Fang Fanfei Liu Fawan Yang Xian Wan Hongjian Kang Yunyan *
(1. 華南農(nóng)業(yè)大學園藝學院, 廣州 510642; 2. 云南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所, 昆明650231; 3. 浙江省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所農(nóng)產(chǎn)品質量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室, 杭州 310021; 4. 浙江省農(nóng)業(yè)科學院中澳農(nóng)作物改良研究中心, 杭州 310021)
DnaJ蛋白是最初在大腸桿菌中被鑒定為41-kDa的熱休克蛋白[1]。一般由J域、G/ F域、鋅指(CxxCxGxG)域和C-terminal序列4個域組成[2-5]。之前的研究試圖根據(jù)其結構特點將DnaJ蛋白分成三類(I/II/III)[6]。第一類由J域、G/F域和鋅指域組成,第二類由J域和G/F域或鋅指域組成,第三類只有J域[7]。
植物生長發(fā)育是一個受多種機制網(wǎng)絡調(diào)控的復雜生物過程。許多DnaJ蛋白被報道參與這一工程,并在其中發(fā)揮了重要作用。眾所周知,光合作用發(fā)生在葉綠體中,是植物生長發(fā)育的重要生理過程[8]。前人研究已經(jīng)揭示了DnaJ蛋白對葉綠體發(fā)育的重要意義。例如,位于擬南芥葉綠體膜上的DnaJ蛋白ARC6,通過裝配或穩(wěn)定FtsZ環(huán),成為葉綠體分化的關鍵因子[9]。隨后,Chen等[10]發(fā)現(xiàn)AtJ8、AtJ11和AtJ20 3個小葉綠體靶向DnaJ蛋白質中既有特異功能,也有交叉功能。這些小蛋白參與多種生理生化過程,包括CO2固定的優(yōu)化、PSII復合物的穩(wěn)定和電子轉移反應的平衡[10]。近年來,擬南芥DnaJ-like鋅指蛋白成員已經(jīng)被報道參與質體的發(fā)生和穩(wěn)定。蛋白家族成員之一PSA2被發(fā)現(xiàn)定位于類囊體腔,調(diào)節(jié)光系統(tǒng)I的積累。結果表明,PSA2影響葉綠體的發(fā)育[11]。此外,大量關于DnaJ蛋白在水稻中的功能作用研究與之前報道是一致的。Zhu等[12]清楚地闡明了OsDjA7/8是水稻葉綠體發(fā)育所必需的蛋白質,它可能直接或間接地與其他蛋白質發(fā)生作用。
植物DnaJ蛋白的功能不僅與植物的生長發(fā)育有關,而且與植物對非生物脅迫的抗性有關。定位于線粒體的BIL2基因屬于DnaJ家族成員[13]。BIL2基因通過表達的擬南芥植株對鹽脅迫和強光脅迫表現(xiàn)出了抗性[14]。從番茄(Solanum lycopersicum)中分離到一種以葉綠體為靶點的DnaJ蛋白(LeCDJ1),在低溫脅迫下上調(diào)表達。此外,研究人員進一步發(fā)現(xiàn)過表達LeCDJ1提高了PSII對低溫脅迫的耐受性,抑制LeCDJ1增強了PSII對低溫的敏感性。結果表明,在低溫脅迫下,LeCDJ1對 維 持PSII起 重 要 作 用[15]。2015年,在轉基因番茄中發(fā)現(xiàn)了第二個番茄葉綠體靶向DnaJ蛋白SlCDJ2。研究人員報道,在熱脅迫條件下,SlCDJ2的過表達表現(xiàn)出較高的Rubisco活性、Rubisco大亞基含量和CO2同化能力,但反義植物與野生型植物相比表現(xiàn)出較低的水平。結果表明,番茄過表達SlCDJ2通過減輕熱應激誘導的Rubisco損傷,提高了番茄的耐熱性;抑制SlCDJ2則增強了Rubisco損傷,降低了熱誘導的損傷。
辣椒(Capsicum annumL.)是一種重要的蔬菜作物,在世界各地廣泛種植[16]。作為辣椒最重要的成分之一,辣椒果實的辛辣味是由一種被稱為辣椒素的化學類似物引起的[17]。盡管辣椒素的生物合成途徑(苯丙醇途徑和支鏈脂肪酸途徑)已被報道[18],但調(diào)節(jié)這些途徑的因素尚不清楚。
近年來,全植物基因組的測序為鑒定不同的基因家族提供了機會[19-22]。在之前的研究中,我們對辣椒基因組采用生物信息學方法共鑒定了76個假定的辣椒DnaJ基因(CaDnaJ01toCaDnaJ01)[23]。通過對CaDnaJ基因家族進行全基因組分析,以揭示基因結構、保守基序、染色體定位、順式元件以及在不同組織(根、莖、葉、果皮)和熱脅迫條件下的表達譜。在大多數(shù)CaDnaJ基因的啟動子區(qū)域發(fā)現(xiàn)了大量與應力相關的順式元件,提示CaDnaJ可能參與了復雜應激條件下的響應過程[23]。
本研究選取了兩個辣椒選育系(007EApungent和P2-nonpungent),分析了辣椒素生物合成和CaDnaJ基因相關因子的共表達模式。此外,我們還使用qRT-PCR檢測了這些CaDnaJ基因對多種脅迫的響應。這些結果將有助于今后辣椒DnaJs的功能研究。
根據(jù)76條DnaJ蛋白序列的同源性,將辣椒DnaJ基因家族劃分為7個亞家族(I、II、III、IV、V、VI和VII亞族)。如圖1所示,以第VII亞族CaDnaJ基因(20個)數(shù)量最多,其次是第I亞族(17個),第III亞族(17個),第V亞族(9個),第IV亞族(8個)和第VI亞族(3個),而第II亞族基因最少,僅有兩個CaDnaJ基因(圖2)。
基于RNA -Seq和qRT-PCR技術的植物組織/器官特異性表達分析可以為基因在不同組織/器官中的功能分化提供重要線索[24-27]。為了詳細比較CaDnaJ在CM334中的表達,我們選擇了CaDnaJ基因的RNA-seq數(shù)據(jù)進行進一步分析。包括CM334辣椒根、莖、葉、果皮和胎座(6 DPA、16 DPA、25 DPA、MG、B、B5、B10)的不同組織被用來進行基因表達分析。
表1 辣椒不同組織中表達的CaDnaJ基因亞族的組成
我們發(fā)現(xiàn)76個CaDnaJ基因中有29個在至少一個組織中表達([RPKM]≥5.0被認為表達)(附表2)。對各亞科組成的分析顯示,CaDnaJ亞科在被測組織中的表達存在差異(表1)。第III亞族成員在被測組織中擁有超過34%的CaDnaJ表達(圖3),盡管只擁有22%的CaDnaJs(圖2),但也表明其表達水平較高,可能在辣椒發(fā)育過程中起關鍵作用。相比之下,26%的檢測到的CaDnaJs屬于第VII亞族(圖2),而檢測組織中表達的VII亞族基因在所有分析組織中僅占10%(圖3)。有趣的是,在第II亞族成員中發(fā)現(xiàn)了一種特殊情況,有兩個基因在被測組織中沒有表達(圖3,附表S2)。
表2 辣椒不同組織中表達、優(yōu)先表達和特異表達CaDnaJ基因的數(shù)量
不 同 組 織 中29個RPKM值 大 于5.0的CaDnaJ基因被選擇來進行進一步分析(附表S2)。如圖4所示,少數(shù)CaDnaJs在被測組織中特異性表達,大部分CaDnaJs在兩個或兩個以上組織中表達。數(shù)據(jù)分析顯示,營養(yǎng)組織(葉、根、莖)中特異性表達的CaDnaJs數(shù)量高于生殖組織(果皮、胎座)(表2)。此外,與其他組織相比,更多的CaDnaJ基因在果皮中優(yōu)先表達。葉片和胎座具有相同數(shù)量的優(yōu)先表達基因(表2)。
選 取CM334植 株 花 后6 d(6 DPA),16 DPA、25 DPA、青熟(MG)、轉色(B)、轉色后5 d(B5)和B10階段的果肉和胎座,同時在非辛辣辣椒ECW30R植株中,選取6 DPA、13 DPA、20 DPA,MG、B、B5和B10共7個階段的胎座,共同用于轉錄組測序分析[16]。為了揭示DnaJ的表達是否參與了辣椒素的合成,我們利用CM334和ECW30R研究CaDnaJ基因在胎座中的表達模式。轉錄組測序結果表明29個CaDnaJ基因中有8個基因(第III亞族的CaDnaJ25、47和56,第IV亞族的CaDnaJ10、40和74,第V亞族的CaDnaJ70和第VII亞族的CaDnaJ46)在CM334和ECW中表現(xiàn)出不同的表達譜(附表S1)。
對于CM334植株來說,CaDnaJ10、25和40在MG前期表達逐漸增加,然后保持高表達,而CaDnaJ47和70在胎座發(fā)育期間保持穩(wěn)定。特別是CaDnaJ46在B期之前幾乎沒有表達,而在B期后期急劇增加。CaDnaJ56的表達在早期顯著下調(diào)并保持穩(wěn)定(附表S1)。
在ECW植株中,CaDnaJ25、47、74基因在胎座發(fā)育早期表達逐漸升高,之后一直保持低表達。CaDnaJ40、46、74在ECW中的表達隨著胎座的發(fā)育而逐漸增加。相反,CaDnaJ70的表達隨著胎座的發(fā)育而下調(diào),在B10中很少表達。此外,CaDnaJ10和56的表達在全胎座發(fā)育階段幾乎保持穩(wěn)定(附表S1)。
CM334中CaDnaJ47、56和70在 胎 座 整 個發(fā)育過程中表達高于ECW,而CaDnaJ10和25僅在MG期后表達高于ECW。相反,在整個胎座發(fā)育過程中,CaDnaJ40和46在CM334中的表達低于ECW中的表達。
為了進一步驗證8個CaDnaJ基因在非辛辣和辛辣材料中的表達情況,采用qRT-PCR技術檢測了P2(非辛辣)和007EA(辛辣)兩個辣椒材料在胎座不同發(fā)育階段的表達情況。如圖5所示,所有8個CaDnaJ基因均表現(xiàn)出不同的表達譜。在P2和007EA中,8個CaDnaJ基因中有6個基因(CaDnaJ10、25、56、70、47和74)與CM334和ECW中RNA-Seq數(shù)據(jù)一致。進一步分析發(fā)現(xiàn),CaDnaJ10、25、40和47在不同胎座發(fā)育階段表達 上 調(diào)。CaDnaJ56、CaDnaJ70、CaDnaJ74在B期表達水平下調(diào),其余6個時期表達水平上調(diào)。而在P2和007EA中,CaDnaJ40的 表 達 與CM334和ECW相反。
CaDnaJs在胎座發(fā)育階段的具體規(guī)律促使我們研究CaDnaJs是否與辣椒素合成相關基因共同表達。在此之前,已經(jīng)鑒定出9個辣椒素生物合成基因(CBGs)[16]。本研究基于RNA序列分析,對這9個基因在胎座發(fā)育過程中的表達模式進行了分析(附圖S2)。結果表明與辣椒素合成相關的所有基因在未成熟青果中的表達水平(5DPA、15DPA和25DPA)高于成熟紅果(B、B+5和紅熟果)。在這9個基因中,有3個基因(Pal1、BCAT和C4H)在007EA(辛辣)中表達低于P2(非辛辣),這與胎座發(fā)育階段辣椒素的積累無關。對于KAS和FatA基因,我們發(fā)現(xiàn)這兩個基因在P2中15DPA的表達水平高于007EA;但在25DPA時果肉中含量較低。這兩個基因(KAS和FatA)與CaDnaJs在未成熟(25 DPA)果實中可能共同表達(附圖S1)。其余4個基因(ACL、COMT、AMT和CS)在007EA的表達高于P2,這與CaDnaJs的表達一致(附圖S1)??偟膩碚f,通過對辣椒基因組組織特異性表達譜的檢測,這9個基因中有6個基因似乎在胎座發(fā)育過程中與CaDnaJs共表達。
非生物脅迫,如鹽、熱和聚乙二醇(PEG)對植物的生長和生理過程產(chǎn)生不利影響。本研究進一步研究了8個與辛辣化合物生物合成相關的CaDnaJ基因在各種非生物脅迫下的表達模式,探討其在脅迫耐受中的潛在作用。在qPCR的幫助下,我們分析了8種CaDnaJs在高溫、PEG和鹽脅迫條件下的響應。結果表明,這8個基因分別受熱、PEG和鹽的調(diào)控(圖6)。CaDnaJ74的表達在高溫脅迫下顯著上調(diào),提示CaDnaJ74可能參與了植物對高溫脅迫的響應過程。在干旱脅迫下,8個CaDnaJ基因的表達出現(xiàn)明顯變化。結果顯示,8個CaDnaJs中有5個基因(CaDnaJ10、25、46、47和56)表達顯著上調(diào)。相比之下,CaDnaJ70則下調(diào)。研究結果表明CaDnaJs可能參與干旱脅迫反應。與干旱脅迫下的表達水平相比,只有在鹽脅迫下,CaDnaJ70和74表達下調(diào)。
植物激素調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的多個方面,調(diào)節(jié)環(huán)境反應,以確保一個成功的生命周期[27,40-47]。在本研究中,為了研究CaDnaJ基因在激素處理中的作用,對6~8片真葉的辣椒幼苗進行了脫落酸(ABA)、GA3、茉莉酸甲酯(MeJA)和水楊酸(SA)處理(圖7)。外源ABA處理中,CaDnaJ10、25、40和46共4個基因顯著上調(diào)(圖7)。對于GA3處理,除了CaDnaJ56和70兩個基因,CaDnaJ10、25、40、46、47和74也 是 上調(diào)表達。MeJA和SA處理均誘導7個基因表達上調(diào)(CaDnaJ10、25、40、46、47、56和74)。相 反,CaDnaJ70在所有測試激素處理中均下調(diào)表達(圖7)。以上的結果表明,這8個CaDnaJ基因是受到這些激素處理誘導的。
由于果實中含有豐富的辣椒素、營養(yǎng)物質和色素,辣椒已成為世界上僅次于番茄的第二大受歡迎的蔬菜[48-49]。最近, 廣泛參與各種植物生長發(fā)育過程的DnaJ蛋白已在辣椒中得到鑒定[23]。本研究對辣椒全部76個DnaJ基因的表達譜進行了詳細分析,結果顯示38%(29)的CaDnaJs在至少一個組織中表達(附表S2),暗示CaDnaJs在辣椒植株生長發(fā)育中的潛在關鍵作用。對這29個CaDnaJs進一步分析發(fā)現(xiàn),分別有5個、6個和3個CaDnaJs在葉片、根和莖中均有高表達,提示其在辣椒營養(yǎng)生長期中起著基礎性作用(附表S2,表2)。通過研究還發(fā)現(xiàn)在辣椒果肉和胎座中分別有10個和5個高表達的CaDnaJs基因,說明這些基因在辣椒生殖生長期中具有保護作用(附表S2,表2)。此外,部分CaDnaJ基因的表達具有組織特異性。例如,CaDnaJ27和66在葉片中特異性表達。CaDnaJ 07、10、13、44、45、46和74共7個基因在根中特異性表達。而CaDnaJ 04在果皮中特異性表達。這些結果表明,這些基因可能與調(diào)控這些特定組織的生長發(fā)育有關。
辣椒的辛辣特性是由一組叫做辣椒素的化合物引起的,這是一種只在辣椒果實中積累的獨特的生物堿。這些化合物在食品、化妝品和制藥工業(yè)中越來越重要。辣椒素通常存在于辣椒內(nèi)部的白色部分,被稱為胎座。目前,辣椒素的生物合成途徑包括關鍵CBGs和相關轉錄因子(TFs),如Erf、Jerf和CaMYB31已被大量闡明[50-51]。在這項研究中,為了分析DnaJ基因表達譜與辣椒素合成之間的關系,我們在辛辣(007EA)和非辛辣(P2)辣椒中分別選擇(Pal1、BCAT、C4H、KAS、ACL、COMT、FatA、AMT和CS)9個參與辣椒素合成的基因進行研究[16]。其中,我們發(fā)現(xiàn)在IG(5 DPA、15 DPA和25 DPA)階段,6個基因(KAS、FatA、ACL、COMT、AMT和CS)在P2中的表達比007EA中的表達要高。與胎座發(fā)育過程中8個CaDnaJs表達一致。發(fā)現(xiàn)CaDnaJs與辣椒素合成相關基因的共表達模式,提示這些CaDnaJs基因可能參與了辣椒素合成的調(diào)控。
通常,要了解每個基因的功能是如何發(fā)揮以及在哪里發(fā)揮的,需要對基因的時空表達模式[43,52-53]以及對各種非生物脅迫的反應[54-57]有詳細的了解。辣椒果實中辣椒素的生物合成和積累受各種內(nèi)因和環(huán)境因素的影響[58],包括吲哚乙酸(IAA)、茉莉酸(JA)、水楊酸(SA)和赤霉酸(GA)等植物激素,以及溫度、光照、傷害和干旱等應激條件。此外,環(huán)境對果實產(chǎn)量和辣椒素生產(chǎn)的影響可能因辣椒基因型而異。以往對7個辣椒雜交種和2個商品品種的研究證實,辣椒素產(chǎn)量的變異很大一部分(67.7%)是由環(huán)境條件引起的,而由基因型引起的變異只有42.4%[50-59]。相反,Tripodi等[60]報道在兩個不同地區(qū)栽培的14個辣椒品種中辣椒素在環(huán)境中所占比例不到0.5%。
在我們的研究中,8個與CM334(辛辣)和ECW(非辛辣)胎座中的CBGs表達模式相似的CaDnaJ基 因(CaDnaJ10、25、40、46、47、56、70和74)被選擇來研究它們對各種非生物脅迫和激素的反應中的潛在作用。這8種基因在高溫、干旱和鹽脅迫下的表達水平采用qRT-PCR方法測定(圖6)。一些研究人員認為,在有限的供水條件下,中、低辛辣品種的辣椒素產(chǎn)量可以得到提高[61]。但同時,干旱條件下辣椒素含量下降或無變化的研究也已有報道[59-62]。我們的數(shù)據(jù)顯示,干旱對這8個基因表達的影響比其他兩種非生物脅迫更大。在干旱脅迫下,8個CaDnaJs中有6個基因的表達顯著增加。只有兩個基因CaDnaJ40和CaDnaJ70的表達水平略有下降。這一結果支持了先前的研究,即辣椒素的合成對水分脅迫敏感。
在以往的研究中,有報道SA、IAA和GA3處理促進了辣椒素3個結構基因CaMYB31、Kas和pAmt的表達,而JA處理后,除處理3 h時外,這些基因表達顯著下降[50]。在我們的研究中,qRT-PCR分析顯示,這8個CaDanJ基因在包括ABA、GA3、MeJA和SA的 4種不同激素處理后表達上調(diào)或下調(diào)(圖7)。然而,與ABA、GA3和SA處理相比,我們沒有觀察到MeJA對這8個CaDanJ基因表達的拮抗作用。這一現(xiàn)象支持了辣椒的辛辣水平受到不同的植物激素或正或負調(diào)控的事實,植物激素的濃度和處理時間對辛辣程度有很大影響。
在我們的研究中,我們在全基因組水平上對76個CaDnaJs進行了全基因組鑒定和表達分析。通過這些CaDnaJ基因和CBGs的共表達模式,證實了8個DnaJ基因參與了辣椒素合成的調(diào)控。此外,這8個基因被不同的非生物脅迫(熱、干旱和鹽脅迫)和植物激素(ABA、GA3、MeJA和SA)誘導,揭示了環(huán)境因素對與辛辣相關化合物生物合成的影響。這些結果為進一步分析辣椒的功能提供了新的信息。
辣椒的基因組序列從辣椒基因組數(shù)據(jù)庫(PGD, http://peppergenome.snu.ac.kr/)[16]中獲得。
利用ClustalX程序 對辣 椒CM334中76個CaDnaJ成員的全氨基酸序列進行了排序。通過MEGA5.10軟件建立系統(tǒng)發(fā)育樹[63],用相鄰連接法、成對刪除法和泊松模型進行系統(tǒng)發(fā)育bootstrap(1000次重復)檢驗。通過對其他4個物種DnaJ基因的多重序列比對和分類將辣椒CaDnaJ基因分配到不同的組。
利用前人[16]所揭示的RNA-Seq數(shù)據(jù),研究了CaDnaJ基因在6周齡CM334植株根、莖、葉中的表達模式。
CaDnaJ基因的RPKM (Reads Per Kilo bases per Million mapped Reads)值進行Log2轉換[64]。根據(jù)Cheng等[65]的分類標準,根據(jù)表達水平和表達模式將基因定義為表達、特異性表達和優(yōu)先表達。
兩個自交系P2(非辛辣)和007EA(辛辣)材料由我們實驗室提供,于浙江省農(nóng)業(yè)科學院溫室培育。從P2和007EA植物中獲取包括未成熟青果(5DPA、15DPA、25DPA)、成熟青果、轉色果、轉色期+ 5天果、成熟紅果的胎座,研究CaDnaJ基因在不同發(fā)育階段的表達模式。
用于激素處理的007EA辣椒種子用10%次氯酸溶液滅菌5 min。將萌發(fā)的種子播種在育苗缽中(基質為泥炭∶珍珠巖體積比3∶1),置于26℃/19℃生長箱中生長至6~8片真葉,光周期為16 h/8 h。隨后,向幼苗噴100 μM的茉莉酸甲酯(MeJA),100 μM的赤霉素(GA3), 100 μM的脫落酸(ABA)以及1 000 μM的水楊酸(SA)溶液,4 h后取各處理葉片進行分析。
用200 mL 50 mM NaCl溶液對007EA辣椒幼苗進行灌根,進行鹽脅迫處理。用200 mL 18% PEG灌根進行干旱脅迫處理。熱脅迫處理采用42℃光照培養(yǎng)箱處理,25℃生長的植株作為對照組。4 h后取各處理葉片進行分析。
從浙江省農(nóng)業(yè)科學院(杭州,浙江)溫室栽培的007EA辣椒采集的激素處理(MeJA、GA3、ABA和SA)和非生物脅迫處理(42℃和Nacl)樣本每個進行3次生物學重復,每個重復5株。從每株辣椒上收集5片葉子,并將它們混合在一起作為一個生物學重復。收集樣品后立即用液氮冷凍,提取總RNA。
使用Total RNA和FastQuant RT的試劑盒方法進行總RNA提取和逆轉錄(試劑盒來自天根生物科技,中國北京)。采用ABI StepOne Plus Realtime PCR系統(tǒng)進行定量RT-PCR分析。按照SYBR qPCR試劑盒中的說明進行操作(維贊生物,中國南京)。循環(huán)條件為:94 ℃5 min,94 ℃ 30 s、55 ℃30 s、72 ℃ 30 s,33個循環(huán),UBI基因作為內(nèi)參[66]。用于擴增的基因特異性引物列于附表S1。用2-Δct法計算CaDnaJ基因的表達值。
所有實驗都進行了3次生物重復,每個處理收集5株植物進行分析。所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進行統(tǒng)計學分析(https://www.ibm.com/analytics/spss-statistics-software),采用0.05顯著性水平下的t檢驗。
本文件的補充資料載于https://doi.org/10.1186/s12870-020-02476-3。
本研究部分得到了廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新團隊專項基金(No. 2019KJ122),浙江省自然科學基金(LY18C150008), 國家自然科學基金(31872090),國家重點研究開發(fā)計劃(2017YFD0101902),現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設中國廣東,浙江省國家重點實驗室養(yǎng)殖基地可持續(xù)的病蟲害控制項目(No. 2010DS700124-ZZ1807),中國農(nóng)業(yè)研究系統(tǒng)專項基金(CARS-23-G44),浙江省級農(nóng)業(yè)新品種育種重大科技項目(2016C02051)資助。