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花生是一种重要的油料作物,其种子富含蛋白质和脂肪。花生种子中的贮藏性脂肪储藏在被称为油体的细胞器中。油体表面存在称为油质蛋白(Oleosin)的蛋白质,它们在种子中高效表达,而在营养组织中没有表达。本文的主要目的是从花生种子中克隆种子特异表达启动子,为研究其表达调控机理提供序列资源,同时也为植物基因工程表达载体提供可供选择的调控元件。另外,通过研究花生油质蛋白基因在不同表达活性时其组蛋白修饰和装配方面的差异,进一步扩展对种子特异表达基因调控机理的认识。
采用定量RT—PCR技术,测定了4个花生油质蛋白基因(AhOleo14.3、AhOleo16.9、AhOleo17.8和AhOleo18.5)在种子成熟过程中的转录水平变化。结果显示它们的表达模式相似,即从种子成熟早期到成熟中后期,表达量不断提高,种子成熟晚期的表达开始下降。利用衔接头PCR方法克隆到AhOleo17.8和AhOleo18.5基因上游启动子区片段,长度分别为1598bp和303bp。分析两个启动子序列,发现存在转录需要的重要序列以及参与种子特异表达调控有关的顺式元件,如RY元件、G框、E盒、AACAA元件等。将AhOleo17.8上游启动子区序列及4段缺失序列分别接于载体pBI101.1的GUS基因上游。成功构建插入5个AhOleo17.8启动子缺失部分上游序列驱动GUS基因的载体(P-1598、P-1072、P—724、P—378和P-136)。用农杆菌介导的花序浸泡法转化拟南芥得到转化植株。对P-1072和P-136转基因的植株不同组织进行GUS染色分析,发现P-1072检测到GUS仅在种子中存在。对其种子进行萌发后染色分析,检测到GUS染色在植株萌发14-18天时基本消失。P-136在任何组织中都没能检测到GUS染色存在。上述结果说明,1072bp长的AhOleo17.8启动子具有驱动基因在种子中特异表达的能力。
染色体免疫沉淀实验发现在成熟后期花生种子中油质蛋白基因核心启动子区和编码区组蛋白H3占位水平远远低于根茎叶中的水平。也就是说油质蛋白基因高效表达时,其核心启动子和编码区组蛋白发生了丢失。同时我们还观察到组蛋白乙酰化水平的的下降,这个结果是出乎我们意料的,因为乙酰化通常同基因表达正相关。但是,进一步的实验发现在种子发育早期,油质蛋白基因核心启动子和编码区组蛋白H3确实发生了超乙酰化。表明乙酰化参与了该基因表达调控的早期阶段。最后,实验还发现根茎叶中油质蛋白基因核心启动子和编码区组蛋白H3K9双甲基化水平高于发育早期种子。因此H3K9双甲基化参与了油质蛋白基因在营养组织中表达的压制。这些结果表明组蛋白丢失涉及油质蛋白基因的高效表达,乙酰化很可能参与了该基因的活化,而H3K9双甲基化则贡献了它的抑制作用。