姚連梅 胡曉晴 周 菲 鄭要強(qiáng) 王國東 劉雪梅
(1.東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱 150040; 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物所,哈爾濱 150040)
木質(zhì)素為芳香族聚合物,是植物體中含量僅次于纖維素的一類高分子有機(jī)物質(zhì),主要存在于次生加厚的植物細(xì)胞壁中,可為植物提供機(jī)械支持,保護(hù)植物免受真菌入侵。而由于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,使其難以消化和降解。在造紙行業(yè)中,需要使用有毒且昂貴的化學(xué)藥品將木質(zhì)素從纖維素和半纖維素中分離。近幾十年的研究已闡明了木質(zhì)素單體的主要生物合成路線,并且通過木質(zhì)素調(diào)控能夠提高木本植物的制漿率和草料的可消化性等[1]。
參與木質(zhì)素生物合成途徑的酶有十多種,其中咖啡酰輔酶A-3-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(CCoAOMT)是木質(zhì)素生物合成途徑中的一種關(guān)鍵酶,主要催化羥基輔酶A酯的甲基化反應(yīng),將咖啡酰輔酶A轉(zhuǎn)化成阿魏酰輔酶A[2]。目前已在煙草[3~4]、棉花[5]、蓿苜[6]、楊樹[7~11]等多種植物中克隆了CCoAOMT基因。在下調(diào)CCoAOMT的轉(zhuǎn)基因煙草中發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素含量下降的同時,纖維素含量有所增加,這說明轉(zhuǎn)基因植株中木質(zhì)素和纖維素的合成存在著互相補(bǔ)償關(guān)系[3]。在下調(diào)CCoAOMT的轉(zhuǎn)基因蓿苜中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,G型和S型木質(zhì)素單體的合成也受到了影響[6]。在Chen等的進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn),在蓿苜中抑制CCoAOMT基因會使木質(zhì)素的含量下降,其中G型單體顯著減小,而S型單體沒有發(fā)生變化[6]。趙華燕等利用轉(zhuǎn)化反義CCoAOMT基因培育了低木質(zhì)素的毛白楊[8],這種轉(zhuǎn)基因楊樹表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的制漿性能,木質(zhì)素更易于去除、制漿得率和纖維聚合度都得到提高[9]。
白樺是我國北方重要的造林樹種,具有較高的經(jīng)濟(jì)價值,其材質(zhì)優(yōu)良,是適于造紙的好材料。本研究以白樺為試材,構(gòu)建了反義CCoAOMT植物表達(dá)載體,并將其轉(zhuǎn)化至白樺中,對轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行了分子檢測后進(jìn)行了組織化學(xué)染色及化學(xué)成分分析。本文為研究CCoAOMT基因在白樺中的作用及培育低木質(zhì)素含量的新品種白樺奠定了基礎(chǔ)。
轉(zhuǎn)基因的受體材料為東北林業(yè)大學(xué)栽植的白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)組培苗。用于化學(xué)成分分析和纖維形態(tài)檢測的材料為田間種植的7年生野生型和反義表達(dá)CCoAOMT轉(zhuǎn)基因白樺的7個株系,共89株。
載體、菌株及試劑:植物表達(dá)載體pBI121、根癌農(nóng)桿菌EHA105為本實驗室保存;pMD18-T載體購于寶生物工程有限公司;SMARTTM RACE cDNA Amplification Kit購自Clontech公司;引物合成公司為北京華大基因科技有限公司;普通Taq酶、瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒、基因組DNA提取試劑盒、質(zhì)粒DNA提取試劑盒購自天根生化科技(北京)有限公司;T4連接酶、限制性內(nèi)切酶XbaⅠ和BamHⅠ均購自NEB公司。
利用CTAB法提取20年生白樺次生木質(zhì)部RNA,反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。通過對NCBI已分離的歐芹、茄屬和煙草等植物的CCoAOMTcDNA保守序列比較和分析,設(shè)計簡并引物,F:5′-AGCGATGCYCTYTAYCAGTA-3′,R:5′-TTCCABAGVGTGTTGTCGTA-3′,通過RT-PCR獲得白樺CCoAOMT部分序列。根據(jù)保守序列結(jié)果,設(shè)計3′RACE特異性引物5′-TCGTGGACGCTGACAAGGACAACT-3′;5′RACE特異性引物5′-GAGCCATGGTTCTTCTCATCTGC-3′;使用上述引物PCR獲得CCoAOMT基因各片段及全長。將pMD18-T連接的白樺CCoAOMT全長cDNA質(zhì)粒命名為pTXB。
將CCoAOMT全長cDNA反向連接至pBI121載體作為植物反義表達(dá)載體。分別提取pTXB、pBI121質(zhì)粒,選擇pTXB和pBI121上的共有酶切位點XbaⅠ、BamHⅠ對上述質(zhì)粒分別進(jìn)行雙酶切。反應(yīng)程序為:37℃ 3 h,65℃ 20 min。白樺CCoAOMT基因與pBI121載體經(jīng)過回收后,用T4DNA連接酶連接,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,提取重組質(zhì)粒進(jìn)行PCR檢測。檢測引物為F:ATGGCTACCAACGGAGAAG;R:TTTGATCCGACGGCAGAGA;PCR反應(yīng)條件:94℃,5 min;94℃,30 s;58℃,30 s;72℃,45 s;35個循環(huán)后72℃ 7 min。將經(jīng)PCR檢測和測序的植物反義表達(dá)載體質(zhì)粒轉(zhuǎn)入到農(nóng)桿菌EHA105中,PCR鑒定無誤后可用于后續(xù)實驗。
1.3.1農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)基因白樺的再生
(1)工程菌的制備:平板上挑取EHA105菌株的單菌落,接種到20 mL含有卡那霉素(50 mg·L-1)和利福平(50 mg·L-1)的LB培養(yǎng)基中,于28℃恒溫?fù)u床中培養(yǎng)至OD600為0.6~1.0。用WPM液體培養(yǎng)基將菌液稀釋至OD600為0.2~0.3用于轉(zhuǎn)化;
(2)外植體預(yù)培養(yǎng):取培養(yǎng)20 d白樺無菌苗,將其葉片(剪成0.5 cm×0.5 cm~1 cm×1 cm的小塊)和莖段(1 cm左右)接種到分化培養(yǎng)基上,黑暗預(yù)培養(yǎng)1~3 d;
(3)菌液侵染:在超凈工作臺內(nèi),將菌液倒入無菌的小燒杯中。取出預(yù)培養(yǎng)的外植體,放入菌液,輕輕搖晃,侵染30 min;
(4)共培養(yǎng):將葉片和莖段從菌液中取出,于無菌濾紙上吸取多余的菌液,并接種在無抗生素的愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng)基(WPM+BA 2.0 mg·L-1+NAA 0.2 mg·L-1)上共培養(yǎng)2~4 d;
(5)選擇培養(yǎng):將經(jīng)過共培養(yǎng)的外植體轉(zhuǎn)移到含有卡那霉素(50 mg·L-1)和頭孢抑菌劑(200 mg·L-1)的愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng)基上,25℃條件下,進(jìn)行選擇培養(yǎng);
(6)繼代選擇培養(yǎng):選擇培養(yǎng)3~4周后,外植體的轉(zhuǎn)化細(xì)胞將分化出抗性不定芽或產(chǎn)生抗性愈傷組織,將這些抗性材料轉(zhuǎn)入含有卡那霉素(50 mg·L-1)和頭孢抑菌劑(200 mg·L-1)的分化培養(yǎng)基(WPM+BA 0.5 mg·L-1)上誘導(dǎo)分化;
(7)生根培養(yǎng):待不定芽長到l cm以上時,切下并插入加有卡那霉素(50 mg·L-1)和頭孢抑菌劑(200 mg·L-1)的生根培養(yǎng)基(WPM+IBA 0.4 mg·L-1)上進(jìn)行生根培養(yǎng)。
基因組水平檢測:隨機(jī)選取在卡那霉素中生根的抗性11個轉(zhuǎn)基因株系,采用CTAB法分別提取葉片總DNA作為模板,以CCoAOMT基因全長引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。陽性對照的模板為抑制表達(dá)重組載體質(zhì)粒,陰性對照為野生型白樺。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳分析并照相。
表達(dá)水平檢測:以DNA水平檢測為陽性的7個株系和非轉(zhuǎn)基因白樺葉片為材料,利用CTAB法提取總RNA。按照ReverTra Ace qPCR RT Master Mix with gDNA Remover kit(TOYOBO,Japan)試劑盒說明書反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。以7個轉(zhuǎn)基因株系和野生型cDNA為模板,白樺肌動蛋白actin作為內(nèi)參基因進(jìn)行RT-PCR檢測,檢測引物如下。內(nèi)參基因引物為F:5′-CATCTCTGATCGGAATGGAAG-3′,R:5′-AGATCCTTTCTGATATCCACG-3′;BpCCoAOMT引物為F:5′-TGGCCATGGACATCAACAGA-3′,R:5′-AGGAGGCGCCACGACAGAG-3′。
分別取培養(yǎng)25 d的組培苗莖基部的野生型和轉(zhuǎn)基因白樺的新鮮莖段,使用冷凍切片機(jī)Leica CM1800進(jìn)行切片。對橫切的20 μm厚的薄片組織進(jìn)行Wiesner反應(yīng):將薄片置載玻片上,先加一滴1%的間苯三酚,后加2%鹽酸。蓋上蓋玻片,數(shù)秒后即可顯色。在顯微鏡下觀察,拍照。
取4個7年生轉(zhuǎn)基因株系與對照野生型各5株,去掉直徑15 mm以上樹冠及枝丫材后切片風(fēng)干備用。原料化學(xué)組分主要進(jìn)行水分、1%氫氧化鈉抽出物、有機(jī)溶劑抽出物、木素、綜纖維素和多戊糖測定。原料水分測定采用GB/T2677.2-93造紙原料水分的測定方法進(jìn)行;1%氫氧化鈉抽出物測定采用GB/T2677.5-93造紙原料1%氫氧化鈉抽出物含量的測定方法進(jìn)行;苯醇抽出物測定采用GB/T2677.6-94造紙原料有機(jī)溶劑抽出物含量的測定方法進(jìn)行;熱水抽出物測定采用GB/T2677.2-1993造紙原料水分含量測定方法進(jìn)行;木素測定采用GB/T2677.8-94造紙原料酸不溶木素含量的測定方法進(jìn)行;綜纖維素測定采用GB/T2677.10-1995造紙原料綜纖維素含量的測定方法進(jìn)行;多戊糖測定采用GB/T2677.9-94造紙原料多戊糖含量的測定方法進(jìn)行。
利用快速擴(kuò)增cDNA末端(RACE)技術(shù),對CCoAOMT基因cDNA片段分別進(jìn)行5′端和3′端序列的擴(kuò)增,電泳結(jié)果見圖1A~B。將所得序列用NCBI BLASTN和BLASTP以及DNA分析軟件分析,確定獲得白樺CCoAOMT基因全長序列,序列全長為744 bp(圖1C)。已在Genbank上注冊,CCoAOMTcDNA注冊號為AY860952。
如圖2A所示,分別將目的片段和植物表達(dá)載體pBI121進(jìn)行XbaⅠ和BamHⅠ雙酶切,回收純化的目的片段和植物表達(dá)載體通過T4DNA連接酶過夜連接,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)DH5α,經(jīng)抗性篩選和菌落PCR檢測獲得陽性克隆,提取陽性重組質(zhì)粒DNA,進(jìn)行PCR鑒定,擴(kuò)增出約750 bp左右的特異性條帶,擴(kuò)增結(jié)果如圖2B所示。經(jīng)過測序比對,CCoAOMT全長cDNA確實是按照設(shè)計反向插入在預(yù)定的位點,與預(yù)期結(jié)果完全相符。將上述重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到農(nóng)桿菌,得到陽性克隆后提取質(zhì)粒進(jìn)行PCR檢測,擴(kuò)增結(jié)果同圖2B。獲得重組植物表達(dá)載體,命名為pBI121-antiCCoAOMT。
將構(gòu)建好的農(nóng)桿菌植物表達(dá)載體pBI121-antiCCoAOMT利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法分別侵染白樺葉片和莖段。通過試驗白樺對抑菌劑和卡那霉素濃度的敏感性,本研究最終選擇篩選劑卡那霉素濃度為40 mg·L-1。抑菌劑羧芐青霉素濃度為400 mg·L-1。轉(zhuǎn)基因的大致過程如圖3所示,圖3A為侵染25 d后在卡那霉素篩選下葉脈傷口產(chǎn)生的愈傷。繼續(xù)經(jīng)卡那霉素篩選,最終獲得11個綠色抗性芽點,圖3C為篩選出的抗性外植體。圖3D為經(jīng)過PCR檢測的陽性植株經(jīng)過再分化后在卡那霉素的生根培養(yǎng)。
圖1 BpCCoAOMT cDNA的獲得 A. 3′末端擴(kuò)增產(chǎn)物;B. 5′末端擴(kuò)增產(chǎn)物;C. BpCCoAOMT cDNA擴(kuò)增產(chǎn)物Fig.1 Cloning of BpCCoAOMT cDNA A. 3′sequence of CCoAOMT from B.platyphylla; B. 5′sequence of BpCCoAOMT; C. PCR detection of CCoAOMT cDNA(M. 1 kB ladder)
圖2 白樺CCoAOMT基因植物反義表達(dá)載體構(gòu)建 A. pBI121-antiCCoAOMT意圖;B. pBI121-antiCCoAOMT的PCR擴(kuò)增檢測(1~2.pBI121-antiCCoAOMT;3.DL2000分子量標(biāo)準(zhǔn)) Fig.2 Construction of antisense expression vectors of CCoAOMT gene in B.platyphylla A. Schematic representation of pBI121-antiCCoAOMT constructs; B. Identification of pBI121-antiCCoAOMT by PCR(1-2. pBI121-antiCCoAOMT; 3. DL2000 DNA maker)
圖3 轉(zhuǎn)化植株的愈傷誘導(dǎo)、分化及生根 A.葉片愈傷組織;B.莖段愈傷組織;C.愈傷組織誘導(dǎo)的叢生芽;D.移栽成活的再生植株Fig.3 Complete process of the genetic transformation of birch A. Callus of the leaves; B. Callus of the stems; C. Buds differentiating from callus; D. Transplanting survival of regeneration plants
圖4 對部分Kan抗性植株的PCR檢測 +.陽性對照(pBPCOA質(zhì)粒);-.陰性對照(未轉(zhuǎn)化植株);1~11.轉(zhuǎn)基因株系;M.DL2000標(biāo)準(zhǔn)分子量Fig.4 PCR detection of the selective Kan resistant plants +. Positive control(pBPCOAplasmid); -. Negative control(wild type birch); 1-11. Transgenic lines; M. DL2000 DNA maker
2.4.1 轉(zhuǎn)基因白樺DNA水平的PCR檢測結(jié)果
將獲得的11個卡那霉素抗性株系進(jìn)行PCR擴(kuò)增檢測,部分?jǐn)U增結(jié)果見圖4,其中7個株系在744 bp左右處有單一擴(kuò)增譜帶,而陰性對照未見擴(kuò)增譜帶,初步證明CCoAOMT基因已經(jīng)整合到這7個株系的基因組中,將7個轉(zhuǎn)基因株系通過分化生根PCR檢測,最終獲得轉(zhuǎn)CCoAOMT基因抗性植株共89株。
2.4.2 轉(zhuǎn)基因白樺的RT-PCR檢測結(jié)果
選取上述7個株系的轉(zhuǎn)基因白樺和野生型的新鮮葉片,提取白樺總RNA,凝膠電泳結(jié)果見圖5,RNA樣品無降解無雜質(zhì),可以用于后續(xù)實驗。將上述RNA樣品反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,以新合成的cDNA為模板,用內(nèi)參actin引物檢測cDNA模板量。在所有樣品的cDNA模板量基本相同的情況下,用白樺CCoAOMT基因的特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。如圖5所示,轉(zhuǎn)基因白樺CCoAOMT基因的表達(dá)量明顯低于野生型,說明在轉(zhuǎn)入反義CCoAOMT基因后,白樺中的CCoAOMT基因表達(dá)受到一定程度的抑制。
圖5 RT-PCR檢測轉(zhuǎn)基因白樺中內(nèi)源CCoAOMT基因的表達(dá) 上為野生型與轉(zhuǎn)基因株系的RNA;中為actin擴(kuò)增產(chǎn)物;下為內(nèi)源CCoAOMT基因的RT-PCR產(chǎn)物;WT.野生型對照;1~7.轉(zhuǎn)基因株系Fig.5 The expression of endogenous CCoAOMT in transgenic birch by RT-PCR The up panel means RNA of wild type and transgenic lines,and the middle panel indicated the PCR production of actin.The bottom part means the RT-PCR production of endogenous CCoAOMT; WT. Wild type of birch; 1-7. Transgenic lines
為研究CCoAOMT反義表達(dá)后對木質(zhì)素含量的影響,利用Wiesner染色法對轉(zhuǎn)基因株系的莖切片進(jìn)行染色。Wiesner主要與木質(zhì)素中的羥基肉桂醛和苯甲醛反應(yīng),該試劑對木質(zhì)素中松柏醛產(chǎn)生特異性反應(yīng),其染色強(qiáng)度可粗略反映木質(zhì)素含量。隨機(jī)選取不同株系的轉(zhuǎn)基因白樺進(jìn)行Wiesner染色,結(jié)果顯示與野生型相比,反義表達(dá)CCoAOMT基因植株木質(zhì)化細(xì)胞染色相比野生型染色均變淺,其中4號株系表現(xiàn)最為明顯(圖6),表明反義轉(zhuǎn)化CCoAOMT基因后木質(zhì)素含量有所下降。
對4個反義轉(zhuǎn)化CCoAOMT基因的轉(zhuǎn)基因白樺株系和野生型對照進(jìn)行化學(xué)成分分析(表1),結(jié)果表明,反義轉(zhuǎn)化株系的原料水分、綜纖維素含量、1%氫氧化鈉抽提物含量沒有明顯差別。反義表達(dá)4號株系的苯醇抽提物明顯低于對照組,其中苯醇抽提物的主要成分是樹脂、蠟質(zhì)、脂肪和其他水溶性物,其較高的含量是不利于制漿造紙的,而4號株系中較低的苯醇抽提物說明其是有利于造紙的。聚戊糖是半纖維素中五碳糖組成的高聚物的總稱。轉(zhuǎn)基因1、3、7號株系的聚戊糖含量顯著升高暗示著抑制CCoAOMT基因表達(dá)會引起半纖維素含量升高。值得注意得是,4個轉(zhuǎn)基因株系的酸不溶木質(zhì)素(亦稱Klason木素)含量在12.18%~12.65%,而野生型為16.72%,轉(zhuǎn)基因株系的木質(zhì)素明顯下降。
表1 化學(xué)成分測定結(jié)果
*P<0.05;**P<0.01
圖6 轉(zhuǎn)基因白樺組織化學(xué)染色 A.野生型;B.反義CCoAOMT轉(zhuǎn)基因白樺4號株系Fig.6 The histochemical stain of transgenic birch A.Wild type; B.Line 4 of Anti CCoAOMT transgenic white birch
研究表明在絕大多數(shù)植物中,木質(zhì)素合成途徑是十分保守的[9]。利用基因工程手段下調(diào)參與木質(zhì)素合成途徑的基因,可有效降低木質(zhì)素含量。木質(zhì)素既可改善膠粘劑的性質(zhì),又可節(jié)約苯酚的用量[10]。CCoAOMT基因是調(diào)控木質(zhì)素合成過程中的關(guān)鍵酶基因。研究表明,咖啡酰輔酶A-3-O-甲基轉(zhuǎn)移酶由多基因編碼,例如,水稻中有9個CCoAOMT基因家族成員,白楊中存在6個CCoAOMT基因家族成員,而擬南芥中多達(dá)11個CCoAOMT基因[12~14]。本文利用RACE技術(shù)首次得到了白樺長為744 bp的BpCCoAOMTcDNA序列,將其反向連接至35S驅(qū)動的pBI121植物表達(dá)載體,利用農(nóng)桿菌侵染法轉(zhuǎn)入白樺。轉(zhuǎn)基因莖段切片Wiesner染色和化學(xué)成分分析表明抑制BpCCoAOMT基因后,白樺木質(zhì)素含量明顯下降。這與王玲[4]等將美洲黑楊CCoAOMTcDNA反義轉(zhuǎn)化至煙草中,轉(zhuǎn)基因株系的木質(zhì)素含量最多下降了9.2%的結(jié)果一致。在白樺中的CCoAOMT反義表達(dá)導(dǎo)致木質(zhì)素含量降低,并且對轉(zhuǎn)基因植物早期生長階段及其內(nèi)部機(jī)械疏導(dǎo)系統(tǒng)基本沒有影響,暗示植物中殘余的木質(zhì)素可能足以維持植物正常的生理活動及其細(xì)胞原有結(jié)構(gòu),或者當(dāng)木質(zhì)素合成途徑受到干擾時,可能刺激植物產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)激反應(yīng),這與趙華燕[8]等將反義CCoAOMT基因整合到毛白楊基因組中結(jié)果一致。魏建華[15]等研究表明反義表達(dá)CCoAOMT的轉(zhuǎn)基因楊樹的木質(zhì)素含量比野生型下降了13%,G/S略有增加、纖維品質(zhì)也有所提高。Wagner[16]等發(fā)現(xiàn)在輻射松中抑制CCoAOMT后,木質(zhì)素含量和結(jié)構(gòu)均有所改變。除了明顯的木質(zhì)素下降,本研究發(fā)現(xiàn)下調(diào)CCoAOMT后表現(xiàn)出較高的半纖維素含量和較低的苯醇抽提物。半纖維素的增加有利于紙張強(qiáng)度,而較低的苯醇抽提物也是有利于制漿的??傊覀兊慕Y(jié)果證實了CCoAOMT參與木質(zhì)素的合成,反義CCoAOMT能有效的可利用CCoAOMT調(diào)控木質(zhì)素合成途徑??傊珻CoAOMTcDNA是木質(zhì)素生物合成的遺傳操作的理想靶標(biāo),為培育低木質(zhì)素含量的制漿新品種白樺奠定基礎(chǔ)[17~18]。
反義RNA與靶RNA具有互補(bǔ)序列,通過與靶RNA進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對,進(jìn)而影響mRNA前體拼接、轉(zhuǎn)移以及5′和3′端修飾等[19~20]。反義RNA參與植物基因表達(dá)的調(diào)控,抑制靶基因表達(dá),現(xiàn)已廣泛用于植物基因工程。本文利用反義RNA技術(shù),有效地降低了CCoAOMT基因在白樺中的表達(dá)。近年來,利用Cas9/gRNA技術(shù)實現(xiàn)基因編輯的研究受到全球的矚目[21],未來有望利用該技術(shù)進(jìn)一步研究白樺CCoAOMT基因功能。