番茄、马铃薯、油菜等作物中表达并对相应的病原菌表现一定程度的抗性。转RIP基因工程为植物病原菌防治,尤其是病毒病防治开辟了一条新途径。抗病原RIP除具有抗病毒、菌、抗病虫害活性外,还具有抗生育、抗肿瘤等诸多医药应用价值,具有广阔的研究和应用前景。参考文献
[1]单丽波,贾旭.核糖体失活蛋白及其在植物抗真菌病基因工程中的
应用[J].生物工程进展,2000,20(6):74-78.
[2]WANGP,TUMERNE.Pokeweedantiviralproteincleavesdouble! strandedsupercoiledDNAusingthesameactivesiterequiredtodepurinaterRNA[J].NucleicAcidsResearch,1999,27(8):1900-1905.
[3]SANG-WOOLPARK,CHRISTOPHERB,LAWRENCE.Isolationand
characterizationofanovelribosome! inactivatingproteinfromrootculturesofpokeweedanditsmechanismofsecretionfromroots[J].PlantPhysiology,2002,130:164-178.
[4]BONNESSMS,READYMP,IRVINJD,etal.Pokeweedantiviralproteininactivatespokeweedribosomes;implicationsfortheantiviral
(2):173-179.mechanism[J].thePlantJournal,1994,5
[5]SMIRNOVS,SHULAEVV,TUMERNE.ExpressionofPokeweed
antiviralproteinintransgenicplantsinducesvirusresistanceingraftedwild! typeplantsindependentlyofsalicylicacidaccumulationandpathogenesis! relatedproteinsynthesis[J].PlantPhysiol,1997,114:1113-1121.
测序及其[6]张海燕,刘桂珍,陈正华.商陆抗病毒蛋白cDNA的克隆、
植物表达载体的构建[J].植物学报,1999,41(2):226-228.
[7]赵扬.美洲商陆核基因组抗病毒蛋白基因的克隆及序列分析[J].云
南植物研究,1998,20(1):67-70.张海燕党本元周奕华,,,等.用激光微束刺法将PAPcDNA导入油[8]
菜获得转基因植株[J].中国激光,1999,26(11):1053-1056.
[9]傅道林,王兰岚,张海燕,等.用激光微束穿刺技术将商陆抗病毒蛋
白(PAP)cDNA导入马铃薯的研究[J].光子学报,2000,29(11):970-974.
序列测定及[10]鲍一明,楚瑞银,韩晋华,等.天花粉蛋白基因的克隆、
在大肠杆菌和烟草中的表达[J].中国科学(B辑),1992,14:944-950.
[11]郑洪刚,王斌,邵鹏柱,等.天花粉蛋白基因的克隆及序列分析[J].
遗传学报,1994,21(1):42-51.
[12]徐琼芳,金德敏,郭琼兆,天花粉蛋白基因导入烟草获得植株的研
究[J].中国农业科学,1994,27(2):89-91.
[13]何洪智,李晓兵,傅荣昭,等.TCS基因转化马铃薯合适条件的研究
(简报)[J].农业生物技术学报,1999,7(2):186-192.
[14]姜国勇,金德敏,翁曼丽,等.天花粉蛋白基因转化番茄的研究[J].
植物学报,1999,41(3):334-336.明小天王莉江安成才,,,等.利用农杆菌将天花粉蛋白基因转入水[15]
稻植株并检测抗稻瘟病活性[J].科学通报,2000,45(10):1080-1084
[16]徐琼芳,李连城,马有志,等.用天花粉蛋白基因转化小麦获得转基
因植株[J].遗传,2001,23(2):135-137.
[17]WALSHTA,MORGANAE,HEYTD.Characterizationand
molecularcloningofaproenzymeformofaribosome! inactivating
(34):23422-23427.proteinfrommaize[J].BiolChem,1991,266
[18]BASSHW,OBRIANGR,BOSTONRS.Cloningandsequencingof
(Zeamayasecondribosome! inactivatingproteingenefrommaize
TMV的转基因植株[12];何洪智等利用根癌农杆菌介导TCS
转入马铃薯中,得到了转化体植株,经分子杂交验证,TCS基因已被导入受体基因组[13]。莱阳农学院用农杆菌介导将
TCS基因和GUS基因耦联转入番茄中,获得了转基因植
株。田间抗性试验表明,转基因番茄对烟草花叶病毒(TMV)和抗区细胞病毒北京大学(CMV)均表现出较强的抗性[14]。蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室利用土壤农杆菌将天花粉蛋白基因转入水稻,获得了具有单拷贝外源基因插入并表达的水稻再生植株,经抗稻瘟病检测发现,转基因水稻对稻瘟病侵害至少有明显的延迟发病抗性[15]。徐琼芳等用含有35S启动子的TCS基因轰击小麦的胚性愈伤组织,获得了转基因植株,检测结果表明,转基因植株对小麦黄矮病有较强的抗性[16]。
2.32.3.1
玉米核糖体失活蛋白
玉米核糖体失活蛋白概况。玉米核糖体失活蛋白b!
32,分子量是34kD,等电点是6.5,又被称为玉米前体蛋白proRIP,是在玉米胚乳中特异表达的一种核糖体失活蛋白。
它首先以无活性的单链前体蛋白形式在胚乳中被合成,并在转录激活因子Opaque! 2控制下不断累积[17-18]。种子萌发过程中,经内源蛋白酶酶解去除N末端16个和C末端几个氨基酸以及中间25个氨基酸序列,形成由非共价连接的分子量分别是8.5kD和16.5kD[18]的双链毒蛋白α因此它βRIP。既不属于ⅡRIP,也不属于典型的ⅠRIP,而是一种双链Ⅰ型蛋白。在蛋白加工过程中蛋白的等电点由6.5上升到9.0,由无毒蛋白转变为活性毒蛋白,且有活性的毒蛋白不会对自身的核糖体产生不利影响[19]。
2.3.2玉米核糖体失活蛋白基因的克隆及其在植物抗病毒
基因工程中的研究。国外科研工作者分别从玉米不同组织中如种子和叶片中分离克隆了玉米RIP基因[17-20],大连理工大学也从玉米叶子中克隆到了玉米RIP基因,该基因序列全长828碱基对,其中编码区长275碱基对,共编码275氨基酸和一个终止密码子。与Bass(1995)发表的玉米RIP基因的同源性很高,核苷酸序列和氨基酸序列的同源性分别是莱阳农学院实验室从玉米胚芽中分离了98.4%和97.4%[21]。
玉米的核糖体失活蛋白基因z108和z178,其开放阅读框为(1995)发表903个碱基对,编码蛋白301个氨基酸,与Bass
的玉米RIP基因序列同源性很高,核苷酸序列的同源性是
98.6%和99.7%,并将原核表达的重组玉米核糖体失活蛋白
与3种微生物共培养,发现这一重组蛋白能抑制芽孢杆菌的生长,但不能抑制黑曲霉和青霉的生长[22]。迄今为止,玉米核糖体失活蛋白在植物基因工程中的研究为数不多。Dowd等在烟草中表达玉米核糖体失活蛋白基因,转基因后代对测试的昆虫表现不同水平的抗性。R2代对香烟甲虫的抗性明显增强。在R2代表现高抗的子代(R3代)对大多害虫具有广谱抗性,对取食玉米的害虫有明显的抗性[23]。Kim等将β! (RCH10)和经过修饰的玉米核糖体失活蛋1,3葡聚糖基因
白基因(MOD1)在水稻中共表达,获得的转基因水稻对枯萎
(下转第11419页)
35卷35期袁秀云等国槐植株再生技术研究
11419
2.2不同培养基对国槐器官愈伤组织诱导的影响在7、8和KT均能促进胚状体的产生。
表4不同培养基对国槐愈伤组织胚状体诱导率的影响号培养基上,国槐的子叶在7d时开始出现愈伤组织,在22
d时,有75%以上出现愈伤组织,愈伤组织致密,色绿;而叶
和下胚轴在15d时出现愈伤组织,但愈伤组织疏松,色黄,在5、30d时黄白色或死亡。6号培养基上,各种器官出现愈伤组织较晚,子叶、下胚轴和叶的愈伤组织与前二者相同由此可知,就器官而言,子叶最适合诱导愈伤组织,(表3)。
叶和下胚轴均不适合;就激素配比对愈伤组织诱导的影响来说,6! BA能促进愈伤组织的产生,KT对愈伤组织的诱导影响不及6! BA。
表3培养基器官
叶
下胚轴子叶叶
下胚轴子叶叶
下胚轴
不同培养基对国槐器官愈伤组织诱导的影响愈伤组织诱导结果
织,愈伤组织直径约1.5cm,较密,色绿
20d出现愈伤组织,色绿,30d时愈伤组织没有生长10d出现愈伤组织,疏松,色黄,30d愈伤组织死亡10d有50%出现愈伤组织,22d有75%出现愈伤组织,愈伤组织直径约1.0cm,较密,色绿
15d出现愈伤组织,色绿,30d时愈伤组织没有生长7d出现愈伤组织,疏松,色黄,30d愈伤组织黄白色7d出现愈伤组织,22d有90%出现愈伤组织,愈伤组织直径约1.5cm,较密,色绿
15d出现愈伤组织,色绿,30d时愈伤组织没有生长7d出现愈伤组织,疏松,色黄,30d时愈伤组织黄白色
7d出现愈伤组织,22d有100%出现愈伤组织,愈伤组织直径约1.5cm,致密,色绿
15d出现愈伤组织,色绿,30d时愈伤组织没有生长7d出现愈伤组织,疏松,色黄,30d时愈伤组织黄白色
6号7号8号5662248504.48.08.3
2.4不同培养基对国槐幼苗生长的影响将国槐高约1.0
cm的诱导芽移入9、10号培养基上进行培养,在9号培养
基上芽生长较快,35d时形成高约4.5cm的无根苗,50d时苗高约6.0cm;而在10号培养基上的芽生长缓慢,35d时约1.5cm。这说明6! BA1.0mg/L+NAA0.1mg/L的配比较适合国槐芽的生长,而6! BA和NAA含量高时反而不利于芽的生长;9、10号培养基均不诱导生根。
2.5不同培养基对国槐生根的影响将国槐无根苗分别
6号
接种在11、12号培养基上,30d时观察发现两种培养基均能促使国槐无根幼苗生根,生根率分别为60%和33%,活性炭对生根有一定的抑制作用(表5)。
表512号
不同培养基对国槐生根的影响
∥∥∥%
7号
8号子叶叶
下胚轴
12433
3结论与讨论
该试验结果表明,种子的萌发率与国槐的种子质量有
一般而言,在适宜的条件关,而与培养基的种类关系不大。
下,国槐种子通过水培就能发芽,在培养基条件下,各种激素可能起到促进种子萌发的作用;子叶最适宜产生愈伤组织,而叶、下胚轴不适合进行愈伤组织的诱导;MS+6! BA2.0
2.3不同培养基对国槐愈伤组织继代培养及胚状体芽诱
由于下胚轴的愈伤组织疏松,色黄,在30d时
导的影响
愈伤组织死亡;叶的愈伤组织诱导比较慢,且生长缓慢,所以在愈伤诱导30d时将从子叶获得的愈伤组织分别接种在5、6、7、8号培养基上进行继代培养及胚状体诱导,在各种培养基上,培养28d时愈伤组织均出现胚状体,胚状体的诱导率分别为4.0%、4.4%、8.0%、8.3%,7、8号培养基上的胚状体稍多,且36d时有些胚状体已经长出小芽(表4)。可见子叶的愈伤组织很容易产生胚状体及芽的分化,且6! BA(上接第11417页)
[19][20]
(2):661-662.L.)[J].Plantphysiol,1995,107
HEYTD,HARTLEYM,WALSHTA.Maizeribosome! inactivating
(b! 32)[J].Plantphysiol,1995,107:1323-1332.protein
BASSHW,WEBSTERC,OBRIANGR,etal.AMaizeribosome! inactivatingproteiniscontrolledbythetranscriptionalactivator
(4):225-234.Opaque-2[J].Plantcell,1992
范琦,高晓蓉,李文利,等.玉米核糖体失活蛋白基因的克隆及序列分析[J].生物工程学报,2000,16(4):457-460.
郭燕郊,王静云,王林华,等.玉米核糖体失活蛋白对3种微生物生
mg/L+NAA0.2mg/L的激素配比较适合对国槐子叶进行愈
伤组织的诱导,加0.5mg/L的KT效果更好;活性炭对防止植株褐变具有一定作用[1],但在该试验中活性炭不利于国槐幼苗的生根。参考文献
[1]郑文静,赵海岩,杨国立.植物组织培养操作过程中的常见问题及其
解决办法[J].辽宁农业科技,2001(2):49-51.
长抑制的研究[J].莱阳农学院学报:自然科学版,2006,23(4):326-
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
329.
[23]DOWDPF,ZUOWN,GILLIKINJW,etal.Enhancedresistance
toHelicoverpazeaintobaccoexpressinganactivatedformofmaizeribosome! inactivatingprotein[J].JAgricFoodChem,2003,51(12):3568-3574.
[24]KIMJK,JANGIC,WUR,etal.Co! expressionofamodified
Maizeribosomeinactivatingproteinandaricebasicchitinasegeneintransgenicriceplantsconfersenhancedresistanceto
(4):475-484.sheathblight[J].TransgenicRes,2003,12
[21][22]
##########$
#############################################$
GB/T7714-2005
##########$
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专利申请者或所有者.专利题名:专利国别,专利号[文献类型标志].公告日期或公开日期[引用日期].获取和访问路径.
示例:
[1]姜锡洲.一种温热外敷制备方案:中国,88105607.3[P].1989-07-26.
[2]西安电子科技大学.光折变自适应光外差探测方法:中国,01128777.2[P/OL].2002-03-06[2002-05-28].http:∥211.152.9.47/sipoasp/
zljs/hyjs-yx-new.asp?recid=01128777.2&leixin=0.
[3]TACHIBANAR,SHIMIZUS.KOBAYSHIS,etal.Electronicwatermarkingmethodandsystem:US,6,915,001[P/OL].2002-04-25[2002-
05-28].http:∥patftuspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sectl=PTO2&Sect2=HITOFF&p=1&u=/netahrml/search-bool.html&r=1&f=G&l=50&col=AND&d=ptxt&sl=′Electronic+watermarking+method+system′.TTL.&OS=TTL/.
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