許麗麗,岳倩宇,卞鳳娥,翟 衡,姚玉新*
(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安 271000)
褪黑素不僅是一種廣譜性抗氧化劑,而且具有激素功能,其存在于葡萄果皮、果肉和種子中[1-3]。褪黑素作為抗氧化劑能提高植物的抗旱、抗寒和抗鹽等能力[4-6]。作為激素、褪黑素和生長(zhǎng)素IAA具有相似的功能,低濃度促進(jìn)生長(zhǎng)而高濃度抑制生長(zhǎng)[7],褪黑素具有類似IAA的生長(zhǎng)抑制效應(yīng)[8-9],水稻內(nèi)源褪黑素水平和根系生長(zhǎng)具有直接相關(guān)性[10]。盡管褪黑素和IAA具有相似的功能,但是RNA-Seq等數(shù)據(jù)表明褪黑素對(duì)根系生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)不依賴于IAA,二者的功能行使相互獨(dú)立[11-13]。此外,褪黑素作為激素能改變植物器官發(fā)生模式,比如褪黑素處理能誘導(dǎo)黃瓜[14]、櫻桃[15]和石榴[16]不定根和側(cè)根的發(fā)生。褪黑素能夠改變果實(shí)品質(zhì),褪黑素處理能增加番茄果實(shí)番茄紅素、可溶性固形物和有機(jī)酸等含量,促進(jìn)果實(shí)軟化、提高水溶性果膠含量[17-18]。蛋白質(zhì)組學(xué)分析進(jìn)一步揭示了褪黑素介導(dǎo)的番茄果實(shí)成熟的生理和分子機(jī)制[19],241 個(gè)受褪黑素誘導(dǎo)的蛋白分別參與不同的果實(shí)發(fā)育代謝途徑,其中,有8 個(gè)蛋白參與花青苷代謝途徑。同時(shí),研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)褪黑素處理延遲了桃采后果實(shí)衰老[20];轉(zhuǎn)色前褪黑素處理提高了葡萄果實(shí)單果質(zhì)量和果粒成熟一致性,改善了葡萄酒香味[21]。因此,褪黑素對(duì)包括果實(shí)發(fā)育在內(nèi)的多個(gè)生物學(xué)過程具有調(diào)控作用。
白藜蘆醇屬于非黃酮類酚類化合物,也是一種強(qiáng)的生物活性物質(zhì)[22],具有抗氧化性和預(yù)防癌癥、心血管等疾病的功能[23-24],鮮食葡萄是白藜蘆醇的重要食品來源[25]。茋類合酶(stilbene synthase,STS)是白藜蘆醇生化合成的關(guān)鍵酶;內(nèi)源sts基因表達(dá)水平和葡萄白藜蘆醇積累水平相一致[26],過量表達(dá)sts基因能夠提高葡萄的白藜蘆醇含量[27-28]。sts屬于查爾酮合酶家族,葡萄上sts家族至少包含40 個(gè)成員[26,29-30]。葡萄sts家族成員具有高度保守的基因結(jié)構(gòu)和高的蛋白相似度,系統(tǒng)進(jìn)化上可以分為3 個(gè)組,A組位于染色體10上,B和C組以基因簇的形式串聯(lián)排列在染色體16上[29-30]。sts成員在葡萄不同組織和生物、非生物脅迫下具有不同的轉(zhuǎn)錄模式,不同成員可能響應(yīng)不同的生物學(xué)現(xiàn)象來提高白藜蘆醇含量[29-30]。尤其是葡萄果實(shí)中白藜蘆醇的合成和積累與脫落酸(abscisic acid,ABA)濃度相關(guān),而ABA在果實(shí)成熟過程中起關(guān)鍵作用[23]。以上可知,白藜蘆醇的合成受sts基因家族控制,不同的sts基因在響應(yīng)上游信號(hào)控制白藜蘆醇合成的角色目前還不清楚。
本研究旨在闡明褪黑素作為生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)是否能夠通過調(diào)節(jié)sts基因表達(dá)來促進(jìn)葡萄中白藜蘆醇的積累,研究結(jié)果對(duì)于應(yīng)用褪黑素提高葡萄的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值具有重要實(shí)踐意義,同時(shí)也為探索褪黑素調(diào)控白藜蘆醇積累的分子機(jī)制提供理論支持。
實(shí)驗(yàn)材料為田間7 a生鮮食與釀酒兼用葡萄品種‘摩爾多瓦’(Vitis vinifera×labrusca, cv. ‘Moldova’)和‘克瑞森無核’(Vitis vinifera cv. ‘Crimson seedless’)組培苗。培養(yǎng)基為MS基本培養(yǎng)基加吲哚丁酸(終質(zhì)量濃度為0.2 mg/L),培養(yǎng)溫度為(28±1)℃,光照強(qiáng)度為2 000~2 400 lx,光照時(shí)間12~14 h。
MS基本培養(yǎng)基 青島高科技生物園海博生物有限公司;吲哚丁酸 索萊寶生物科技有限公司。
RXZ恒溫恒濕培養(yǎng)箱 寧波江南儀器廠;RE-2003型真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上??粕齼x器公司;Prominenece型高效液相色譜儀 日本島津公司;ABI7500型實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)儀 美國(guó)應(yīng)用生物系統(tǒng)公司。
1.3.1 前處理及取樣
在葡萄轉(zhuǎn)色前期用100 μmol/L的褪黑素添加表面活性劑(2%曲拉通)浸泡果實(shí),每穗浸泡10 s,浸泡3 次,每個(gè)處理選取20 穗果實(shí),對(duì)照除將褪黑素溶液換成清水外,其他處理方式相同;取果實(shí)(去種子)用于提取RNA和白藜蘆醇。將長(zhǎng)勢(shì)一致、繼代培養(yǎng)1 個(gè)月的45 株處理組和45 株對(duì)照組組培苗同時(shí)平均分成12 組(每個(gè)重復(fù)3 棵),處理組將組培苗根系浸泡在30 μmol/L的褪黑素溶液(滅菌)中,而對(duì)照組將褪黑素溶液換為滅菌水,然后分別于不同時(shí)間點(diǎn)取樣。所有的樣品材料液氮速凍后,置-80 ℃低溫冰箱保存。
1.3.2 RNA-Seq及數(shù)據(jù)分析
本部分實(shí)驗(yàn)由北京安諾基因協(xié)助完成。方法簡(jiǎn)要如下:利用Qubit?3.0 Flurometer檢測(cè)RNA純度,利用RNA Nano 6000檢測(cè)RNA完整度和濃度。取2 μg RNA,利用NEBNext?Ultra? RNA Library Prep Kit for Illumina?構(gòu)建RNA文庫(kù),具體步驟參照試劑盒說明書。利用Qubit?RNA Assay Kit檢測(cè)文庫(kù)RNA質(zhì)量濃度,稀釋至1 ng/μL;利用Agilent Bioanalyzer 2100 system評(píng)價(jià)插入大小。然后利用HiSeq PE Cluster Kit v4-cBot-HS (Illumina)對(duì)文庫(kù)基因進(jìn)行聚類,最后構(gòu)建好的文庫(kù)利用Illumina Hiseq 4000平臺(tái)測(cè)定基因兩端各150 bp的序列。單基因表達(dá)水平利用RPKM來計(jì)算,log2(倍數(shù)變化)大于1和P值小于0.05作為顯著差異表達(dá)的閾值。本實(shí)驗(yàn)每個(gè)樣品有3 個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù),其平均值用于熱圖制作。利用在線工具制作熱圖(http://www.omicshare.com/tools/Home/Soft/heatmap)。
1.3.3 系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建
使用ClustalX軟件對(duì)葡萄中30 個(gè)STS蛋白進(jìn)行氨基酸序列及該基因家族啟動(dòng)子序列比對(duì),比對(duì)結(jié)果通過MEGA5軟件生成進(jìn)化樹,進(jìn)化樹的構(gòu)建采用鄰接法(Neighbor-Joining,NJ),校驗(yàn)參數(shù)Bootstrap重復(fù)1 000 次[31]。
1.3.4 順式作用元件分析
利用啟動(dòng)子在線預(yù)測(cè)網(wǎng)站(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)分析啟動(dòng)子上可能結(jié)合的順式作用元件,并借助Adobe Photoshop 13.0.0繪圖軟件完成啟動(dòng)子各個(gè)結(jié)合元件的繪畫。
1.3.5 qRT-PCR表達(dá)分析
各組織RNA提取使用的RNeasy plant mini kit是QIAGEN公司產(chǎn)品(貨號(hào):74903),cDNA第1條鏈的合成采用寶生物(大連)公司產(chǎn)品PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser(貨號(hào):DRR047A)。各sts基因的qRT-PCR引物如表1所示,選取actin為內(nèi)參基因,所有qRT-PCR均設(shè)置3 次重復(fù)。Ultra SYBR Mixture購(gòu)自康為試劑公司。所得數(shù)據(jù)采用2-ΔΔCT進(jìn)行計(jì)算分析[32]。
表1 qRT-PCR引物序列Table 1 Primers used for fluorescent qRT-PCR
1.3.6 白藜蘆醇含量的測(cè)定
白藜蘆醇含量的測(cè)定參考韓雅珊等[33]所描述方法并改進(jìn):取植物材料在液態(tài)氮冷凍,研磨,于1%鹽酸-甲醇提取24 h后,5 000×g離心10 min,收集上清液,沉淀部分用1%鹽酸-甲醇重復(fù)提取2次,離心后收集上清液,定容至50 mL,采用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(40±2)℃濃縮至2 mL,過0.45 μm微孔濾膜,-40 ℃保存?zhèn)溆?。采用高效液相色譜測(cè)定,檢測(cè)條件:LC-10AT輸液泵,SPD-10A紫外檢測(cè)器,安捷倫C18柱(250 mm×4.6 mm),柱溫30 ℃;流動(dòng)相A為乙腈,流動(dòng)相B為水(乙酸調(diào)pH值至2.6),流速0.500 mL/min;進(jìn)樣方式為自動(dòng)進(jìn)樣,進(jìn)樣體積10 μL;檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm。
為研究褪黑素處理對(duì)sts家族基因表達(dá)的直接影響,檢測(cè)了褪黑素處理6 h后葡萄果實(shí)的轉(zhuǎn)錄組變化。結(jié)果表明,與對(duì)照相比,351 個(gè)基因被顯著上調(diào),18 個(gè)基因被顯著下調(diào);其中30 個(gè)sts基因被上調(diào),占到總上調(diào)基因的8.5%,占目前已發(fā)表的葡萄sts基因總數(shù)的62.5%;未檢測(cè)到下調(diào)的sts基因,表明sts家族基因成員廣泛受褪黑素誘導(dǎo)(圖1)。上調(diào)幅度分布在1.5~2.3 倍之間,VIT_216s0100g01130、VIT_216s0100g00780、VIT_210s0042g00890和VIT_216s0100g00810上調(diào)幅度超過2 倍。此外,轉(zhuǎn)錄組分析還發(fā)現(xiàn)VIT_200s2849g00010、VIT_216s0039g01360、VIT_216s0039g01130、VIT_216s0039g01300、VIT_208s0040g01710和VIT_216s0039g01100這6 個(gè)白藜蘆醇合成相關(guān)的苯丙氨酸氨裂解酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)基因pal表達(dá)被顯著上調(diào)。
圖1 褪黑素誘導(dǎo)的sts基因在不同組織的表達(dá)Fig. 1 Expression patterns of the melatonin-induced sts genes in different tissues
30 個(gè)受褪黑素誘導(dǎo)的基因包含了定位于10號(hào)染色體的5 個(gè)sts,即VIT_216s0100g00810、VIT_216s0100g00920、VIT_216s0100g00840、VIT_216s0100g00930和VIT_216s0100g00910;其余25 個(gè)sts均定位在16號(hào)染色體上。其中,24 個(gè)sts基因具有完整的序列信息,氨基酸序列高度相似,達(dá)88.3%(圖2)。根據(jù)蛋白相似度,24 個(gè)STS蛋白可用分為A、B、C組;A組包含12 個(gè)STS,蛋白同源性高達(dá)91.0%,其中VIT_216s0100g00910和VIT_216s0100g00830同源性最高為99.7%,僅有1 個(gè)氨基酸差異;B組僅含有1 個(gè)STS;C組含有11 個(gè)STS,同源性為96.6%,其中VIT_216s0100g00930和VIT_216s0100g00850同源性最高為99.2%,僅含3 個(gè)氨基酸差異(圖2)。
30 個(gè)sts基因在不同組織中具有不同的表達(dá)模式(圖1)。就愈傷、根、莖和葉而言,絕大部分sts基因在愈傷和根中具有較高的表達(dá)水平,尤其是VIT_216s0100g01100表達(dá)水平為參比的8 倍以上;果實(shí)中,不同的sts表達(dá)水平差異也較大,表達(dá)量最高的為VIT_216s0100g00830、VIT_216s0100g01020、VIT_216s0100g01170。并且,遺傳距離越近,表達(dá)模式越相似,比如,VIT_2160100g00910和VIT_216s0100g00830具有完全相同的表達(dá)模式(圖1、2)。
圖2 褪黑素誘導(dǎo)的sts基因編碼蛋白聚類分析Fig. 2 Clustering analysis of the STS proteins encoded by the melatonin-induced sts genes
5’-UTR上游1 500 bp的啟動(dòng)子序列分析表明,24 個(gè)sts基因分為A、B、C 3組,A組含有13 個(gè)sts,序列相似度為55.6%,其中有4 個(gè)sts對(duì)應(yīng)了蛋白聚類的A1組;C組含有9 個(gè)sts基因,序列相似度為56.1%,完全屬于蛋白聚類C組(圖2、3);A組中,VIT_216s0100g00910和VIT_216s0100g00830序列相似度最高,對(duì)應(yīng)了其最高的蛋白相似度;同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在VIT_216s0100g00930和VIT_216s0100g00850兩個(gè)基因上(圖2、3)。因此,總體上看,高的STS蛋白序列對(duì)應(yīng)了高的啟動(dòng)子序列。在A組中,在啟動(dòng)子基本核心元件以外發(fā)現(xiàn)了一個(gè)高度保守的序列,即GG(T/C)TGTTGAG;在B組上也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基本元件外的保守序列AAGTGGATGAG(A/G)GTTGGTGA。除A1亞組外均含有不同數(shù)量的ABA響應(yīng)元件(ABA response element,ABRE),尤其是B組含有3 個(gè)ABRE;A、B組大部分成員均含有乙烯響應(yīng)元件(ethylene response element,ERE),而C組除VIT_216s0100g00880外均不含ERE;此外,在4 個(gè)sts啟動(dòng)子上發(fā)現(xiàn)了生長(zhǎng)素響應(yīng)元件(AuxRR-core)等(圖3)。
圖3 sts基因啟動(dòng)子順式作用元件分析Fig. 3 Cis acting elements of sts genes in the promoter regions
為驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的可靠性和進(jìn)一步分析sts基因?qū)ν屎谒靥幚淼谋磉_(dá)響應(yīng),利用qRT-PCR檢測(cè)了果實(shí)中5 個(gè)sts基因在褪黑素處理不同時(shí)間的表達(dá)水平。VIT_216s0100g00990在果實(shí)中受褪黑素強(qiáng)烈誘導(dǎo),在處理后8 d表達(dá)為對(duì)照的4.7 倍(圖4D)。相似地,VIT_216s0100g00780和VIT_216s0100g01130在果實(shí)中受褪黑素持續(xù)誘導(dǎo),在處理后期表達(dá)水平分別為對(duì)照的2.7 倍和2.65 倍(圖4B、E)。相比之下,VIT_216s0100g01150和VIT_216s0100g00810在果實(shí)中輕微受褪黑素誘導(dǎo),增幅在1 倍以內(nèi)(圖4A、C)。由此可知,5 個(gè)sts基因不同程度受褪黑素誘導(dǎo),與轉(zhuǎn)錄組分析基本一致。
圖4 褪黑素處理不同時(shí)間點(diǎn)sts基因在果實(shí)中的表達(dá)水平Fig. 4 Expression profiles of the sts genes in fruits at different days after melatonin treatment
考慮到sts基因在根系中具有較高的表達(dá)水平,利用qRT-PCR檢測(cè)了根系中5 個(gè)sts基因在褪黑素處理不同時(shí)間的表達(dá)水平。VIT_216s0100g01150和VIT_216s0100g01130根系中受褪黑素強(qiáng)烈誘導(dǎo),在處理后期表達(dá)水平分別為對(duì)照的3.8 倍和3.35倍(圖5A、E);VIT_216s0100g00780在根中也受褪黑素持續(xù)誘導(dǎo),后期為對(duì)照的2.7 倍左右(圖5B);相比之下,VIT_216s0100g00810和VIT_216s0100g00990在根中對(duì)褪黑素響應(yīng)不明顯(圖5C、D)。
圖5 褪黑素處理不同時(shí)間點(diǎn)sts基因在根系中的表達(dá)水平Fig. 5 Expression profiles of the sts genes in root at different days after melatonin treatment
為了進(jìn)一步闡明褪黑素處理對(duì)白藜蘆醇含量的影響,檢測(cè)了褪黑素處理后不同時(shí)間果實(shí)白藜蘆醇的含量,結(jié)果表明,在褪黑素處理后42、63、77 d(果實(shí)成熟期),褪黑素均明顯提高了果實(shí)白藜蘆醇含量,較對(duì)照分別增加了0.90、1.12 倍和1.18 倍(圖6A)。此外,還檢測(cè)了褪黑素處理后3 d葡萄根系中的白藜蘆醇含量,結(jié)果表明,褪黑素處理大幅度提高了根系白藜蘆醇含量,為對(duì)照的3.18 倍(圖6B)。以上研究表明,褪黑素處理葡萄果實(shí)和根系,均能提高其白藜蘆醇含量。
圖6 褪黑素處理對(duì)果實(shí)(A)和根系(B)白藜蘆醇含量的影響Fig. 6 Impacts of melatonin treatment on resveratrol contents in fruit (A)and root (B)
目前,褪黑素對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響,尤其是對(duì)包括白藜蘆醇在內(nèi)的次生代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)還不清楚。葡萄果實(shí)中,褪黑素的積累高峰出現(xiàn)在轉(zhuǎn)色早期[34-35],暗示了褪黑素對(duì)果實(shí)成熟可能具有重要調(diào)控作用,因此對(duì)轉(zhuǎn)色初期的葡萄果實(shí)進(jìn)行褪黑素處理,來研究其對(duì)白藜蘆醇含量及其合成基因sts表達(dá)的影響。本研究中,褪黑素處理導(dǎo)致30 個(gè)sts基因表達(dá)上調(diào),同時(shí)提高了白藜蘆醇含量。相似地,在葡萄組培苗根系中高sts表達(dá)對(duì)應(yīng)了高的白藜蘆醇含量[36]。在檢測(cè)的5 個(gè)sts基因中,僅VIT_216s0100g01130在正常條件下隨果實(shí)發(fā)育表達(dá)明顯上調(diào),表明了不同sts基因在果實(shí)發(fā)育過程中可能具有不同的作用或者對(duì)白藜蘆醇合成具有不同的貢獻(xiàn);相比之下,在‘Corvina’葡萄果實(shí)中,未檢測(cè)到受果實(shí)成熟誘導(dǎo)的sts基因[29]。研究還發(fā)現(xiàn)成熟的‘Pinot noir’葡萄果實(shí)積累大量的白藜蘆醇(20 μg/g)[37],而成熟的‘Corvina’葡萄果實(shí)只積累了1.5 μg/g的白藜蘆醇[38]。因此,sts表達(dá)水平對(duì)白藜蘆醇的合成具有重要作用,葡萄果實(shí)中sts表達(dá)和白藜蘆醇的積累可能與葡萄基因型有關(guān)。
褪黑素對(duì)sts的誘導(dǎo)可能基于以下幾個(gè)方面。首先,研究已證實(shí)褪黑素可以作為信號(hào)分子引起細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄再編程[2,39],因此褪黑素可能通過核轉(zhuǎn)錄再編程來調(diào)節(jié)sts基因表達(dá)。其次,褪黑素處理能影響ABA、乙烯含量[19,40],水楊酸處理可以顯著提高葡萄品種果皮中的白藜蘆醇含量[41];本研究中,在褪黑素誘導(dǎo)的sts基因上發(fā)現(xiàn)了ABA、水楊酸、乙烯等激素響應(yīng)元件(圖2),暗示了sts基因可能受以上激素調(diào)控;因此,褪黑素可能通過其他激素來間接調(diào)控sts基因的表達(dá)。再者,研究表明褪黑素處理能通過上調(diào)pal等基因的表達(dá)提高花青素含量[42];本研究中褪黑素處理上調(diào)了5 個(gè)pal表達(dá);因此,褪黑素處理可能通過誘導(dǎo)pal基因表達(dá)來提高白藜蘆醇合成所需要的上游底物,進(jìn)而促進(jìn)了sts基因表達(dá)。
葡萄上絕大多數(shù)sts基因分布在16號(hào)染色體500 kb的區(qū)間內(nèi),并且在編碼和非編碼區(qū)都存在大量的同源區(qū)域,暗示了sts家族主要來自于串聯(lián)重復(fù)和片段重復(fù)復(fù)制[29]。本研究30 個(gè)褪黑素誘導(dǎo)的STS蛋白和啟動(dòng)子序列具有高度相似性,并且在啟動(dòng)子區(qū)發(fā)現(xiàn)了高度保守的基元,暗示了這些sts可能具有相同的褪黑素響應(yīng)元件。在褪黑素誘導(dǎo)的30 個(gè)sts基因中,僅個(gè)別存在IAA響應(yīng)元件,暗示了褪黑素和IAA可能具有不同的靶基因調(diào)節(jié)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[2]。葡萄基因組大小為487 Mb,其中85 Mb來自基因組重復(fù)復(fù)制,尤其是染色體16,重復(fù)復(fù)制率達(dá)25.08%[43]。葡萄基因組在幾個(gè)次生代謝相關(guān)的基因家族上發(fā)生了顯著的復(fù)制、擴(kuò)張[44];此類基因的拷貝數(shù)的增加是植物調(diào)節(jié)性進(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ籟45-46]。就sts基因而言,葡萄sts家族比其他作物sts家族大10 倍[30];但在單子葉高粱上sts以單拷貝存在[47],暗示了sts多拷貝事件可能發(fā)生在單、雙子葉植物分化之后。并且,葡萄上至少32 個(gè)sts基因具有合成白藜蘆醇的功能,不同sts的功能可能具有冗余性[30];但本研究中不同處理時(shí)間的表達(dá)響應(yīng)表明,除了功能冗余外不同的sts對(duì)褪黑素誘導(dǎo)的白藜蘆醇提高可能具有不同的作用。
葡萄sts基因具有保守的啟動(dòng)子和蛋白質(zhì)序列。大量的葡萄sts基因在果實(shí)中能響應(yīng)褪黑素處理,但具有不同的響應(yīng)模式。褪黑素處理誘導(dǎo)了sts基因的表達(dá)進(jìn)而提高了組織中白藜蘆醇含量。
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