王潤(rùn)豪,于永昂,胡海燕,丁超杰,李紅民,牛晴晴,李成偉
(河南科技學(xué)院 生命科技學(xué)院,現(xiàn)代生物育種河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南省糧食作物基因組編輯工程技術(shù)研究中心,河南 新鄉(xiāng) 453000)
APX廣泛存在于高等植物、真核藻類(lèi)及某些藍(lán)細(xì)菌中[5],由4個(gè)亞家族組成,分別涉及葉綠體、線粒體、細(xì)胞質(zhì)和過(guò)氧化物酶體基因亞家族成員。有研究證明APX基因在植物響應(yīng)逆境脅迫中具有重要的作用。李澤琴等[6]通過(guò)對(duì)植物APX的酶學(xué)特征、關(guān)鍵催化部位、基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)制以及對(duì)植物非生物逆境脅迫響應(yīng)的途徑和生理功能的研究,揭示了該類(lèi)酶在多種非生物逆境脅迫應(yīng)答調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的重要作用。研究人員已在多種植物如擬南芥[7]、玉米[8]、水稻[9]、甘蔗[10]、棉花[11]等中分離到APX基因。多項(xiàng)研究證明,提高植物體內(nèi)抗氧化酶類(lèi)活性和增強(qiáng)抗氧化代謝水平是提高植物抗逆性的有效途徑之一。孫衛(wèi)紅等[12]發(fā)現(xiàn),通過(guò)在煙草中過(guò)量表達(dá)StAPX基因能夠有效清除H2O2,從而提高煙草的抗氧化脅迫能力。郁征宇等[13]通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量分析表明,SoAPX在菠菜各個(gè)組織器官中呈組成型表達(dá),并在抗鹽、耐寒、抗旱以及抗氧化過(guò)程中起到重要作用。
小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物之一,但高溫、干旱、冷凍和鹽堿等非生物脅迫嚴(yán)重影響其品質(zhì)與產(chǎn)量,因此,提高小麥抵抗逆境的能力顯得分外重要。本研究利用生物信息學(xué)分析方法,在小麥全基因組中鑒定小麥APX家族成員,對(duì)其理化性質(zhì)、基因結(jié)構(gòu)、保守基序、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及細(xì)胞定位進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析,并構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),以分析該基因在不同物種間的進(jìn)化關(guān)系;利用實(shí)時(shí)熒光定量技術(shù)分析TaAPX基因組織表達(dá)特異性以及對(duì)各種非生物脅迫響應(yīng)的表達(dá)特性,為T(mén)aAPX基因的研究提供基礎(chǔ)資料,并為提高小麥對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)能力提供了一定的理論依據(jù)。
選取小麥品種百農(nóng)207為試驗(yàn)材料,由河南省糧食作物基因組編輯工程技術(shù)研究中心保存。選取飽滿度一致的種子播種于苗盆中,以體積比例為1∶1∶3的蛭石、黃土、營(yíng)養(yǎng)土為基質(zhì),置于人工氣候室中培養(yǎng),光周期為16 h光照/8 h黑暗,溫度控制在25 ℃(光照) /16 ℃(黑暗),光照強(qiáng)度約為5 000 lx,濕度控制在65%左右。出苗后10 d,選取生長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗,進(jìn)行環(huán)境模擬脅迫,采用10 mmol/L的H2O2處理模擬氧化脅迫,通過(guò)添加濃度為200 mmol/L的NaCl溶液模擬鹽脅迫環(huán)境,通過(guò)20% 的 PEG4 000 處理模擬干旱脅迫條件,通過(guò)100 μmol/L的ABA處理模擬滲透脅迫條件,調(diào)節(jié)人工氣候培養(yǎng)箱的溫度模擬低溫脅迫(4 ℃)。分別脅迫0,1,3,6,12,24 h后用無(wú)菌剪刀剪取葉片,并用錫箔紙包裹經(jīng)液氮處理后置于-80 ℃冰箱中保存,備用。
采集田間正常生長(zhǎng)的健康小麥植株的幼根、幼葉、莖、葉鞘、莖節(jié)、雄蕊和雌蕊樣品,用錫箔紙包裹經(jīng)液氮處理立即于-80 ℃冰箱保存,用于小麥RNA的提取、基因克隆、組織表達(dá)模式分析。
DNA凝膠回收試劑盒及質(zhì)粒小量抽提試劑盒,均購(gòu)自TIANGEN公司;大腸桿菌(Escherichiacoli)DH5α由河南省糧食作物基因組編輯工程技術(shù)研究中心提供;RT-qPCR試劑盒(TB Green? Premix Ex TaqTMⅡ(Tli RNaseH Plus))、RNA 提取試劑盒、cDNA合成試劑盒、pMD-19T載體、連接酶、限制性內(nèi)切酶,均購(gòu)自TaKaRa生物技術(shù)有限公司;DL2000+與DL5000 DNA Marker購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司。引物由武漢金開(kāi)瑞生物科技有限公司合成。其余化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
1.3.1 小麥總RNA的提取和反轉(zhuǎn)錄 稱取0.1 g小麥幼苗的葉片,置于研缽中,迅速在液氮中研磨成粉末,依照TaKaRa試劑盒說(shuō)明提取樣品總RNA。提取后,經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA完整性和核酸蛋白分析儀測(cè)定其A260、A280值,檢測(cè)RNA濃度和純度。根據(jù)TaKaRa公司的PrimeScriptTMⅡ 1st Strand cDNA Synthesis Kit反轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行cDNA第一鏈的合成。
1.3.2TaAPX基因的擴(kuò)增 根據(jù)GenBank中小麥APX基因(登錄號(hào):EF555121)序列,采用Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)P1引物對(duì)(表1),以小麥葉片cDNA為模板,PCR擴(kuò)增TaAPX全長(zhǎng)序列。PCR擴(kuò)增反應(yīng)體系為50 μL,包括10 μL 5×PrimeSTAR GXL Buffer(Mg2+plus)、4 μL 2.5 mmol/L dNTPs、2 μL 10 μmol/L正向引物、2 μL 10 μmol/L反向引物、1 μL PrimeSTAR GXL DNA polymerase(TaKaRa,R050A)、5 μL cDNA模板和26 μL ddH2O。PCR程序?yàn)椋?4 ℃ 2 min; 94 ℃ 30 s,58 ℃ 1.5 min,32個(gè)循環(huán);72 ℃ 7 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)凝膠回收試劑盒回收并與 pMD-19T 載體連接,構(gòu)建重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化E.coliDH5α感受態(tài)細(xì)胞,篩選陽(yáng)性克隆,送至深圳華大生物技術(shù)有限公司測(cè)序。
表1 引物序列Tab.1 Primer sequences
1.3.3TaAPX基因的生物信息學(xué)分析 利用 NCBI ORF finder確定該基因的開(kāi)放閱讀框;用NCBI的CDS(Find conserved domains)尋找保守區(qū),預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)家族;利用ProtParam分析TaAPX蛋白質(zhì)的基本理化性質(zhì)。運(yùn)用TMHMM 2.0 Server分析TaAPX跨膜結(jié)構(gòu);利用ClustralW和DNAMAN軟件對(duì)不同物種APX蛋白氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)與分析,采用Neighbor-joining方法,構(gòu)建不同生物APX基因系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),用以分析不同物種之間的進(jìn)化關(guān)系。
1.3.4TaAPX基因表達(dá)特性分析 提取小麥百農(nóng)207幼根、莖、幼葉、莖節(jié)、葉鞘、雌蕊、雄蕊的RNA以及不同非生物逆境脅迫不同時(shí)間后葉片的RNA,參照1.3.1方法檢測(cè)RNA濃度和純度,根據(jù)反轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行cDNA第一鏈的合成,合成后將cDNA質(zhì)量濃度調(diào)至50 μg/μL。依據(jù)所克隆的APX基因的編碼序列設(shè)計(jì)定量PCR的引物(P2),以Actin作為內(nèi)參基因(P3),根據(jù)TB Green? Premix Ex TaqTMⅡ(Tli RNaseH Plus)試劑盒進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR(Real-time fluorescent quantitative PCR,qPCR),取384孔PCR板置于冰上,依次加入TB Green Premix Ex Taq Ⅱ 10 μL、PCR Forward Primer 0.8 μL、PCR Reverse Primer 0.8 μL、ROX Reference Dye(50×)0.4 μL、cDNA(50 μg/μL)2 μL、ddH2O 6 μL,共20 μL,盡可能在弱光下配制以上體系。qPCR反應(yīng)在QuantStudio 7 Flex實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀中進(jìn)行,擴(kuò)增標(biāo)準(zhǔn)程序:預(yù)變性95 ℃ 2 min;變性95 ℃ 15 s,退火60 ℃ 30 s,40個(gè)循環(huán);獲取熔解曲線(95 ℃ 15 s,60 ℃ 60 s,95 ℃ 15 s)。生物學(xué)重復(fù)和技術(shù)重復(fù)各3次,利用 Opticon Monitor 2.02軟件進(jìn)行保存和分析,利用2-ΔΔCt方法分析TaAPX基因在小麥不同組織部位的表達(dá)水平和逆境脅迫下的表達(dá)特性。
用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,所有數(shù)據(jù)采用SAS 8.0進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)。
以小麥葉片cDNA為模板,采用PCR進(jìn)行目的基因擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1.0%瓊脂糖凝膠電泳,結(jié)果顯示,擴(kuò)增得到與目標(biāo)片段大小一致(約900 bp)的條帶(圖1)。測(cè)序結(jié)果表明,該序列全長(zhǎng)923 bp。經(jīng)ORF finder預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)該序列具有完整的開(kāi)放閱讀框(Open reading frame,ORF),長(zhǎng)876 bp,編碼291個(gè)氨基酸(圖2),將此序列命名為T(mén)aAPX。通過(guò)ProtParam分析其理化性質(zhì),推測(cè)TaAPX蛋白的分子式C1417H2246N394O423S5,分子質(zhì)量為31.73 ku,理論等電點(diǎn)pI為7.74。理論推導(dǎo)其半衰期大約為30 h,不穩(wěn)定參數(shù)為31.14,蛋白質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定,脂肪指數(shù)為87.90,總平均親水性為-0.264,介于-0.5~0.5,推測(cè)其可能是兩性蛋白,其親/疏水信號(hào)如圖3,
M.DL5000 bp DNA Marker; 1.cDNA的PCR產(chǎn)物。 M.DL5000 bp DNA Marker; 1.PCR product of cDNA.
其中第275位點(diǎn)具有最高分值,為3.167,疏水性最強(qiáng),第234位點(diǎn)具有最低分值為-2.744,親水性較強(qiáng)。TaAPX中的酸性氨基酸(Asp+Glu)39個(gè),堿性氨基酸(Arg+Lys)40個(gè)。采用SingalP進(jìn)行信號(hào)肽預(yù)測(cè)顯示,APX的氨基酸序列無(wú)信號(hào)肽位點(diǎn),屬于非分泌性蛋白質(zhì)。用TMHMM 2.0 Server分析TaAPX跨膜結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示,TaAPX蛋白序列的第262-284位具有一跨膜區(qū)(圖4)。對(duì)TaAPX蛋白的氨基酸序列用NCBI的CDS(Find conserved domains)尋找保守區(qū)(圖5),發(fā)現(xiàn)其含有APX蛋白家族的保守序列,屬于植物類(lèi)POD超家族。
圖2 小麥TaAPX基因開(kāi)放閱讀框序列和其推導(dǎo)的氨基酸序列Fig.2 ORF sequence and predicted amino acids sequence of TaAPX gene
圖3 TaAPX蛋白親疏水性分析Fig.3 Hydrophilictity/hydrophobicity prediction of TaAPX
圖4 TaAPX蛋白的跨膜區(qū)分析Fig.4 Transmembrane domain prediction of TaAPX
圖5 TaAPX蛋白保守區(qū)預(yù)測(cè)Fig.5 Conserved domain prediction of TaAPX
將小麥TaAPX基因編碼的氨基酸序列進(jìn)行BlastP比對(duì),發(fā)現(xiàn)其與大麥(Hordeumvulgare,AXF50251)、二穗短柄草(Brachypodiumdistachyon,XP_003574893)、水稻(Oryzasativa,XP_015650808)、玉米(Zeamays,NP_001132505)、谷子(Setariaitalica,XP_004974146)、高粱(Sorghumbicolor,XP_002446119)和柑橘(Citrussinensis,XP_006486751)APX基因編碼的氨基酸序列相似性分別為97.25%,93.47%,91.07%,89.69%,89.00%,73.54%和77.66%,說(shuō)明APX具有較高的保守性(圖6)。通過(guò)MEGA 5.0中的ClustalW比對(duì),采用Neighbor-joining方法,構(gòu)建了不同物種APX基因進(jìn)化樹(shù)。結(jié)果表明,小麥APX基因與大麥親緣關(guān)系最近 (圖7) 。
圖6 小麥TaAPX編碼氨基酸序列與其他物種APX編碼氨基酸序列比對(duì)Fig.6 Multiple alignment of amino acid sequences coded by TaAPX and other plant APX
基于實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù),利用TaAPX基因特異引物進(jìn)行組織特異性表達(dá)分析,分析了TaAPX在小麥幼根、莖、幼葉、莖節(jié)、葉鞘、雌蕊、雄蕊不同組織中的相對(duì)表達(dá)量。以莖的表達(dá)量為參照基準(zhǔn),結(jié)果表明(圖8),小麥TaAPX基因在所檢測(cè)部位中均有表達(dá),但其表達(dá)量差異較大。在幼葉中表達(dá)最高,顯著高于其他組織(P<0.05);其次是莖、莖節(jié);在幼根、葉鞘中表達(dá)量較低,幼葉中的表達(dá)量分別是幼根和葉鞘的16.69,37.33倍;在雄蕊和雌蕊中幾乎不表達(dá),表達(dá)量顯著低于幼葉、莖、莖節(jié)(P<0.05)。
圖7 TaAPX基因的遺傳進(jìn)化分析Fig.7 Phylogenetic analysis of TaAPX
不同字母表示差異顯著性(P<0.05)。 Different letters indicate significant differences(P<0.05).
采用高鹽、干旱、低溫、H2O2、ABA等5種非生物脅迫處理小麥,可以較全面地反映TaAPX基因在非生物脅迫中的應(yīng)答機(jī)制。RT-qPCR結(jié)果表明(圖9),TaAPX基因?qū)σ陨?種逆境脅迫均有應(yīng)答,但是表達(dá)模式存在明顯差異。干旱處理下(圖9-A),TaAPX的響應(yīng)較為強(qiáng)烈,隨著脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng),TaAPX表達(dá)量呈現(xiàn)2次先增高后降低的趨勢(shì),并在12 h時(shí)表達(dá)量達(dá)到最高峰,上調(diào)到對(duì)照組的2.19倍。在低溫處理下(圖9-B),隨著脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng),TaAPX基因表達(dá)量呈先降低然后增高到最高峰之后降低再增高的趨勢(shì),經(jīng)低溫處理1 h后,TaAPX的表達(dá)被抑制,處理 3 h 后上調(diào)達(dá)到高峰,表
圖9 小麥TaAPX基因?qū)Ψ巧锩{迫響應(yīng)的表達(dá)分析Fig.9 Expression analysis of wheat TaAPX gene in response to abiotic stress
達(dá)量為對(duì)照組的1.81倍,隨后又呈下降趨勢(shì)。在H2O2處理?xiàng)l件下(圖9-C),表達(dá)量呈先下降然后再上調(diào)的趨勢(shì)。在ABA處理?xiàng)l件下(圖9-D),表達(dá)量呈現(xiàn)先下調(diào)后上調(diào)再下調(diào)的趨勢(shì)。在鹽脅迫處理下(圖9-E),TaAPX基因表達(dá)量顯著下調(diào),1~24 h基因下調(diào)的表達(dá)量差異不顯著。綜上表明,TaAPX基因的表達(dá)受干旱、低溫等逆境的誘導(dǎo)或抑制,可能與小麥抵御非生物脅迫有密切的關(guān)系。
本研究從小麥中分離到一個(gè)抗壞血酸過(guò)氧化物酶基因TaAPX,開(kāi)放閱讀框長(zhǎng)876 bp,編碼291個(gè)氨基酸。TaAPX氨基酸序列無(wú)信號(hào)肽位點(diǎn),推測(cè)其為非分泌蛋白,氨基酸序列與大麥相似度達(dá)97.25%。TaAPX為組成型表達(dá)基因,在小麥各組織中均有表達(dá),但表達(dá)量在幼葉最高,雌蕊、雄蕊中最低。在非生物脅迫條件下,盡管TaAPX表達(dá)量變化特點(diǎn)存在差異,但表現(xiàn)出對(duì)干旱、低溫等脅迫的顯著性響應(yīng)。
在鹽漬、干旱、高溫、低溫等逆境條件下,由于細(xì)胞代謝過(guò)程不協(xié)調(diào)會(huì)導(dǎo)致各種活性氧的升高,從而造成氧化脅迫,并通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化和蛋白質(zhì)氧化作用損傷DNA 以及其他細(xì)胞成分,對(duì)植物細(xì)胞造成嚴(yán)重的傷害[14]。ROS具有雙重功能:一方面適量的活性氧為生物體所必須,作為信號(hào)分子參與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控;另一方面,過(guò)量的活性氧對(duì)細(xì)胞有毒害作用,這些活性氧若不及時(shí)清除,會(huì)氧化各種細(xì)胞組分,導(dǎo)致細(xì)胞的破壞[15-16]。因此,平衡細(xì)胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除尤為重要,植物會(huì)通過(guò)酶或非酶機(jī)制維系機(jī)體活性氧的動(dòng)態(tài)平衡,并在進(jìn)化過(guò)程中形成了完整的抗氧化系統(tǒng)[17]。APX作為清除活性氧的關(guān)鍵組分,具有在非生物脅迫下清除和防御活性氧自由基的功能,增強(qiáng)植物抗性,保護(hù)植物細(xì)胞免受氧化傷害,在細(xì)胞 H2O2代謝過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。因此,研究小麥APX基因功能對(duì)提高小麥抗非生物脅迫具有現(xiàn)實(shí)性意義。
目前,已從玉米、大麥、高粱、煙草、水稻、菠菜、百合等多種植物中分離獲得APX基因的cDNA,本研究克隆獲得的小麥TaAPX基因開(kāi)放閱讀框?yàn)?76 bp,編碼291個(gè)氨基酸。通過(guò)氨基酸序列比對(duì)及系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析,TaAPX基因與大麥APX基因編碼蛋白的氨基酸全長(zhǎng)序列相似性達(dá)到97.25%,親緣關(guān)系最近,推測(cè)兩基因可能在調(diào)控植物生長(zhǎng)方面的功能比較接近;預(yù)測(cè)分析顯示,TaAPX可能是兩性蛋白,無(wú)信號(hào)肽,為非分泌蛋白,而高粱APX蛋白也不含信號(hào)肽,疏水性弱,與TaAPX蛋白氨基酸序列同源性為73.54%,推測(cè)兩者可能屬于APX基因家族具有相同功能的成員[18]。
在大多數(shù)禾本科植物中,抗逆基因在各器官中均有表達(dá),但表達(dá)模式存在差異,同時(shí)非生物脅迫對(duì)這些基因的表達(dá)有顯著性影響[19-23]。本研究結(jié)果表明,小麥TaAPX基因在各個(gè)組織均有表達(dá)。其他研究證明,枸杞APX在根、葉片、葉柄等組織中具有表達(dá)特異性,并且在葉中表達(dá)量最高[24],菠菜SoAPX2基因在各個(gè)組織均有表達(dá),在葉中的表達(dá)量比根中高很多[13],與本研究結(jié)果一致。小麥中TaAPX基因表達(dá)呈現(xiàn)出明顯的組織特異性,其在幼葉中的表達(dá)量最高,在雌蕊、雄蕊中表達(dá)較低。小麥TaAPX應(yīng)答不同非生物脅迫的表達(dá)量分析結(jié)果表明,TaAPX對(duì)低溫、干旱、鹽害、ABA、H2O2等非生物脅迫均有響應(yīng),在不同脅迫中呈現(xiàn)不同的響應(yīng)情況。TaAPX在PEG處理12 h表達(dá)量達(dá)到最大,之后降低;在低溫脅迫3 h表達(dá)最強(qiáng),之后降低,表明TaAPX對(duì)低溫、干旱響應(yīng)較為顯著。許多研究報(bào)道,APX參與多種逆境脅迫,可以提高植物在逆境脅迫條件下的抗性,例如水稻OsAPX8經(jīng)RNAi沉默后比非轉(zhuǎn)化植物對(duì)缺水更敏感,說(shuō)明APX是抗旱性基因[25-27];在擬南芥APX家族基因中,APX1、APX3、APX5、APX6對(duì)鹽、干旱脅迫有顯著響應(yīng)[7];Yan等[28]發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)AtAPX3的煙草在適度干旱條件下種子產(chǎn)量增加。說(shuō)明APX基因在不同作物中行使同樣的抗旱功能。在甘薯[29]、番茄[30-31]幼苗中表達(dá)APX基因可提高APX的活性,顯著增強(qiáng)植株的耐低溫和抗寒能力,表明APX基因參與植物響應(yīng)和耐受低溫脅迫;在擬南芥植株中轉(zhuǎn)入大麥pAPX基因,轉(zhuǎn)基因植株增強(qiáng)了對(duì)鹽的耐性[32];過(guò)量表達(dá)GhAPX基因提高了中林美荷楊耐鹽性[33];過(guò)量表達(dá)葉綠體APX基因,可提高棉花PSⅡ光化學(xué)活性和抗氧化能力[34]。一系列研究證明,APX基因參與多種非生物脅迫環(huán)境響應(yīng),而本研究結(jié)果顯示,APX基因?qū)}脅迫和滲透脅迫響應(yīng)的表達(dá)量較低,可能由于不同作物種類(lèi)原因,APX基因的功能有不同的針對(duì)性,進(jìn)一步驗(yàn)證APX在不同作物中對(duì)非生物逆境脅迫的耐受能力不同。
本研究從小麥中克隆獲得TaAPX基因,對(duì)進(jìn)一步研究小麥APX基因生理功能及其相關(guān)的抗氧化機(jī)理提供了基礎(chǔ)。下一步將構(gòu)建過(guò)表達(dá)載體和干擾載體,通過(guò)轉(zhuǎn)基因進(jìn)一步研究該基因在小麥抗寒、抗旱、抗氧化等方面中的具體作用。依據(jù)該基因相關(guān)信息,利用分子育種手段可以提高小麥抗非生物脅迫的能力并進(jìn)行品種改良。