在農業生產中由害蟲造成的損失占農作物損失總量的15%以上,因此害蟲防治是農業生產中的一項重要任務。昆蟲病微生物及其代謝產物已成為生物農藥的重要組成部分。蘇云金芽胞桿菌(Bacil-lusthuringiensis,Bt)是目前世界上研究最為深入、應用面積最廣、且應用最成功的殺蟲微生物。自SchnepfandWhiteley分離克隆了第1個Bt殺蟲晶體蛋白基因(cry基因)至今,已經克隆了620個cry基 因,cry1類 基 因 數 目 最 多,占244種。
cry1I基因是一類十分特殊的cry1類基因,該類基因編碼蛋白只有81kD,不同于大多數Cry1蛋白的130kD。已公布的cry1I類基因主要為cry1Ia、cry1Ib、cry1Ic等6類共50種,其中cry1Ib類有11種。Tailor等從Bt菌株4835中克隆了第1個cry1I基因cry1Ia1,發現其對鞘翅目的馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemlineata)和鱗翅目的歐洲玉米螟(Ostrinianubilalis)具有毒殺活性。后來發現的cry1Ia基因對鞘翅目昆蟲均未表現活性。迄今為止,所發現的cry1I基因所表達的殺蟲蛋白主要對鱗翅目夜蛾科 (Noctuidae)、卷葉蛾科(Tortri-cidae)、菜蛾科(Plutellidae)和鞘翅目葉甲科(Chry-somelidae)的 害 蟲 表 現 出 殺 蟲 活 性。 另 外,cry1I類基因在Bt菌株中多數是沉默的,如cry1Ia1基因在菌株4835中就未見表達產物。
cry1I基因沉默的主要原因可能是,其基因編碼區上游與cry1類基因相鄰,形成cry1-cry1I連鎖,造成了cry1I基因自身啟動子的缺乏。
近年來的研究發現,cry1I類基因除了具有較強的殺蟲活性和相對較廣的殺蟲譜,其表達產物與Cry1A類蛋白無交互抗性,這將為解決Bt毒素殺蟲譜較窄、害蟲抗藥性產生等問題,提供新的備選基因,因此,cry1I類基因的研究具有重要的理論意義和實用價值。
GS8是本實驗室自行分離的野生菌株,經PCR-RFLP鑒定含有cry1Ib基因。本研究克隆了該基因,對其進行了序列比對分析,并在大腸桿菌中進行了表達,測定了其基因表達產物對幾種主要農業害蟲的活性,發現該基因對小菜蛾(Plutellaxylostella)具有高毒力。
1材料和方法
1.1材料
1.1.1菌株與質粒所用菌株和質粒見表1.
1.1.2培養基LB液體培養基:Tryptone1.0%,Yeastextract0.5%,NaCl1.0%,pH7.0。LB固體培養基:在液體LB培養基中加入1.2%瓊脂粉。
1.1.3酶和生化試劑PCR相關試劑購自上海生工。限制 性 內 切 酶、T4 DNAligase、DNAFrag-mentPurificationKit均購自Promega公司。
1.1.4供試昆蟲甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)、棉 鈴 蟲 (Helicoverpaarmigera)和 粉 紋 夜 蛾(Trichoplusiani)均由河北農業大學昆蟲病理與分子生物學實驗室提供;小菜蛾(Plutellaxylostella)由河北省植物保護研究所提供;家蠶(Bombyxmori)品種為菁松×皓月,購于山東廣通蠶種集團有限公司。榆蘭葉甲(Pyrrhaltaaenescens)采集于野外。
1.2方法
1.2.1Bt質粒的提取采用改進的CTAB方法,參見文獻[15]。cry1I基因PCR-RFLP鑒定、Btcry基因和陽性轉化子的篩選參考宋福平等方法。
1.2.2大腸桿菌分子克隆與檢測E.coli質粒DNA提 取、DNA酶 切、連 接、轉 化、表 達 產 物 和SDS-PAGE檢測參照文獻[15]。
1.2.3BtGS8菌株中的cry1Ib基因的PCR擴增、克隆和表達參考GenBank中公布的cry1Ib類基因編碼區的5'端和3'端序列,設計引物:
以GS8的質粒DNA為模板,利用高保真DNA聚合酶進行PCR擴增。
PCR反應條件:94 ℃預變性4min;94 ℃變性1min;56.5 ℃退火1min;72℃延伸1min40s,32個循環;最后72 ℃延伸10min?;厥眨校茫耶a物,將目的片段用BamHⅠ和SalⅠ進行雙酶切,與以同樣酶切處理過的pET21b進行連接,轉化大腸桿菌TG1,以PCR和限制性酶切篩選獲得陽性重組克隆。
1.2.4cry1Ib基因測序和分析選取陽性重組克隆進行序列測定,DNA測序工作由上海生工生物工程技術服務有限公司完成,采用DNAMAN、DNA-SIS等軟件和ExPASy數據庫分析序列。
1.2.5cry1Ib基因在大腸桿菌中表達將含有cry1Ib全長基因的重組質粒導入大腸桿菌BL21(DE3),以IPTG進行誘導,獲得cry1Ib基因的正常表達。誘導條件參見Novagen公司產品說明。
1.2.6Cry1Ib蛋白殺蟲生物活性測定棉鈴蟲、粉紋夜蛾和甜菜夜蛾采用飼料表面覆蓋法進行生物測定:將飼料平鋪于20cm2小盒底部,然后將100μL菌液均勻涂布于飼料表面,風干,每盒10頭試蟲,重復5次。置于26.5℃培養箱中,每24h檢查一次活蟲數量(以不能順利進入2齡視為死亡)。家蠶和小菜蛾采用浸液法,將待測菌株按預先設計好的濃度,用無菌水稀釋,用清水作為陰性對照。將新鮮葉片清洗,晾干;分別在Bt菌液中浸潤10s取出,晾干,放入廣口瓶中(每片葉柄裹無菌水浸濕的脫脂棉進行葉片保鮮);每瓶接蟲10頭(每個處理10頭蟲,5次重復)初孵幼蟲。放入25℃光照培養箱培養,分別于72h后進行調查。榆蘭葉甲參見張杰等方法。測定結果用Abbott公式計算死亡率。LC50和95%置信應用POLO軟件計算得出。
2結果和分析
2.1全長cry1Ib基因的擴增及克隆
以GS8菌株質粒DNA為模板,用上述引物進行PCR擴增(圖1),再經限制性酶切和測序鑒定,證明該菌株含有cry1Ib的基因。通過PCR擴增,從GS8菌株克隆到全長為2.16kbcry1Ib全長基因,經BamHⅠ和SalⅠ酶切插入表達載體pET-21b中,獲得重組質粒命名為TpET-1Ib(圖2)。
2.2序列測定及分析
將TpET-1Ib進行測序得到cry1Ib基因的全長 片 段 核 苷 酸 序 列,在GenBank登 錄 號 為EU677422,并由國際Bt-δ-內毒素基因命名委員會命名為cry1Ib3。推測了該基因由719個氨基酸組成,氨 基 酸 組 成 分 析 表 明 亮 氨 酸 (Leu)、絲 氨 酸(Ser)和蘇氨酸(Thr)含量最高,分別為8.90%,8.62%,7.93%;該蛋白預測分子量為81.372kDa,等電點為pI6.215,屬于弱酸性蛋白。
通過vectorNTI軟件分析,結果表明,該蛋白與已公布的6種Cry1Ib蛋白的氨基酸序列存在差異(表2),是一種新的Cry1Ia蛋白,2009年國際Bt殺蟲晶體蛋白命名委員會將其命名為Cry1Ib3。
通過用NCBIConservedDomainDatabas分析Cry1Ib3保守結構域,結果表明,其DomainⅠ是由N端第60~280位、共221個氨基酸殘基組成,Do-mainⅡ由第287~497位、共211個氨基酸殘基組成,DomainⅢ由第507~644位、共138個氨基酸殘基組成,因此,Cry1Ib3蛋白的活性區估計應位于N端的第60~644個氨基酸殘基區域(見圖3)。
利用同源建模方法構建了Cry1Ib3蛋白的三級結構,顯示如圖5。
2.3cry1Ib3基因的表達
將陽性克隆重組質粒TpET-1Ib轉化到大腸桿菌BL21(DE3)中,經過誘導獲得正常表達。對誘導1~24h的目的蛋白樣品進行SDS-PAGE分析,可見約81kD的目的蛋白隨誘導時間的延長,蛋白表達量 逐 漸 增 多,到 第6小 時 達 到 最 大,經Im-ageMaster2DPlatinum軟件分析,約占總蛋白的45%,同時有65kDa的蛋白產生(見圖5)。
2.4殺蟲生物活性測定
由pET21b表達的Cry1Ib3蛋白對小菜蛾有很強的殺蟲活性,LC50值為0.0763μg/mL,對其它試蟲沒有活性(見表3)。
3討論與結論
本研究利用PCR-RFLP體系,在野生菌株GS8中鑒定出cry1Ib基因。在此基礎上,從GS8中克隆了cry1Ib基因,并在大腸桿菌中成功的表達了81kD的重組蛋白。cry1Ib3基因表達產物經SDS-PAGE分析,發現為多條帶,產物并不是單一的,分析其編碼區序列發現,同一讀碼框下,不同的起始密碼子共用一個終止子,可能是由于在不同起始密碼子處翻譯所致,也有可能是由于表達蛋白自然降解所致,這有待于進一步研究。而用cry1Ib3表達產 物 對 供 試 昆 蟲 進 行 生 物 活 性 測 定,發 現Cry1Ib3蛋白對重要的蔬菜害蟲小菜蛾顯示了高毒力,而對棉鈴蟲、甜菜夜蛾、粉紋夜蛾、家蠶和榆蘭葉甲等未表現出殺蟲活性。據報道,由于蛋白自身結構的差異,81kD的Cry1I類與Cry1Ab等130kD的Cry1A類蛋白不存在交互抗性。因此,本研究發現的cry1Ib3新基因將為我國抗蟲轉基因作物和工程菌的研制,提供新的基因來源,為篩選、延緩和克服昆蟲產生抗性的基因組合提供了重要材料,具有重要的理論和實踐意義。
國內外的研究結果證明cry1I類基因在野生菌株中通常是沉默的,如cry1Ia基因在功株4835中就沒有表達產物。在cry1I基因編碼區上游一般與cry1類基因相鄰,稱為cry1-cry1I連鎖,造成了cry1I基因自身啟動子的缺乏,這種現象在Bt菌株中普遍存在,是cry1I基因沉默的主要原因。
由此以殺蟲活性來篩選菌株的傳統方法無法發現該類基因的存在。實際上,cry1I類基因廣泛存在于Bt菌株中。無論是第1個克隆的對鱗翅目和鞘翅目害蟲具有雙重活性cry1Ia基因,還是宋福平等克 隆 的cry1Ie基 因以 及 本 實 驗 室 克 隆 的cry1Ib3基因,該類沉默基因表達產物均對鱗翅目等害蟲具有很高的活性,目前,一些cry1I類基因正應用于抗蟲轉基因植物的研制。研究結果表明,作為重要殺蟲微生物的Bt菌株而言,其沉默基因資源有著巨大的研究潛力,引起了國內外學者們的關注,有望成為今后Bt研究新的熱點。
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