李文濱,張永艷,王金陽(yáng),徐玲秀,宋 偉,趙 雪,韓英鵬
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆研究所,哈爾濱 150030)
糖(Sucrose)為光合作用主要產(chǎn)物,為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供碳架與能量[1],影響植物產(chǎn)量。大豆產(chǎn)量為多基因控制復(fù)雜性狀,存在明顯環(huán)境互作效應(yīng),傳統(tǒng)生理與遺傳學(xué)研究方法難以分析其遺傳本質(zhì)與調(diào)控機(jī)制,進(jìn)一步明確復(fù)雜糖代謝和糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因網(wǎng)絡(luò)中決定大豆糖積累的關(guān)鍵基因,可為大豆品質(zhì)改良提供理論指導(dǎo),為探索作物光合產(chǎn)物積累與轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制奠定基礎(chǔ),具有重要理論意義與實(shí)用價(jià)值。在大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中,蔗糖為主要光合產(chǎn)物,其含量影響花、莢形成,決定全株籽粒重和籽粒飽滿程度[2-3]。植物中糖運(yùn)輸主要由糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Sugar transporter)介導(dǎo),目前已在水稻、玉米等作物中發(fā)現(xiàn)多個(gè)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[4]。糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可介導(dǎo)糖在韌皮部長(zhǎng)距離運(yùn)輸,葉脈、根、種子、果實(shí)、胚及花粉中均有分布,對(duì)作物生物學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量影響較大[5-6]。其中液泡膜糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TST(Tonoplast sugar transporter)主要負(fù)責(zé)將糖從胞質(zhì)中跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡,定位于液泡膜上,TST基因具有單糖和二糖轉(zhuǎn)運(yùn)功能。在TST基因蛋白結(jié)構(gòu)中,第6和7跨膜區(qū)中間有1個(gè)長(zhǎng)親水環(huán)位于胞質(zhì),該環(huán)為糖感應(yīng)器[7]。目前其功能和特性研究主要集中于擬南芥、甜菜西瓜和蘋果等作物。擬南芥中存在3個(gè)同源基因,其中AtTST1和AtTST2表達(dá)量較高,在糖高度積累花粉中表達(dá)量最高[8]。AtTST1、AtTST2敲除突變顯著降低液泡中Glu、Fru、Suc積累[8-9]及擬南芥生物產(chǎn)量;AtTST1過量表達(dá),可提高生物量,增加種子產(chǎn)量[9]。甜菜中TST2是蔗糖特定轉(zhuǎn)運(yùn)因子[10],質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)體,耦合蔗糖在液泡中大量積累,可提高產(chǎn)量。在其他作物中,TST基因表達(dá)量與含糖量正相關(guān),TST基因表達(dá)豐度可調(diào)控其產(chǎn)量或品質(zhì)[11-12]。結(jié)果表明,TST為液泡膜上負(fù)責(zé)糖轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵蛋白并對(duì)作物產(chǎn)量具有重要影響。
目前在基因組水平上大豆GmTST基因家族的生物信息學(xué)分析及功能研究尚未見報(bào)道。本文從調(diào)控源到庫(kù)關(guān)系角度,利用已公布大豆基因組序列信息,采用生物信息學(xué)方法,在基因組水平上預(yù)測(cè)GmTST基因,通過序列分析、進(jìn)化分析、組織表達(dá)特異性分析及表達(dá)模式分析等,為進(jìn)一步研究GmTST基因功能提供參考及理論依據(jù)。
1.1.1 試驗(yàn)材料
植物材料為大豆willimas82,由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。
1.1.2 生物信息來(lái)源
其他信息來(lái)源為美國(guó)生物國(guó)立信息中心(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)(NCBI)核酸數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)擬南芥(Arabidopsis thaliana)、甜菜(Beta vulgaris)TST氨基酸序列、其GenBank Accession分別為:擬南芥TST1(NM_101937);擬南芥TST2(NM_001342 340);甜菜(XM_010680330)。
1.1.3 引物
利用Primer Exprexx軟件設(shè)計(jì)引物,由哈爾濱博士生物工程公司合成,克隆引物為:正向5'-CCATGGGATTACGAAACTAACTGAAACG-3',反向5'-GGTTACCGAATTTATCATGTCCTTGGG-3',對(duì)應(yīng)酶切位點(diǎn)分別為CCATGG,GGTTAC。實(shí)時(shí)定量基因、內(nèi)參基因所用引物序列見表1。
1.1.4 主要試劑
植物RNA提取試劑盒購(gòu)自O(shè)mega公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒購(gòu)自上海捷瑞生物工程有限公司;Taq DNA聚合酶、DNA marker、Trizol reagent、T4 DNA連接酶、pGEM-T Easy Vector T克隆試劑盒均購(gòu)自Thermo Fisher Scientific公司;DNA純化回收試劑盒購(gòu)自omega公司。
表1 基因及PCR引物序列信息Table1 Information of genes and Primer sequence
1.1.5 質(zhì)粒與菌種
大腸桿菌trans-t1感受態(tài)購(gòu)自全式金公司,pGEM-T Easy購(gòu)自TaKaRa公司。
1.1.6 測(cè)序
基因測(cè)序由哈爾濱博士生物工程公司完成。
1.2.1 大豆TST及其同源基因系統(tǒng)發(fā)育分析
在Phytozome網(wǎng)站(Version 12.0)使用BLAST工具,分別在NCBI網(wǎng)站檢索擬南芥TST1、TST2和甜菜TST2蛋白序列,BLASTp查找大豆TST基因,同時(shí)將檢索蛋白序列后續(xù)分析。應(yīng)用MEGA[13]構(gòu)建雙子葉模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)、大豆(Glycine max(L.)Merr)、甜菜(Beta vulgaris)進(jìn)化樹,檢驗(yàn)Bootstrap(參數(shù)設(shè)為1 000)系統(tǒng)發(fā)生樹。
1.2.2 大豆TST基因組織特異性表達(dá)
分別取william82真葉期與三出期各部位、花及R4-R8期果,液氮研磨后按照試劑盒方法提取各處理樣品總RNA,采用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)和NanoDrop?Lite紫外分光光度計(jì)聯(lián)合檢測(cè)RNA濃度,純度合格后按說(shuō)明書將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,通過正向引物F(5'GTGTCAGCCATACTGTCCCC ATT 3')和反向引物 R(5'GTTTCAAGCTCT TGCT CGTAATCA 3')擴(kuò)增大豆Actin基因檢驗(yàn)cDNA質(zhì)量。設(shè)計(jì)大豆TST基因熒光定量引物并檢測(cè)引物特異性。
熒光定量PCR檢測(cè)法反應(yīng)體系參考試劑盒使用說(shuō)明書。本試驗(yàn)采用三步法PCR擴(kuò)增程序,PCR程序包括:預(yù)變性95℃15 min,95℃10 s,60℃20 s,72℃20 s,40個(gè)循環(huán)。被測(cè)基因PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度采用內(nèi)參基因法,對(duì)于相對(duì)定量ΔΔCT方法,CT值由3次試驗(yàn)重復(fù)取平均數(shù),相對(duì)拷貝數(shù)由 2-ΔΔCT計(jì)算得到(ΔΔCT=CT目的基因-CT內(nèi)參Actin基因)。
1.2.3 GmTST2.1基因克隆
根據(jù)定量結(jié)果挑選主拷貝基因序列設(shè)計(jì)一對(duì)包括起始密碼和終止密碼的5'端及3'端引物,引入合適酶切位點(diǎn)??寺CR反應(yīng)體系參考試劑盒說(shuō)明書。PCR反應(yīng)條件為94℃預(yù)變性10 min,94℃變性30 s,58℃復(fù)性30 s,72℃延伸30 s,擴(kuò)增適當(dāng)次數(shù);72℃延伸10 min,置于4℃保存?;厥誔CR產(chǎn)物,參照試劑盒說(shuō)明書將回收產(chǎn)物與pGEM-T easy載體連接過夜,連接體系10 μL:1 μL pGEM-T easyVector,1 μL T4 DNA Ligase,1 μL 10×T4 DNA Ligase buffer,5 μL PCR 產(chǎn)物,2 μL 去離子水。連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌trans-t1,在LB固體培養(yǎng)基上篩選,LB固體培養(yǎng)基含Kan抗性。選取陽(yáng)性菌株用于基因測(cè)序。
1.2.4 GmTST2.1生物信息分析及功能預(yù)測(cè)
應(yīng)用 ProtParam(http://web.expasy.org/protparam/)在線工具分析氨基酸序列理化性質(zhì)[14-16]。利用ProtScale(http://web.expasy.org/protscale/)工 具 中Hphob./Kyte&Doolittle算法分析氨基酸序列親水性與疏水性。蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè):http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/;蛋白質(zhì)的信號(hào)肽預(yù)測(cè):http://www.cbs.dtu.dk/ser-vices/SignalP/;蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè):SOPM(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma.html);使用 http://swissmodel.expasy.org/在線工具[17-18],以willimas82的TST2.1蛋白氨基酸序列為模板,預(yù)測(cè)TST2.1基因編碼蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)擬南芥、甜菜TST蛋白氨基酸序列在大豆數(shù)據(jù)庫(kù)中BLAST檢索、篩選,共得到10個(gè)大豆同源TST基因,在數(shù)據(jù)庫(kù)(Phytozome Version12.0)中上述基因被注釋為主要轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄本并作后續(xù)分析[19-20],構(gòu)建大豆、擬南芥、甜菜3個(gè)物種進(jìn)化樹(見圖1)。大豆基因TST與擬南芥親緣較近。Glyma 06G015000和Glyma04G015000兩個(gè)基因高度同源,Glyma01G015730和Glyma11G087700兩個(gè)基因高度同源,Glyma02G311700和Glyma14G000900兩個(gè)基因高度同源。
大豆品種willimas82作為試驗(yàn)材料,actin作內(nèi)參基因熒光定量PCR擴(kuò)增,根據(jù)進(jìn)化樹分析結(jié)果,本試驗(yàn)在與擬南芥、甜菜同源性較近基因中同源性為100%的Glyma06G015000和Glyma04G0 15000、Glyma02G311700和Glyma14G000900、Glyma 01G157300和Glyma11G087700及同源性為99%的兩個(gè)基因中各選1個(gè)基因和Glyma16G112500作表達(dá)量模式分析。各基因分別為GmTST2.1(Glyma 04G000300)、GmTST2.2(Glyma02G311700)、GmTST2.3(Glyma06G015000)、GmTST3.1(Glyma16G1125 00)、GmTST3.2(Glyma01G157300)。
圖1 擬南芥、甜菜和大豆3個(gè)物種的TST蛋白系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.1 TST protein phylogenetic tree of Arabidopsis thaliana,beet and soybean three species
2.2.1 大豆TST基因在大豆生育期時(shí)期相對(duì)表達(dá)
5個(gè)GmTST基因在大豆不同生育期時(shí)期相對(duì)表達(dá)量變化情況見圖2。
結(jié)果表明,在大豆生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期GmTST基因表達(dá)量差異顯著,普遍表現(xiàn)為花中表達(dá)量最高,下胚軸/莖中表達(dá)量最低。大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中GmTST2.1基因在大豆不同組織器官中表達(dá)量依次為:花>子葉>葉>葉柄>根>種子>頂芽>莖>下胚軸,其中花中表達(dá)量為下胚軸中表達(dá)量67倍(見圖2A)。GmTST2.2基因在大豆不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期表達(dá)量在子葉中表達(dá)量最高,莖表達(dá)量最低,子葉中表達(dá)量為莖表達(dá)量242倍;GmTST2.2基因在大豆不同組織器官中均有表達(dá),表達(dá)量依次為:子葉>花>葉>根>葉柄>種子>頂芽>下胚軸>莖;大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中相同組織器官在真葉期和三出期莖、下胚軸和頂芽表達(dá)量無(wú)顯著差異,子葉、花與其他組織表達(dá)量差異顯著(見圖2B)。GmTST2.3基因在大豆不同組織器官中表達(dá)量依次為:花>葉柄>根>子葉>葉>頂芽>莖>種子>下胚軸,其花中表達(dá)量最高,表達(dá)量最低為下胚軸,花中表達(dá)量為下胚軸中表達(dá)量121倍;大豆TST2.3基因在大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中,相同組織器官在真葉期和三出期下胚軸無(wú)顯著差異,花與其他組織中表達(dá)量差異顯著(見圖2C)。圖2D為GmTST3.1基因在大豆不同生育期時(shí)期相對(duì)表達(dá)量變化情況。在大豆生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期,GmTST3.1基因在除花以外其他組織中表達(dá)量普遍較低,莖中表達(dá)量最低,花中表達(dá)量為莖484倍;TST3.1基因在大豆不同組織器官中均有表達(dá),表達(dá)量依次為:花>子葉>根>葉柄≥葉>種子>頂芽>下胚軸>莖;大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中,相同組織器官在真葉期和三出期無(wú)顯著差異,花與其他組織表達(dá)量差異顯著。圖2E為GmTST3.2基因在大豆生育期時(shí)期相對(duì)表達(dá)量變化情況,在大豆生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期GmTST3.2基因表達(dá)量不同,具體表現(xiàn)為葉中表達(dá)量最高,莖中表達(dá)量最低,葉中表達(dá)量為莖118倍;TST3.2基因在大豆不同組織器官中均有表達(dá),其表達(dá)量依次為:葉>花>種>葉柄>頂芽>子葉≥根>下胚軸>莖;大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中,TST3.2基因在真葉期和三出期葉組織器官差異顯著,花、葉中表達(dá)量較其他組織差異顯著。
2.2.2 TST基因在大豆生殖期表達(dá)量變化
GmTST基因在大豆生育期時(shí)期相對(duì)表達(dá)量變化情況見圖3。
由圖3可知,大豆生殖生長(zhǎng)發(fā)育過程中,基因表達(dá)量呈先降再升最后急劇下降趨勢(shì);在大豆生殖生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期TST基因表達(dá)量不同,R4期基因表達(dá)量開始下降,R5~R6期表達(dá)水平較低且穩(wěn)定,R6~R7期表達(dá)量開始上升,可能為糖在大豆種子中大量積累時(shí)期,R7~R8期基因表達(dá)量急劇下降,主要將大豆中糖轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)、脂肪及其他物質(zhì);整體水平為TST2.1表達(dá)量相對(duì)較高。
圖2 5個(gè)GmTST基因在大豆生育期時(shí)期相對(duì)表達(dá)量變化情況Fig.2 Change of relative expression of five GmTST gene during soybean growth period
圖3 5個(gè)GmTST基因在大豆生殖時(shí)期相對(duì)表達(dá)量變化情況Fig.3 Relative expression of five GmTST genes in soybean reproductive period
2.3.1 GmTST2.1基因克隆
以Trisol方法提取RNA,去除雜質(zhì)[21]。willimas82葉片提取總RNA,反轉(zhuǎn)錄后PCR擴(kuò)增,經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),得到長(zhǎng)度為2 260 bp大豆TST2.1基因cDNA全長(zhǎng)序列(見圖4)。將目的基因回收轉(zhuǎn)化后,挑取正確克隆測(cè)序,測(cè)序結(jié)果與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中目的序列比對(duì),測(cè)序基因與目的序列相似度均為100%。
圖4 RNA和PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果Fig.4 Electrophoresis of RNA and production of PCR
2.3.2 GmTST2.1基因生物信息分析及功能預(yù)測(cè)
為進(jìn)一步確定大豆TST2.1蛋白質(zhì)理化性質(zhì),分析預(yù)測(cè)編碼氨基酸組成及理化性質(zhì)。表明willimas 82TST2.1基因CDS區(qū)共編碼734個(gè)氨基酸,氨基酸相對(duì)分子質(zhì)量為78 721.36,理論等電點(diǎn)為5.1,總原子數(shù)為11 167,分子式為C3559H5634N912O1029S33。TST基因編碼肽鏈含有20種氨基酸,其中Leu含量最多為94個(gè),占該基因編碼氨基酸總數(shù)12.80%;Cys和His酸含量最少,各9個(gè),各占該基因編碼氨基酸總數(shù)1.20%。該蛋白質(zhì)不穩(wěn)定系數(shù)為41.53,說(shuō)明此蛋白質(zhì)為不穩(wěn)定蛋白[22];脂溶指數(shù)為107.04,GRAVY值為0.346,說(shuō)明此蛋白為疏水性蛋白質(zhì)。用Hphob./Kyte&Doolittle算法分析氨基酸序列親水性與疏水性(見圖5),負(fù)分值氨基酸少于正分值氨基酸,即親水性小于疏水性,表明該蛋白為疏水性蛋白。利用TMHMM Server v.預(yù)測(cè)該基因編碼蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖6所示,GmTST2.1蛋白結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為兩端各含有一1個(gè)疏水區(qū)和1個(gè)中間親水區(qū),疏水區(qū)由6個(gè)跨膜折疊組成。GmTST2.1編碼蛋白有典型N端跨膜結(jié)構(gòu)域-中間胞質(zhì)區(qū)-C端跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)域特征,中間胞質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度約為250個(gè)氨基酸。
圖5 肽鏈中疏水性與親水性氨基酸位置分布Fig.5 Hydrophobic and hydrophilic amino acids in peptide chains
圖6 GmTST2.1基因編碼蛋白質(zhì)的跨膜結(jié)構(gòu)特征預(yù)測(cè)Fig.6 Prediction of transmembrane structural characterization of GmTST2.1 gene encoding proteins
使用SOPMA與PSIPRED V3.3工具分析蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)(見圖7),結(jié)果表明,willimas82 TST2.1蛋白質(zhì)主要由α-螺旋、無(wú)規(guī)則卷曲和片層結(jié)構(gòu)組成,其中α-螺旋占比約為34.47%,片層結(jié)構(gòu)約占22.62%,β-轉(zhuǎn)角約占10.08%,無(wú)規(guī)則卷曲約占32.83%。通過SWISS-MODEL在線軟件,預(yù)測(cè)其三級(jí)結(jié)構(gòu),結(jié)果與二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致,進(jìn)一步驗(yàn)證該蛋白結(jié)構(gòu)(見圖8)。
圖7 GmTST2.1蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.7 Secondary structure of GmTST2.1 protein
圖8 GmTST2.1蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)Fig.8 Three-dimensional structure prediction of GmTST2.1 protein
生物信息學(xué)是全基因組數(shù)據(jù)分析有效工具,廣泛應(yīng)用于多個(gè)基因家族鑒定、基因結(jié)構(gòu)分析與功能預(yù)測(cè)。本研究在大豆基因組相關(guān)網(wǎng)站中鑒定10個(gè)大豆同源TST基因。通過進(jìn)化樹分析大豆、擬南芥和甜菜3個(gè)物種蛋白,結(jié)果顯示8個(gè)TST基因與擬南芥、甜菜TST基因同源性較近,其中大部分大豆TST和擬南芥TST基因親緣關(guān)系更近,與同為雙子葉植物親緣關(guān)系相符[23]。
GmTST基因分析大豆不同生育期不同組織表達(dá)模式結(jié)果表明,TST基因在各時(shí)期各部位表達(dá)量均不同且差異顯著,普遍表現(xiàn)為花器官中表達(dá)量較高,莖和下胚軸中表達(dá)量較低,與Wormit等[8]、李冬霞[11]研究結(jié)果一致。在大豆生殖生長(zhǎng)時(shí)期,隨著大豆籽粒發(fā)育,其糖含量呈先升后降趨勢(shì),與侯金鋒[24]研究結(jié)果一致。各基因表達(dá)量在R6~R7期達(dá)最大值,推測(cè)此時(shí)為大豆儲(chǔ)存糖最多且決定產(chǎn)量時(shí)期[2]。在TST基因整體表達(dá)水平上,GmTST2.1表達(dá)量高于其他4個(gè)基因,說(shuō)明GmTST2.1在大豆TST基因中發(fā)揮重要作用。通過基因克隆獲得大豆TST2.1基因并測(cè)序確定其核昔酸序列。生物信息學(xué)工具分析GmTST2.1基因理化性質(zhì)、氨基酸親疏水性、蛋白結(jié)構(gòu)等,發(fā)現(xiàn)GmTST2.1基因編碼734個(gè)氨基酸,為等電點(diǎn)5.1不穩(wěn)定蛋白,其蛋白結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為兩端各含一個(gè)疏水區(qū)和一個(gè)中間親水區(qū),疏水區(qū)由6個(gè)跨膜折疊組成,有典型N端跨膜結(jié)構(gòu)域-中間胞質(zhì)區(qū)-C端跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)域特征,與擬南芥[8]、蘋果[25]和葡萄[26]等植物預(yù)測(cè)TST蛋白跨膜區(qū)為11,氨基酸長(zhǎng)度大于700一致,推測(cè)該蛋白與擬南芥、甜菜等中TST蛋白功能類似,在調(diào)節(jié)控制產(chǎn)量方面具有重要作用。本研究結(jié)果為大豆高產(chǎn)基因工程研究提供重要基因資源,為深入研究TST基因參與糖轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)理提供依據(jù)??寺~@得GmTST2.1基因,對(duì)開展大豆新品種分子育種研究具有參考價(jià)值。
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東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2018年1期