胡杨PeNAC121基因启动子的分离鉴定和胁迫应答模式分析

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2022.02.008

植物研究 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (2): 234-242.doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2022.02.008

胡杨PeNAC121基因启动子的分离鉴定和胁迫应答模式分析

谢望, 李天静, 李鑫窈, 杨丰铭, 姚银安, 高永峰()

西南科技大学生命科学与工程学院，绵阳 621010

收稿日期:2021-03-04 出版日期:2022-03-20 发布日期:2022-02-22
通讯作者: 高永峰 E-mail:gaoyongfeng0263@gmail.com
作者简介:谢望（1995—）女，硕士研究生，主要从事树木抗逆和遗传改良。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(31770644);四川省教育厅资助科研项目(17ZB0456);西南科技大学博士基金项目(14zx7157);西南科技大学大学生创新基金项目(CX20-041)

Identification of PeNAC121 Gene Promoter and Stress Response Pattern Analysis in Populus euphratica

Wang Xie, Tianjing Li, Xinyao Li, Fenming Yang, Yin’an Yan, Yongfeng Gao()

School of Life Science and Engineering Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010

Received:2021-03-04 Online:2022-03-20 Published:2022-02-22
Contact: Yongfeng Gao E-mail:gaoyongfeng0263@gmail.com
About author:Xie Wang（1995—），female，master，mainly engaged in tree resilience and genetic improvement.
Supported by:
Foundation item the National Natural Science Foundation of China(31770644);Scientific Research Fund of the Education Department of Sichuan(17ZB0456);Doctoral Scientific Fun of Southwest University of Science and Technology(14zx7157);College students’ innovation fund of Southwest University of Science and Technology(CX20-041)

摘要/Abstract

摘要：

为了探究NAC转录因子家族成员在胡杨（Populus euphratica）逆境胁迫中的响应和调控机制，利用PCR技术从胡杨中克隆了PeNAC121基因的启动子序列，并采用生物信息学工具对该启动子的结构特征进行了分析，最后利用该启动子驱动GUS报告基因在三倍体毛白杨（Populus tomentosa）中表达，并对获得的转基因植株采用不同胁迫处理后进行了GUS染色和酶活性定量分析。结果表明，克隆获得的PeNAC121基因的启动子长度为1 997 bp（起始密码子ATG上游），启动序列中除了含有大量的光响应元件，还含有多个与非生物逆境胁迫和激素响应相关的元件，如低温响应元件LTR、干旱响应元件MBS、防卫和胁迫响应元件TC-rich repeats、脱落酸（ABA）响应元件、以及赤霉素（GA）响应元件等。基因的组织表达模式检测结果显示，PeNAC121基因主要在茎中表达，在根和叶中的表达较少。GUS组织化学染色和酶活性检测结果表明，胡杨PeNAC121启动子显著受到NaCl、甘露醇、ABA和4 ℃低温的诱导表达。由上述结果推测PeNAC121基因与胡杨的逆境胁迫应答密切相关，表明该基因的启动子是一个能够应答多种逆境胁迫的诱导型启动子。本研究为阐明PeNAC121基因在胡杨逆境响应和调控中的作用机制提供理论参考。

关键词: 胡杨, PeNAC121启动子, 逆境响应, 诱导型启动子

Abstract:

To explore the stress response and regulatory mechanism of NAC transcription factor family members in Populus euphratica， the promoter sequence of PeNAC121 gene was cloned from leaves of Populus euphrachiae by PCR and its structural characteristics were analyzed using bioinformatics tools. The PeNAC121 promoter was used to drive the expression of the GUS reporter gene in the triploid Populus tomentosa， and then GUS staining and enzyme activity quantitative analysis were performed in the obtained transgenic plants after different stress treatments. The cloned promoter sequence of PeNAC121 gene was 1 997 bp（located in the upstream of start codon ATG） in length， included a large number of light-responsive elements， and also contained a number of abiotic stress and phytohormone responsive elements， such as low temperature response element LTR， drought response element MBS， abscisic acid（ABA） response element， as well as gibberellin（GA） response elements， respectively. The result of tissue expression pattern showed that the PeNAC121 gene was mainly expressed in stemsof P. euphratica， with low expression in roots and leaves. The results of GUS histochemical staining and enzyme activity test of transgenic plants showed that the PeNAC121 promoter was significantly induced by NaCl， mannitol， ABA and 4 ℃ low temperature respectively. It was speculated from the above results that PeNAC121 gene was closely related to the response to stress. The results showed that the promoter of PeNAC121 gene was an inducible promoter responding to multiple stresses. The study provid a theoretical reference for elucidating the role of PeNAC121 gene in stress response and regulation of P. euphratica.

Key words: Populus euphratica, PeNAC121 promoter, stress response, inducible promoter

中图分类号:

S792.11

谢望, 李天静, 李鑫窈, 杨丰铭, 姚银安, 高永峰. 胡杨PeNAC121基因启动子的分离鉴定和胁迫应答模式分析[J]. 植物研究, 2022, 42(2): 234-242.

Wang Xie, Tianjing Li, Xinyao Li, Fenming Yang, Yin’an Yan, Yongfeng Gao. Identification of PeNAC121 Gene Promoter and Stress Response Pattern Analysis in Populus euphratica[J]. Bulletin of Botanical Research, 2022, 42(2): 234-242.

图/表 10

表1

图1

图2

表2

胡杨PeNAC121基因启动子中的顺式作用元件

元件 Element	功能 Function	核心序列 Core sequence	数量 Amount	位置 Position
非生物胁迫响应元件 Abiotic stress responsive elements
LTR	低温响应元件Low temperature response element	CCGAAA	1	-1 802（+）
MBS	参与干旱诱导MYB结合位点 Participate in drought induced MYB binding site	CAACTG	1	-63（-）
ARE	抗氧化反应元件 Antioxidant reaction element	AAACCA	2	-7（-） -1 401（-）
TC-rich repeats	防卫和胁迫响应顺式作用元件 Cis-acting element involved in defense and stress responsiveness	ATTCTCTAAC GTTTTCTTAC	2	-1 325（+） -1 782（-）
WUN-motif	创伤响应元件 Wound-responsive element	TTATTACAT TTATTACAT	2	-1 421（-） -1 365（-）
光响应元件 Light responsive elements
Box 4	参与光响应部分保守DNA组件 Part of a conserved DNA module involved in light responsiveness	ATTAAT	4	-1 050（+） -887（+） -845（+） -613（+）
G-Box	参与光响应的顺式调控元件 Cis-acting regulatory element involved in light responsiveness	CACGTT	1	-1 732（+）
G-box	参与光响应的顺式调控元件 Cis-acting regulatory element involved in light responsiveness	TACGTG	1	-1 104（+）
GT1-motif	光响应元件Light responsive element	GGTTAA	1	-1 806（-）
TCT-motif（光反应元件）	光响应元件Light responsive element	TCTTAC	2	-1 321（+） -1 327（-）
GATA-motif	光响应元件Light responsive element	GATAGGG	1	-1 549（+）
MRE（涉及光反应的MYB结合位点）	涉及光反应的MYB结合位点 MYB binding sites involved in light reactions	AACCTAA	1	-834（-）
chs-CMA1a（光反应元件）	光响应元件Light responsive element	TTACTTAA	1	-1 919（+）
植物激素响应元件 Phytohormone responsive elements
TATC-box（赤霉素反应作用元件）	赤霉素响应顺式作用元件 Cis-acting element involved in gibberellin responsiveness	TATCCCA	1	-1 031（+）
ABRE	脱落酸响应顺式作用元件 Cis-acting element involved in the abscisic acid responsiveness	ACGTG	2	-1 103（+） -1 727（-）

表2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 30

1	陈永快，王涛，廖水兰，等.逆境及生长调节剂对作物抗逆性的影响综述［J］.江苏农业科学，2019，47（23）：68-72.
	Chen Y K，Wang T，Liao S L，et al.Effects of stress and growth regulators on stress resistance of crops：a review［J］.Jiangsu Agricultural Sciences，2019，47（23）：68-72.
2	何凌仙子，贾志清，刘涛，等.植物适应逆境胁迫研究进展［J］.世界林业研究，2018，31（2）：13-18.
	He L X Z，Jia Z Q，Liu T，et al.Research progress in plants adaptability towards adversity stress［J］.World Forestry Research，2018，31（2）：13-18.
3	Shen S Y，Zhang Q R，Shi Y，et al.Genome-wide analysis of the NAC domain transcription factor gene family in Theobroma cacao［J］.Genes，2020，11（1）：35.
4	Baillo E H，Kimotho R N，Zhang Z B，et al.Transcription factors associated with abiotic and biotic stress tolerance and their potential for crops improvement［J］.Genes，2019，10（10）：771.
5	段俊枝，李莹，赵明忠，等.NAC转录因子在植物抗非生物胁迫基因工程中的应用进展［J］.作物杂志，2017（2）：14-22.
	Duan J Z，Li Y，Zhao M Z，et al.Progress on application of NAC transcription factors in plant abiotic tolerance genetic engineering［J］.Crops，2017（2）：14-22.
6	Fujita M，Fujita Y，Maruyama K，et al.A dehydration-induced NAC protein，RD26，is involved in a novel ABA-dependent stress-signaling pathway［J］.The Plant Journal，2004，39（6）：863-876.
7	Xu Z Y，Kim S Y，Hyeon D Y，et al.The Arabidopsis NAC transcription factor ANAC096 cooperates with bZIP-type transcription factors in dehydration and osmotic stress responses［J］.The Plant Cell，2013，25（11）：4708-4724.
8	Liu G Z，Li X L，Jin S X，et al.Overexpression of rice NAC gene SNAC1 improves drought and salt tolerance by enhancing root development and reducing transpiration rate in transgenic cotton［J］.PLoS One，2014，9（1）：e86895.
9	Hong Y B，Zhang H J，Huang L，et al.Overexpression of a stress-responsive NAC transcription factor gene ONAC022 improves drought and salt tolerance in rice［J］.Frontiers in Plant Science，2016，7：4.
10	Takasaki H，Maruyama K，Kidokoro S，et al.The abiotic stress-responsive NAC-type transcription factor OsNAC5 regulates stress-inducible genes and stress tolerance in rice［J］.Molecular Genetics and Genomics，2010，284（3）：173-183.
11	Jeong J S，Kim Y S，Redillas M C F R，et al.OsNAC5 overexpression enlarges root diameter in rice plants leading to enhanced drought tolerance and increased grain yield in the field［J］.Plant Biotechnology Journal，2013，11（1）：101-114.
12	Nakashima K，Tran L S，Van Nguyen D，et al.Functional analysis of a NAC-type transcription factor OsNAC6 involved in abiotic and biotic stress-responsive gene expression in rice［J］.The Plant Journal，2007，51（4）：617-630.
13	Lu M，Ying S，Zhang D F，et al.A maize stress-responsive NAC transcription factor，ZmSNAC1，confers enhanced tolerance to dehydration in transgenic Arabidopsis［J］.Plant Cell，2012，31（9）：1701-1711.
14	Mao X G，Zhang H Y，Qian X Y，et al.TaNAC2，a NAC-type wheat transcription factor conferring enhanced multiple abiotic stress tolerances in Arabidopsis［J］.Journal of Experimental Botany，2012，63（8）：2933-2946.
15	Huang Q J，Wang Y，Li B，et al.TaNAC29，a NAC transcription factor from wheat，enhances salt and drought tolerance in transgenic Arabidopsis［J］.BMC Plant Biology，2015，15：268.
16	Guan H R，Liu X，Niu F，et al.OoNAC72，a NAC-type Oxytropis ochrocephala transcription factor，conferring enhanced drought and salt stress tolerance in Arabidopsis［J］.Frontiers in Plant Science，2019，10：890.
17	Yu X W，Liu Y M，Wang S，et al.CarNAC4，a NAC-type chickpea transcription factor conferring enhanced drought and salt stress tolerances in Arabidopsis［J］.Plant Cell Reports，2016，35（3）：613-627.
18	Hou X M，Zhang H F，Liu S Y，et al.The NAC transcription factor CaNAC064 is a regulator of cold stress tolerance in peppers［J］.Plant Science，2020，291：110346.
19	Mao X G，Chen S S，Li A，et al.Novel NAC transcription factor TaNAC67 confers enhanced multi-abiotic stress tolerances in Arabidopsis［J］.PLoS One，2014，9（1）：e84359.
20	Huang L，Hong Y B，Zhang H J，et al.Rice NAC transcription factor ONAC095 plays opposite roles in drought and cold stress tolerance［J］.BMC Plant Biology，2016，16：203.
21	An J P，Li R，Qu F J，et al.An apple NAC transcription factor negatively regulates cold tolerance via CBF-dependent pathway［J］.Journal of Plant Physiology，2018，221：74-80.
22	Zhong R Q，Lee C，Ye Z H.Functional characterization of poplar wood-associated NAC domain transcription factors［J］.Plant Physiology，2010，152（2）：1044-1055.
23	Lescot M，Déhais P，Thijs G，et al.PlantCARE，a database of plant cis-acting regulatory elements and a portal to tools for in silico analysis of promoter sequences［J］.Nucleic Acids Research，2002，30（1）：325-327.
24	Sambrook J，Russell D W.Molecular cloning：a laboratory manual［M］.Cold Spring Harbor：Cold Spring Harbor Laboratory Press，2001：898-915.
25	高永峰，杨丰铭，李琴中，等.番茄SlWRKY31基因启动子的克隆与逆境应答模式分析［J］.西北植物学报，2018，38（12）：2155-2164.
	Gao Y F，Yang F M，Li Q Z，et al.Cloning and analysis of stress response pattern of SlWRKY31 gene promoter from tomato［J］.Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，2008，38（12）：2155-2164.
26	郭晋艳，郑晓瑜，邹翠霞，等.植物非生物胁迫诱导启动子顺式元件及转录因子研究进展［J］.生物技术通报，2011，（4）：16-20，30.
	Guo J Y，Zheng X Y，Zou C X，et al.Research progress of cis-elements of abiotic stress inducible promoters and associated transcription factors［J］.Biotechnology Bulletin，2011，（4）：16-20，30.
27	聂丽娜，夏兰琴，徐兆师，等.植物基因启动子的克隆及其功能研究进展［J］.植物遗传资源学报，2008，9（3）：385-391.
	Nie L N，Xia L Q，Xu Z S，et al.Progress on cloning and functional study of plant gene promoters［J］.Journal of Plant Genetic Resources，2008，9（3）：385-391.
28	Baloglu M C，Oz M T，Oktem H A，et al.Expression analysis of TaNAC69-1 and TtNAMB-2，wheat NAC family transcription factor genes under abiotic stress conditions in durum wheat（Triticum turgidum）［J］.Plant Molecular Biology Reporter，2012，30（5）：1246-1252.
29	Tak H，Negi S，Ganapathi T R.Banana NAC transcription factor MusaNAC042 is positively associated with drought and salinity tolerance［J］.Protoplasma，2017，254（2）：803-816.
30	Su L Y，Fang L C，Zhu Z F，et al.The transcription factor VaNAC17 from grapevine（Vitis amurensis） enhances drought tolerance by modulating jasmonic acid biosynthesis in transgenic Arabidopsis［J］.Plant Cell Reports，2020，39（5）：621-634.

名称 Name	序列 Sequence（5′—3′）	功能 Function
PeNAC121 Pro-F0	GGATTTATCAAGATTCAAGCCT	克隆PeNAC121启动子 Cloning NAC121 gene promoter
PeNAC121 Pro-R0	TTACAGGGTGGAGGTGAGC
PeNAC121 Pro-F1	AAGCTTAAGAGTGGGGCAGATGATACC
PeNAC121 Pro-R1	GGATCCATCGTTGCAGTCATTGCACC
qRT-PeUBQ-F	CCAAGCCCAAGAAGATCAAGC	检测PeNAC121组织表达表达模式 Detecting the tissue dexpression patterns of PeNAC121 gene
qRT-PeUBQ-R	GCACCGCACTCAGCATTAGG
qRT-PeNAC121-F	CTCACCTCCACCCTGTAATGC
qRT-PeNAC121-R	CCTTCCCCTCCAAATGCTC
NPTII-F	TCTCATGCTGGAGTTCTTCGC	鉴定转基因阳性植株 Checking transgenic positive plants
NPTII-R	GTCACCGACTTGAGCCATTTG	鉴定转基因阳性植株 Checking transgenic positive plants

[1]	代雅琦, 刘艳萍, 韩路, 王海珍. 地下水埋深对胡杨叶片光合作用及抗氧化物质积累的影响[J]. 植物研究, 2022, 42(2): 299-308.
[2]	王萌, 张冬, 陆燕茜, 肖化兴, 郑服丛, 张宇. 巴西橡胶树中小檗碱桥酶HbBBE1在逆境胁迫中的作用[J]. 植物研究, 2018, 38(5): 704-713.
[3]	黄文娟, 焦培培, 黄金花, 张丹. 塔里木河流域胡杨叶片解剖结构比较研究[J]. 植物研究, 2016, 36(5): 669-675.
[4]	司婧娜；周韬；徐放；薄文浩；邬荣领*. 胡杨无性系幼苗响应盐胁迫的miRNA表达差异研究[J]. 植物研究, 2015, 35(6): 836-842.
[5]	李加好；冯梅；李志军*. 胡杨叶片碳水化合物及可溶性蛋白特征与叶形变化和个体发育阶段的关系[J]. 植物研究, 2015, 35(4): 521-527.
[6]	王桂芹；郑玉华；胡顶超. 胡杨茎次生维管组织特点与生境之间的关系[J]. 植物研究, 2015, 35(1): 11-15.
[7]	焦培培;王彦芹;庞新安;李志军;*. 濒危物种胡杨和灰叶胡杨总DNA提取及RAPD体系优化[J]. 植物研究, 2012, 32(3): 320-325.
[8]	张青青;徐海量;叶茂;李吉玫;杨红梅;牛俊勇. 不同地下水埋深下胡杨叶片生理指标变化特点[J]. 植物研究, 2009, 29(4): 453-459.
[9]	朱馨蕾;马艳;张富春. 盐胁迫下胡杨cDNA文库的构建及其nhx*基因的克隆[J]. 植物研究, 2007, 27(1): 82-88.
[10]	刘建平, 周正立, 李志军, 龚卫江, 高山, 于军. 胡杨、灰叶胡杨果实空间分布及其数量特性的研究[J]. 植物研究, 2005, 25(3): 336-344.
[11]	刘建平, 周正立, 李志军, 龚卫江, 高山, 于军. 胡杨、灰叶胡杨花空间分布及数量特征研究[J]. 植物研究, 2004, 24(3): 278-283.
[12]	李晶, 李杰, 关英芝, 朱延明. 逆境诱导型启动子rd29A的克隆及植物表达载体的构建[J]. 植物研究, 2004, 24(1): 111-114.

胡杨PeNAC121基因启动子的分离鉴定和胁迫应答模式分析

Identification of PeNAC121 Gene Promoter and Stress Response Pattern Analysis in Populus euphratica

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 30

相关文章 12

编辑推荐

Metrics

本文评价