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Identification and characterization of the GmRD26 soybean promoter in response to abiotic stresses: potential tool for biotechnological application

作者
Elinea O. Freitas, Bruno P. Melo, Isabela T. Lourenço-Tessutti, Fabrício B. M. Arraes, Regina M. Amorim, Maria E. Lisei-de-Sá, Julia A. Costa, Ana G. B. Leite, Muhammad Faheem, Márcio A. Ferreira, Carolina V. Morgante, Elizabeth P. B. Fontes, Maria F. Grossi-de-Sa
单位
Embrapa Genetic Resources and Biotechnology; Federal University of Brasilia; Federal University of Vicosa; Federal University of Rio Grande do Sul; Agricultural Research Company of Minas Gerais State; Catholic University of Brasilia; National University of Medical Sciences; Federal University of Rio de Janeiro; Embrapa Semi-Arid
杂志
BMC Biotechnology（2019）
DOI
10.1186/s12896-019-0561-3
所属领域
合成生物学
关键词
Abscisic acidDrought toleranceGene-promoter characterizationPromoter modules analysisStress-responsive promoter
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解决的核心问题

鉴定和表征干旱等非生物胁迫响应的大豆GmRD26启动子，以开发可用于胁迫诱导基因表达的植物生物技术工具。

研究策略

从大豆基因组中鉴定GmRD26基因及其启动子，分析其在多种非生物胁迫下的表达模式；构建全长启动子及两个启动子模块驱动GUS报告基因转化拟南芥，通过ABA、PEG和干旱脱水处理评估启动子的转录活性。

研究路线图

100%
研究问题：鉴定大豆GmRD26胁迫响应启动子，开发耐旱生物技术工具
策略：鉴定GmRD26基因及启动子，分析非生物胁迫下表达模式
关键改造1：构建全长pGmRD26（2054bp）及模块A（909bp）、模块B（435bp）驱动GUS载体
关键改造2：转化拟南芥，ABA、PEG、干旱脱水处理，评估各启动子转录活性
结果1：GmRD26响应干旱/ABA/PEG，耐旱品种Embrapa48表达显著高于BR16
结果2：pGmRD26A在ABA和PEG下GUS活性优于pAtRD29，pGmRD26B活性较低
结果3：干旱下pGmRD26A活性与全长相当，125分钟水剥夺显著诱导表达
结论：pGmRD26全长及其A模块可作胁迫诱导型启动子，用于培育耐旱转基因植物
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核心内容

该研究从大豆基因组中克隆并鉴定了干旱响应基因GmRD26的启动子，以开发胁迫诱导型表达工具。通过序列分析，将全长2,054 bp的启动子划分为909 bp的A模块和435 bp的B模块，分别构建驱动GUS报告基因的表达载体转化拟南芥，并以模式启动子pAtRD29为对照。在ABA、PEG及脱水处理下，研究发现GmRD26在耐旱品种Embrapa48中的表达量显著高于敏感品种BR16；全长启动子和A模块在ABA与PEG胁迫下驱动的GUS活性与pAtRD29相当或更高，其中A模块在125分钟水剥夺后诱导效果突出，但干旱处理下其活性略低于pAtRD29，而B模块活性最低。结果表明，pGmRD26A作为909 bp的紧凑型胁迫诱导启动子，在渗透和干旱条件下能有效驱动外源基因表达，具备替代常用启动子用于培育耐旱转基因作物的应用潜力。

创新点

首次鉴定并表征了大豆GmRD26启动子；发现pGmRD26A模块（909 bp）在PEG和ABA处理下驱动基因表达的能力优于模式启动子pAtRD29，可作为潜在的胁迫诱导启动子工具。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
大豆 (Glycine max) 品种 Williams 82, BR16, Embrapa48 ABA信号通路及干旱胁迫响应 GmRD26 (Glyma.06G248900) GmRD26/NAC转录因子 调控 在干旱、ABA和PEG处理下表达上调，耐旱品种Embrapa48中表达高于敏感品种BR16
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 生态型 Columbia-0 ABA信号及非生物胁迫响应 uidA (GUS) β-葡萄糖醛酸苷酶 催化 作为报告基因，受pGmRD26及其模块驱动
拟南芥 干旱胁迫响应 pGmRD26 (全长2,054 bp), pGmRD26A (909 bp), pGmRD26B (435 bp) — 调控 启动子模块，调控GUS表达；pGmRD26A在ABA和PEG下活性高于pAtRD29
拟南芥 干旱胁迫响应 AtRD29A (pAtRD29) — 调控 作为干旱诱导启动子的阳性对照

关键发现

  1. GmRD26基因在干旱、ABA和PEG处理后表达上调，在耐旱品种Embrapa48中的表达显著高于敏感品种BR16
  2. 全长启动子pGmRD26长度为2,054 bp，模块A为909 bp，模块B为435 bp
  3. 在ABA和PEG处理下，pGmRD26和pGmRD26A的GUS活性与pAtRD29相当或更高，而pGmRD26B活性较低
  4. 干旱处理下pGmRD26A活性与全长启动子相当，但低于pAtRD29
  5. GmRD26在125分钟水剥夺后显著诱导，所有启动子构建体在胁迫下均表现出可诱导的GUS表达。

研究结论

研究表明，全长pGmRD26启动子及其pGmRD26A模块在渗透胁迫和干旱条件下能够有效驱动外源基因表达，具有开发成胁迫诱导型启动子用于培育耐旱转基因植物的潜力。