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提高Btcry基因在转基因作物中的表达水平是抗虫转基因研究的重要方面。大约80%-85%的植物基因含有内含子,内含子介导的增强效应是提高外源基因在转基因作物中表达水平的重要策略之一,但内含子增强效应的作用机理还不完全清楚,对其机理的研究有助于将内含子介导的增强效应与提高外源基因的表达水平有机的联系起来,可以为内含子在转基因作物中的应用提供理论和实验依据。
本研究首先克隆了植物中4种不同基因中的内含子,分别是来自玉米泛素蛋白基因的第一内含子(ubi1)、水稻肌动蛋白基因的第一内含子(act1)、玉米乙醇脱氢酶基因的第一内含子(adh1)、马铃薯高赖氨酸基因SBgLR基因的第二内含子(SBgLR2)。构建瞬时表达载体后,基因枪轰击玉米愈伤组织。对报告基因GUS进行了组织化学分析和荧光定量分析。结果表明,ubi1增强基因表达活性的能力最强,它的存在可使GUS的表达活性提高到原来的5倍,act1可使GUS的表达活性提高到原来的3倍,adh1和SBgLR2没有增强GUS基因的表达活性。
分别选取了GUS基因编码区的SnaBI(+385),MscI(+622),SspI(+1269)3个平端限制性内切酶酶切位点,将上步骤筛选得到的ubi1两端引入平端酶切位点后,以平端片段形式插入。GUS荧光定量分析结果表明:当使用CaMV35S启动子,基因的表达活性分别降低了36%,38%和40%。当5-UTR和+385位同时插入2个拷贝ubi1时,没有得到5-UTR单独插入ubi1时的增强效应,GUS基因的表达活性降低了38%。当3-UTR插入ubi1时,GUS基因的表达活性降低了14%。RT-PCR分析结果表明+622,+1269位的ubi1可以被正确的剪接,+385位单独插入ubi1时,正确剪辑位点旁的隐秘剪接位点被激活,导致了移码突变。Real-timePCR分析结果表明当ubi1平端插入到GUS基因编码区时,基因的mRNA累积量明显降低。
为保证内含子插入到基因编码区时不引入任何的外显子序列,并且使内含子插入后的剪接位点序列与植物保守剪接位点序列完全相同,将ubi1以另外一种形式插入。对GUS基因的+13,+115,+513位分别进行了定点突变以产生PstI内切酶酶切位点,将ubi1以PstI片段形式插入到GUS基因的编码区。GUS的荧光定量分析结果表明:ubi1位于+13位时,可使GUS的表达活性提高了4.26倍。当ubi1分别位于GUS基因的+115、+513位时,GUS的表达活性分别提高了3.2倍和0.97倍。当5-UTR和+13位同时插入2个拷贝的ubi1时,基因的表达活性为原来的1.55倍。RT-PCR分析结果表明+13,+115,+513位的内含子均可以被正确的剪接。
根据以上实验结果,构建了两个含有Btcry1Ah基因的植物表达载体,在其中一个表达载体(pUUOAH)的5-UTR处插入了ubi1。利用基因枪法将其导入玉米(ZeamaysL.)胚性愈伤组织中,得到了可育的再生植株。PCR、Southernblot检测结果表明cry1Ah基因已整合入玉米基因组中,并稳定遗传至下一代。对T1、T2代转基因植株进行ELISA检测,pUUOAH载体转基因植株Cry1Ah蛋白的平均表达量提高了20%。对T2代植株进行了田间虫测实验,共获得125株高抗虫的转基因植株,并且pUUOAH载体转基因植株的抗虫株好于pUOAH(无内含子)载体的植株。以上结果表明玉米ubi1可以有效增强cry1Ah基因在转基因玉米中的表达。