本發(fā)明屬于抗除草劑蛋白質(zhì)領(lǐng)域,具體涉及具有抗除草劑活性的水稻蛋白質(zhì)、其編碼基因及應(yīng)用。
背景技術(shù):
近年來,雜草在稻田中的危害愈演愈烈。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人力成本的提高,水稻種植方式由費人工的插秧逐步向省人工的直播轉(zhuǎn)變,而直播方式的推廣使雜草在田間蔓延,成為影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一。尤其是雜草稻,在水稻田不斷自生、延續(xù),危害水稻生產(chǎn),是水稻田中僅次于稗草、千金子的第三大惡性雜草。由于雜草稻與栽培稻親緣關(guān)系密切,尚沒有理想的除草劑可以區(qū)別雜草稻和栽培稻。而種植抗除草劑水稻則可以避免這個問題。
水稻內(nèi)源的抗除草劑乙酰羥基酸合成酶(acetohydroxyacidsynthase,簡稱ahas)蛋白質(zhì)由ahas基因突變產(chǎn)生,表達抗除草劑ahas蛋白質(zhì)可以使植物獲得抗除草劑活性,解決田塊中的雜草問題。ahas蛋白質(zhì)主要分布在微生物和植物中,在動物中幾乎不存在,ahas抑制除草劑對人畜無害因此,發(fā)掘和研究具有抗除草劑活性的水稻ahas蛋白質(zhì)具有良好的創(chuàng)新性和經(jīng)濟價值。
目前,培育抗ahas抑制除草劑水稻的方法為以水稻種子或者植株為材料進行化學(xué)或者物理誘變,進行植物體內(nèi)基因組突變。這種方法獲得抗除草劑水稻的試驗時間長(大于3年),獲得新突變體難,突變結(jié)果為核苷酸單個堿基變化引起單個氨基酸的替換,容易與已經(jīng)存在的突變重復(fù),而且成功幾率小,通常突變成功率小于百萬分之一,很多實驗室進行超過5年的研發(fā)無法獲得新的突變體。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供具有抗除草劑活性的水稻蛋白質(zhì)、其編碼基因及應(yīng)用,其為抗多類型除草劑活性的水稻ahas突變體蛋白質(zhì),該蛋白質(zhì)具有抗咪唑啉酮類、磺酰脲類或者嘧啶類等多類型除草劑的活性,其編碼基因轉(zhuǎn)化的植物具有抗咪唑啉酮類、磺酰脲類或者嘧啶類等多類型除草劑的活性。
與目前通過體內(nèi)突變獲得的氨基酸替換突變體不同,本發(fā)明采用氨基酸刪除策略,通過基因體外突變,改造水稻ahas蛋白質(zhì),獲得水稻ahas突變體蛋白質(zhì),使其具有抗除草劑活性。
為了達到上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
具有抗除草劑活性的水稻蛋白質(zhì),其為水稻ahas突變體蛋白質(zhì),其氨基酸序列如如seqidno.1、seqidno.2、seqidno.5或seqidno.6所示。
本發(fā)明其氨基酸序列如seqidno.1或seqidno.2所示的抗除草劑活性的蛋白質(zhì)為前體全長蛋白質(zhì),該前體全長蛋白質(zhì)刪除信號肽后成為成熟蛋白質(zhì),與氨基酸序列seqidno.1、seqidno.2對應(yīng),其成熟氨基酸序列分別如seqidno.5、seqidno.6所示。
一種具有抗除草劑活性的基因,其為編碼所述具有抗除草劑活性的水稻蛋白質(zhì)的核苷酸序列。
進一步,所述核苷酸序列如seqidno.3、seqidno.4、seqidno.7或seqidno.8所示。
本發(fā)明所述具有抗除草劑活性的水稻蛋白質(zhì)用于培育抗咪唑啉酮類、磺酰脲類和嘧啶類除草劑植物。
一種獲得抗咪唑啉酮類、磺酰脲類和嘧啶類等多類型除草劑植物的方法,包括,將所述水稻ahas突變體蛋白質(zhì)的編碼基因轉(zhuǎn)化到植物中,使所述植物產(chǎn)生具有抗除草劑活性的水稻乙酰羥基酸合成酶的突變體蛋白質(zhì)。
進一步,所述編碼基因的核苷酸序列如seqidno.3、seqidno.4、seqidno.7或seqidno.8所示。
進一步,所述咪唑啉酮類除草劑為咪唑乙煙酸、甲氧咪草煙或者甲基咪草煙,但不限于這幾種咪唑啉酮類除草劑。
又,所述磺酰脲類除草劑為氯磺隆、氯嘧磺隆、甲嘧磺隆,但不限于這幾種磺酰脲類除草劑。
優(yōu)選地,所述嘧啶類除草劑為雙草醚,但不限于這種嘧啶類除草劑。
進一步,所述植物為水稻、玉米或棉花,但不限于這幾種植物。
本發(fā)明抗除草劑活性的蛋白質(zhì),該蛋白質(zhì)為水稻(粳稻或秈稻)中經(jīng)過人工改造的ahas突變體蛋白質(zhì),源于其基因組中ahas基因的表達,將水稻ahas通過體外突變,獲得ahas突變體蛋白質(zhì),其氨基酸序列的特點為:與野生型水稻ahas蛋白質(zhì)相比,缺失trp548位點氨基酸,該突變體蛋白質(zhì)對咪唑啉酮類、磺酰脲類和嘧啶類等多類型除草劑具有抗性。
將本發(fā)明獲得的ahas突變體蛋白質(zhì)的編碼基因轉(zhuǎn)化到植物中,在植物中進行表達,使植物中含有ahas突變體蛋白質(zhì),可使植物具有抗咪唑啉酮類、磺酰脲類和嘧啶羧酸類等多類型除草劑的活性。
本發(fā)明的ahas突變體蛋白質(zhì)的編碼基因的核苷酸序列不限于水稻內(nèi)源序列,可以是表達所述蛋白質(zhì)的人工合成核苷酸序列。
在水稻、玉米或者棉花中表達水稻ahas突變體,得到轉(zhuǎn)基因水稻r-ajm5和r-aim5、轉(zhuǎn)基因玉米m-ajm5和m-aim5、轉(zhuǎn)基因棉花c-ajm5和c-aim5,在轉(zhuǎn)基因植物和野生型植物苗期噴灑抗咪唑啉酮類、磺酰脲類或者嘧啶羧酸類等多類型除草劑,野生型植物植株全部死亡,轉(zhuǎn)基因植物全部存活。說明表達本發(fā)明水稻ahas突變體的植物具有抗咪唑啉酮類、磺酰脲類或者嘧啶羧酸類等多類型除草劑活性。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:
1)本發(fā)明采用氨基酸刪除策略,對氨基酸進行定點突變,對刪除氨基酸后的突變體蛋白質(zhì)進行體外抗除草劑活性測定,為開發(fā)更多新型抗除草劑ahas突變體蛋白質(zhì)提供基礎(chǔ),具有操作簡單,篩選過程簡單、創(chuàng)新性強等優(yōu)點,發(fā)掘了水稻內(nèi)源抗除草劑基因,增加抗除草劑基因的種類。
2)本發(fā)明的ahas突變體蛋白質(zhì)是通過體外突變獲得的,體外突變具有可設(shè)計性強、試驗時間短、創(chuàng)新性強等體內(nèi)突變無法比擬的優(yōu)點,獲得突變體時間小于2個月,同時,通過特定的突變設(shè)計,避免與已報道ahas突變體蛋白質(zhì)重復(fù)。
3)將本發(fā)明ahsa突變體蛋白質(zhì)的編碼基因表達后,獲得的ahas全長突變體蛋白質(zhì)和ahas無信號肽成熟突變體蛋白質(zhì)均具有抗咪唑啉酮類、磺酰脲類和嘧啶羧酸類等多類型除草劑的活性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例1中純化后的ahas蛋白質(zhì)sds-page電泳圖;
其中,泳道1:純化后ajm5s的蛋白質(zhì);泳道2:純化后的aim5s蛋白質(zhì);泳道3:純化后的ajws蛋白質(zhì);泳道4:純化后的aiws蛋白質(zhì);mk:蛋白質(zhì)marker,分子量已在圖上標(biāo)出。
圖2-圖3本發(fā)明實施例2中ajm5s和aim5s及其對照ajws和aiws對咪唑啉酮類除草劑(咪唑乙煙酸和甲氧咪草煙)的抗性曲線圖
圖4本發(fā)明實施例2中ajm5s和aim5s及其對照ajws和aiws對嘧啶羧酸類除草劑(雙草醚)的抗性曲線圖。
圖5-圖7為本發(fā)明實施例2中ajm5s和aim5s及其對照ajws和aiws對磺酰脲類除草劑(氯磺隆、氯嘧磺隆、甲嘧磺隆)的抗性曲線圖。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
以下實施例中,如無特殊說明為《分子克隆實驗指南》(科學(xué)出版社,2002年)所記載方法。
引物合成和測序委托生工上海生物工程股份有限公司進行,試劑、菌株、載體等實驗用品從杭州西格瑪生物技術(shù)公司購買。
咪唑煙乙酸除草劑為山東先達公司的“豆說好”,稀釋濃度為稀釋200倍。甲基咪草煙除草劑為德國巴斯夫公司的“百壟通”,稀釋濃度為稀釋1000倍。甲氧咪草煙除草劑為美國氰胺公司的“金豆”,稀釋濃度為稀釋100倍。氯磺隆除草劑為江蘇省激素研究所股份有限公司的“氯磺隆”,稀釋濃度為稀釋20000倍。氯嘧磺隆除草劑為江蘇省激素研究所股份有限公司的“氯嘧磺隆”,稀釋濃度為稀釋5000倍。甲嘧磺隆除草劑為江蘇瑞邦農(nóng)藥廠的“森草凈”,稀釋濃度為稀釋5000倍。雙草醚除草劑為江蘇省激素研究所股份有限公司的“雙草醚”,稀釋濃度為稀釋1000倍。
實施例1獲得水稻(粳稻及秈稻)ahas突變體蛋白質(zhì),包括以下步驟:
1.利用粳稻構(gòu)建刪除trp548氨基酸的ahas基因
(1)通過多聚合鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(pcr)的方法,從粳稻基因組中擴增出ahas基因ajw(ncbi序列號:nc_029257.1)。
其中,進行pcr反應(yīng)使用的引物為:
ra1f:5'atggctacgaccgccgcggc;
ra1r:5'ttaatacacagtcctgccatcacca。
pcr反應(yīng)體系為:2×高保真聚合酶預(yù)混液50μl、引物ra1f(10μm)4μl、引物ra1r(10μm)4μl、野生型水稻基因組dna1μl和去離子水41μl,總體積為100μl。
pcr程序:a)95℃,10分鐘;b)95℃,40秒;c)52℃,40秒;d)68℃,2分鐘;e)循環(huán)步驟2-4,25次;f)68℃,10分鐘;g)16℃,保存。
(2)通過瓊脂糖電泳分離、純化出pcr產(chǎn)物,即ajw基因,將pcr產(chǎn)物進行t克隆(pgemt,美國promega公司),獲得t-ajw。
(3)以t-ajw為模板,使用引物osa548f和osa548r,進行pcr反應(yīng),將pcr產(chǎn)物進行t克隆,獲得刪除trp548氨基酸的突變體克隆t-ajm5。
其中,pcr反應(yīng)體系和程序中,除模板和引物外其它條件與步驟1)相同。
引物的具體序列為:
osa548f:5'catttgggtatggtggtgcaagaggataggttttacaaggc;
osa548r:5'gccttgtaaaacctatcctcttgcaccaccatacccaaatg。
其中,ajm5的dna序列如seqidno.3所示,氨基酸序列如seqidno.1所示。
(4)同理,利用秈稻構(gòu)建刪除trp548氨基酸的ahas基因:
使用與上述利用粳稻構(gòu)建刪除trp548氨基酸的ahas基因時,所使用的引物及實驗過程,通過pcr方法,使用引物ra1f和ra1r從秈稻基因組中擴增出ahas基因aiw(ncbi序列號:eu548084),獲得t-aiw,再以t-aiw為模板,使用引物osa548f和osa548r,進行pcr反應(yīng),將pcr產(chǎn)物進行t克隆,獲得刪除trp548氨基酸的突變體克隆t-aim5,其中,aim5的dna序列如seqidno.4所示,氨基酸序列如seqidno.2所示。
2.表達、純化刪除信號肽的ahas成熟蛋白質(zhì)
(1)以上述步驟1中獲得的t-ajw為模板,使用引物osabam和osaeco進行pcr反應(yīng),將pcr產(chǎn)物進行t克隆,獲得刪除信號肽的粳稻克隆t-ajws。
其中,pcr反應(yīng)體系和程序中,除模板和引物外其它條件與上述步驟1相同,引物的具體序列為:
osabam:5'ggatccacgccgctccggccgtgggggcc;
osaeco:5'gaattcttaatacatagtcctgccatcac。
(2)構(gòu)建蛋白質(zhì)表達載體,將ajws克隆入pgex4t2(pgex4t2,美國ge生命科學(xué)公司),獲得表達無信號肽的ahas野生型蛋白質(zhì)的載體4t2-ajws。
(3)將表達無信號肽的ahas野生型蛋白質(zhì)的載體4t2-ra1ws轉(zhuǎn)入表達菌株rosetta中,培養(yǎng)、收獲細胞,超聲波破碎細胞,將離心獲得上清液通過gst柱,清洗gst柱,洗脫,獲得成熟的粳稻野生型蛋白質(zhì)ajws。
用與上述步驟2(1)-2(3)同樣的方法,以t-aiw為模板,使用引物osabam和osaeco,進行pcr反應(yīng),將pcr產(chǎn)物進行t克隆,構(gòu)建蛋白質(zhì)表達載體,獲得無信號肽的秈稻野生型ahas蛋白質(zhì)的載體4t2-aiws,再通過表達菌株rosetta進行表達,獲得無信號肽的成熟秈稻野生型蛋白質(zhì)aiws。
用與上述步驟2(1)-2(3)同樣的方法,以t-ajm5為模板,使用引物osabam和osaeco,進行pcr反應(yīng),將pcr產(chǎn)物進行t克隆,構(gòu)建蛋白質(zhì)表達載體,獲得無信號肽而且刪除trp548氨基酸的表達成熟粳稻ahas突變體蛋白質(zhì)的載體4t2-ajm5s,再通過表達菌株rosetta進行表達,獲得無信號肽而且刪除trp548氨基酸的成熟粳稻ahas突變體蛋白質(zhì)ajm5s,其氨基酸序列如seqidno.5所示,dna序列如seqidno.7所示。
用與上述步驟2(1)-2(3)同樣的方法,以t-aim5為模板,使用引物osabam和osaeco,進行pcr反應(yīng),將pcr產(chǎn)物進行t克隆,構(gòu)建蛋白質(zhì)表達載體,獲得無信號肽且刪除trp548氨基酸的表達成熟秈稻ahas突變體蛋白質(zhì)的載體4t2-aim5s,再通過表達菌株rosetta進行表達,獲得無信號肽且刪除trp548氨基酸的成熟秈稻ahas突變體蛋白質(zhì)aim5s,其氨基酸序列如seqidno.6所示,dna序列如seqidno.8所示。
將獲得的野生型蛋白質(zhì)ajws、aiws和成熟的ahas突變體蛋白質(zhì)ajm5s、aim5s進行sds-page電泳檢測,獲得蛋白質(zhì)膠,蛋白質(zhì)膠參見圖1。
由圖1可見,泳道1至泳道4中的ahas蛋白質(zhì)在90kda位置具有明顯條帶,此位置與蛋白質(zhì)理論大小相符。此外,該蛋白質(zhì)條帶在整個泳道的蛋白質(zhì)條帶中占主要比例,說明獲得了高純度的ahas蛋白質(zhì)。
實施例2檢測ahas突變體蛋白質(zhì)對除草劑的抗性
分別以實施例1獲得的變體蛋白質(zhì)ajm5s和aim5s、野生型蛋白質(zhì)ajws和aiws為檢測主體,水為空白對照處理,以濃度在0-100μm的不同品種除草劑(咪唑煙乙酸、甲氧咪草煙、雙草醚、氯磺隆、氯嘧磺隆、甲嘧磺隆)為影響因素,進行抗除草劑生物測定。
在2ml離心管中配置溶液反應(yīng)體系:450μl測定緩沖液,10μlahas蛋白質(zhì)(ajm5s、aim5s、ajws或aiws,0.5μg/μl),40μl影響因素溶液(水為空白對照處理,除草劑為影響因素),總體積500μl。
ahas活性測定緩沖液:100mm丙酮酸鈉,10mm氯化鎂,1mmtpp,50μmfad,50mm磷酸鹽,ph7.4。
反應(yīng)程序:將含有不同影響因素反應(yīng)體系的離心管置于37℃反應(yīng)1小時;20μl30%硫酸終止反應(yīng),60℃反應(yīng)0.5小時,加入250μl1.7%α-萘酚,0.17%肌酸,60℃顯色0.5小時。從離心管中取出200μl,檢測含有不同影響因素的溶液在525nm吸光度值。
檢測結(jié)果:以除草劑濃度為0(影響因素溶液為水對照)的野生型蛋白質(zhì)ajws處理的525nm吸光度值為100%活性,計算野生型和突變體蛋白質(zhì)在不同影響因素條件下的活性比例,繪制曲線圖,結(jié)果參見圖2-圖7。
由圖2-圖7可見,隨著咪唑啉酮類、磺酰脲類或者嘧啶羧酸類等多類型除草劑的增加,野生型蛋白質(zhì)ajws、aiws的活性降低至0;而突變體蛋白質(zhì)ajm5s、aim5s的活性在高濃度除草劑(氯磺隆除外)中依然保持接近100%活性,在高濃度氯磺隆中保持80%活性。
因此,本發(fā)明的突變體蛋白質(zhì)ajm5s和aim5s對咪唑啉酮類、磺酰脲類或者嘧啶羧酸類等多類型除草劑具有抗性。
實施例3水稻ahas突變體基因在植物中的轉(zhuǎn)化及表達
1.構(gòu)建ahas突變體蛋白質(zhì)的表達元件
為了在單子葉及雙子葉植物中表達ahas突變體蛋白質(zhì),以pcambia1300載體(簡稱1300)為載體,用辣椒斑駁病毒35s(簡稱35s)啟動子和終止子構(gòu)建ahas表達元件,35s啟動子和終止子dna序列見http://www.snapgene.com/resources/plasmid_files/plant_vectors/pcambia1300/,具體步驟如下:
(1)以實施例1獲得的t-ajm5為模板,使用引物rabam2和rasac,通過pcr和bamh1/sac1雙酶切,獲得ahas突變體片段ajm5t。
其中,引物序列為:
rabam2:5'gtgggatccatggctacgaccgccgcggc;
rasac:5'gtggagctcttaatacatagtcctgccatcac。
(2)以1300載體為模板,使用引物35s-hind和35s-bam,通過pcr和bamh1/hind3雙酶切,獲得啟動子片段35s;
其中,引物序列為:
35s-hind:5'gcgaagcttcatggagtcaaagattcaaa;
35s-bam:5'gtgggatccagtcccccgtgttctctccaaatgaa。
(3)以1300載體為模板,使用引物ter-sac和ter-kpn,通過pcr和bamh1/hind3雙酶切,獲得終止子片段ter;
其中,引物序列為:
ter-sac:5'gtggagctcagtagatgccgaccggatctgt;
ter-kpn:5'cagggtacccgccgaattaattcggggga。
(4)將1300進行hindiii/saci雙酶切,獲得片段1300hs,與35s和ajm5t進行連接、克隆,獲得1300-35s-ajm5。
(5)將1300-35s-ajm5進行saci/kpni雙酶切,與ter連接、克隆,獲得表達粳稻ahas突變體的載體1300-ajm5。
同理,以t-aim5為模板,通過與本實施例步驟1(1)-1(5)相同步驟和引物,獲得表達粳稻ahas突變體的載體1300-aim5。
(6)將獲得的載體1300-ajm5和載體1300-aim5分別轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌菌株lba4044中,獲得表達ahas突變體蛋白質(zhì)的植物轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌。
2.獲得表達ahas突變體蛋白質(zhì)的植物
轉(zhuǎn)基因植物的獲得方法為現(xiàn)有成熟技術(shù),轉(zhuǎn)基因植物制備委托上海博祈生物科技有限公司進行。
使用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將載體1300-ajm5和1300-aim5分別轉(zhuǎn)入水稻、玉米和棉花中,獲得轉(zhuǎn)基因水稻r-ajm5和r-aim5、轉(zhuǎn)基因玉米m-ajm5和m-aim5、轉(zhuǎn)基因棉花c-ajm5和c-aim5。
在所獲得的轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因水稻r-ajm5和r-aim5、轉(zhuǎn)基因玉米m-ajm5和m-aim5、轉(zhuǎn)基因棉花c-ajm5和c-aim5和對應(yīng)野生型植物的苗期噴除草劑,十天后,統(tǒng)計死亡率,結(jié)果參見表1。
表1
備注:*水稻自身對雙草醚具有抗性,由實施例2中的蛋白質(zhì)活性測定實驗可以推斷該抗性并非來源于本發(fā)明的ahas突變體蛋白質(zhì)。
由表1可知,野生型植物植株全部死亡,而轉(zhuǎn)基因植物全部存活,說明表達本發(fā)明ahas突變體蛋白質(zhì)的植物具有抗咪唑啉酮類、磺酰脲類或者嘧啶羧酸類等多類型除草劑活性。
<110>上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院
<120>具有抗除草劑活性的水稻蛋白質(zhì)、其編碼基因及其應(yīng)用
<130>1711033
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