The Aspergillus aquaglyceroporin gene AgGlpF confers high osmosis tolerance in heterologous organisms
- 作者
- Xiao-Dan Liu, Yi Wei, Xiao-Yang Zhou, Xue Pei, Shi-Hong Zhang
- 单位
- College of Plant Sciences, Jilin University, Changchun, China; Institute of Bioengineering, Jilin Agriculture Science and Technology College, Jilin, China
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2015）
- DOI
- 10.1128/AEM.02127-15
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
真菌水甘油通道蛋白 AgGlpF 的生物学功能不明，且缺乏其异源表达提高生物高渗胁迫耐受性的研究
研究策略
从耐盐真菌 Aspergillus glaucus 中克隆 AgGlpF 基因，通过爪蟾卵母细胞验证其水/甘油转运活性，并在酿酒酵母、粗糙脉孢菌和拟南芥三种异源系统中评估其提高耐盐、耐旱等胁迫耐受性的能力
核心内容
从耐盐真菌 Aspergillus glaucus 中克隆了水甘油通道蛋白基因 AgGlpF，其 cDNA 全长 1218 bp，编码 287 个氨基酸。通过爪蟾卵母细胞异源表达证实 AgGlpF 兼具水与甘油转运功能，使水渗透系数提高 7 倍、甘油渗透系数提高 6 倍。在酿酒酵母中过表达 AgGlpF 显著增强对 NaCl（1-3 M）、山梨醇（0.4-2 M）及 CuSO4 的耐受性；在粗糙脉孢菌中，AgGlpF 互补菌株在含 10% NaCl 培养基上生长快于野生型，且胞内甘油含量显著更高，NPA 保守基序缺失则导致耐盐性下降。在拟南芥中，转基因株系在 150 mM NaCl 下发芽率最高达 85%（野生型仅 24.33%），在 350 mM 甘露醇下达 81.67%（野生型 20.33%）；高渗条件下转基因幼苗根长为野生型的 2-4 倍，土壤实验中经 350 mM NaCl 处理或干旱后存活率亦显著提高。这是首次在植物中异源表达真菌水甘油通道蛋白，证明 AgGlpF 通过水/甘油转运提升不同物种的高渗胁迫耐受性，可作为改善作物耐盐抗旱性的候选基因。
创新点
首次在植物中异源表达真菌来源的水甘油通道蛋白；系统证明了 AgGlpF 同时具有水/甘油转运活性，并能显著提高真菌和植物的高渗透胁迫耐受性
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Aspergillus glaucus | — | AgGlpF | Aquaglyceroporin AgGlpF | 转运 | 基因来源，耐盐真菌，通过cDNA文库筛选获得 |
| Xenopus laevis oocytes | — | AgGlpF | AgGlpF | 转运 | 异源表达验证水/甘油转运活性，Pf-water增加7倍，Pf-glycerol增加6倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | — | AgGlpF | AgGlpF | 转运 | 过表达增强NaCl、山梨醇和CuSO4耐受性 |
| Neurospora crassa | 甘油代谢 | AgGlpF | AgGlpF | 转运 | 互补NcAQP缺失菌株，10% NaCl下生长最快，胞内甘油含量最高 |
| Neurospora crassa | 甘油代谢 | NcAQP | NcAQP | 转运 | 内源水甘油通道，基因缺失导致盐敏感 |
| Neurospora crassa | — | AgGlpF NPA-缺失片段 | AgGlpF突变体 | 转运 | NPA基序缺失导致耐盐性下降，证明NPA基序对转运功能重要 |
| Arabidopsis thaliana | — | AgGlpF | AgGlpF | 转运 | 35S启动子驱动过表达，增强种子萌发、根系生长和存活率耐盐/耐旱 |
| Onion epidermal cells | — | AgGlpF-GFP | AgGlpF-GFP融合蛋白 | 区室化 | 亚细胞定位于质膜 |
关键发现
- AgGlpF cDNA 全长 1218 bp，ORF 861 bp，编码 287 个氨基酸，分子量
- 1 kDa；在爪蟾卵母细胞中表达使水渗透系数提高 7 倍、甘油渗透系数提高 6 倍；在酿酒酵母中过表达 AgGlpF 显著增强对 NaCl（1-3 M）、山梨醇（0.4-2 M）和 CuSO4（0.2%-1%）的耐受性；在粗糙脉孢菌中，AgGlpF 互补菌株在含 10% NaCl 的培养基上生长快于野生型和 NcAQP 互补菌株，且胞内甘油含量显著高于其他菌株；NPA 缺失突变体耐盐性下降；在拟南芥中，转基因株系 TL1/TL2/TL45 在 150 mM NaCl 下发芽率分别为 85%、80%、80.3%（野生型
- 33%），在 350 mM 甘露醇下发芽率分别为
- 33%、72.67%、81.67%（野生型
- 33%）；100/200 mM NaCl 下转基因幼苗根长约为野生型的 2 倍，100/200 mM 甘露醇下约 4 倍；土壤实验中，350 mM NaCl 处理 2 周后转基因株系存活率显著高于野生型，干旱 3 周后同样。
研究结论
AgGlpF 作为水/甘油转运蛋白在高渗胁迫下对真菌和植物存活至关重要，可作为遗传工程候选基因用于提高作物耐盐和抗旱性。