賀 丹,張佼蕊,何松林,劉紅利,王 政,劉藝平
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.河南科技學(xué)院 園藝園林學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453000)
牡丹(Paeoniasuffruticosa)與芍藥(Paeonialactiflora)同屬于芍藥科芍藥屬,被譽(yù)為“花王”和“花相”,是我國(guó)的傳統(tǒng)名花。1948年國(guó)際上首次成功獲得了牡丹與芍藥組間雜種并命名為Itoh。Itoh雜種具有觀賞價(jià)值高、抗病性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),因此國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了芍藥屬組間遠(yuǎn)緣雜交育種工作[1-2]。我國(guó)于2006年獲得了首例牡丹、芍藥組間雜種,但是芍藥屬的組間雜交具有嚴(yán)重的不親和性,主要表現(xiàn)為花粉與柱頭不能正常識(shí)別,花粉萌發(fā)受阻,花粉管生長(zhǎng)緩慢等[3]。有研究表明,授粉后花粉的萌發(fā)、生長(zhǎng)等過(guò)程與其內(nèi)源激素密切相關(guān)[4-5]。張鵬等[6]在楊樹(shù)的自交親和性研究中發(fā)現(xiàn),自交雌蕊的吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)及玉米素核苷(ZR)含量等均高于雜交,且自交中花粉管生長(zhǎng)明顯快于雜交。芍藥屬組間雜交中也發(fā)現(xiàn)了高含量的ZR、IAA和GA3有利于花粉-柱頭識(shí)別及花粉的萌發(fā)等[7-9]。因此,加深對(duì)激素調(diào)控機(jī)制的研究可能是解決遠(yuǎn)緣雜交不親和的途徑之一。
ATP結(jié)合盒(ATP-binding cassette, ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一類普遍存在于原核和真核生物細(xì)胞中的超家族膜整合蛋白,通常含有2個(gè)ABC結(jié)構(gòu)域,能借助水解ATP釋放的能量轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì),含有2個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,可介導(dǎo)底物的跨膜運(yùn)輸[8]。ABC家族分為ABCA、ABCB、ABCC等 8個(gè)亞族,其中最大的2個(gè)亞族為ABCB與ABCG[9-10]。ABC家族蛋白不僅參與植物體內(nèi)金屬離子、脂質(zhì)的運(yùn)輸,還參與植物體內(nèi)激素、次生代謝物與外源物質(zhì)的運(yùn)輸,調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[8,11-12]。ABCB作為ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的家族成員,可以調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的IAA水平,參與IAA的極性運(yùn)輸[13-14]。而ABCG中的部分家族成員被發(fā)現(xiàn)可將ABA運(yùn)出細(xì)胞外,且可能調(diào)控影響ABA的信號(hào)傳導(dǎo)及生物合成[15-18]。ABCF亞族的相關(guān)研究報(bào)道較少,在蘋果、鐵皮石斛等物種中已克隆到該同源基因[19-20]。研究表明,蘋果花粉MdABCF轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在細(xì)胞膜表達(dá),其跨膜Tran區(qū)與蘋果花柱S-RNase結(jié)合,通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)S-RNase,在微絲、微管骨架的輔助作用下進(jìn)入花粉管胞質(zhì),調(diào)控微絲微管骨架解聚,導(dǎo)致花粉管生長(zhǎng)停滯,出現(xiàn)自交不親和[19]。由此猜測(cè)ABCF基因可能參與遠(yuǎn)緣雜交不親和過(guò)程。
前期研究發(fā)現(xiàn),芍藥自交親和,芍藥、牡丹遠(yuǎn)緣雜交不親和,且不親和的關(guān)鍵時(shí)期為雜交后24,36 h[21-22]。本試驗(yàn)以芍藥粉玉奴自交、芍藥粉玉奴×牡丹鳳丹白雜交24,36 h的柱頭為材料,擬從芍藥柱頭中克隆出下調(diào)顯著的差異基因PlABCF3,對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析,并檢測(cè)其在芍藥屬自交與雜交后不同時(shí)期的相對(duì)表達(dá)情況,聯(lián)系內(nèi)源激素GA3、ZR、IAA及ABA含量的變化趨勢(shì),以期為進(jìn)一步解決芍藥屬遠(yuǎn)緣雜交不親和提供理論依據(jù)。
供試材料均來(lái)自河南省優(yōu)質(zhì)花卉蔬菜種苗工程研究中心,母本選取芍藥品種粉玉奴、父本選取牡丹品種鳳丹白。在母本花蕾松蕾期進(jìn)行去雄、套袋,去雄2 d后連續(xù)3 d進(jìn)行3次授粉。隨后取粉玉奴自交、粉玉奴×鳳丹白雜交授粉后的自交與雜交24,36 h柱頭。將柱頭經(jīng)由液氮速凍后放置于-80 ℃冰箱保存,隨后進(jìn)行RNA提取及轉(zhuǎn)錄組試驗(yàn)。
1.2.1 柱頭總RNA提取和cDNA合成 使用試劑盒(天根生化科技有限公司,北京)進(jìn)行柱頭總RNA提取,使用PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)試劑盒(TaKaRa,日本)將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA第一鏈,產(chǎn)物放于-20 ℃貯存。
1.2.2PlABCF3基因的分離克隆 根據(jù)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果所獲得的PlABCF3注釋序列,設(shè)計(jì)特異引物PlABCF3-F和PlABCF3-R(表1)。以cDNA第一鏈為模板,進(jìn)行全長(zhǎng)PCR擴(kuò)增。使用20 μL反應(yīng)體系:2×fast pfu master mix 10 μL,Primer F 1 μL,Primer R 1 μL,cDNA 1 μL,加ddH2O至20 μL。PCR反應(yīng)程序:94 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性30 s,58 ℃退火45 s,72 ℃延伸90 s,33個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),回收預(yù)期大小片段的條帶,連接T載體,轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞,藍(lán)白斑篩選后挑選陽(yáng)性菌落進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序后拼接序列獲得PlABCF3基因cDNA全長(zhǎng)序列。
表1 芍藥PlABCF3基因克隆及熒光定量 PCR 所用引物
1.2.3PlABCF3基因生物信息學(xué)分析PlABCF3基因開(kāi)放閱讀框的查找利用在線網(wǎng)頁(yè)ORF Finder(https://indra.mullins.microbiol.washington.edu/sms2/orf_find.html),然后利用ProtParam(http://web.expasy.org/protparam/)、TMpred(http://www.ch.embnet.org/software/TMPRED _form.html)、SignalP 5.0 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)在線網(wǎng)頁(yè)分析PlABCF3蛋白序列的理化性質(zhì)、跨膜結(jié)構(gòu)和信號(hào)肽信息。利用GOR4軟件預(yù)測(cè)PlABCF3蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu),并使用Swiss-model(https://swissmodel.expasy.org/interactive)進(jìn)行三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。使用DNAMAN 8.0軟件對(duì)PlABCF3基因編碼蛋白的氨基酸序列進(jìn)行推測(cè)并分析其與其他物種氨基酸序列的關(guān)系。用NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的Blastp搜索同源序列,并用DNAMAN 8.0軟件比對(duì)氨基酸序列的同源性;使用MEGA 7.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),Bootstrap值設(shè)置為1 000。
1.2.4PlABCF3基因的表達(dá)分析 根據(jù)克隆得到的PlABCF3基因序列設(shè)計(jì)實(shí)施定量引物PlABCF3-qPCR-F和PlABCF3-qPCR-R,選取β-Tubulin為內(nèi)參基因(表1)。分別以粉玉奴自交、粉玉奴×鳳丹白雜交24,36 h的柱頭cDNA 為模板,使用SYBR Premix ExTaqTM試劑盒(寶日醫(yī)生物技術(shù)有限公司)在ABI 7900 Real-Time PCR System儀(美國(guó)應(yīng)用生物系統(tǒng)中國(guó)公司)上進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR。實(shí)時(shí)定量反應(yīng)體系及反應(yīng)程序參照He等[21]方法進(jìn)行,每個(gè)反應(yīng)包括3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。按照 2-ΔΔCT法計(jì)算出基因的相對(duì)表達(dá)量[23]。
1.2.5 內(nèi)源激素含量的測(cè)定 采用酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)測(cè)定植物內(nèi)源激素含量,參照試劑盒附帶操作說(shuō)明書并重復(fù)3次,分別測(cè)定自交24 h與雜交24 h芍藥雌蕊內(nèi)的GA3、ZR、IAA及ABA含量。并將內(nèi)源激素的測(cè)定結(jié)果與PlABCF3基因表達(dá)分析的測(cè)定結(jié)果使用SPSS計(jì)算其R值,找出其中存在的變化關(guān)系。
通過(guò)對(duì)粉玉奴(P.lactifloraFenyunu)自交、粉玉奴(P.lactifloraFenyunu)×鳳丹白(P.ostiiFengdanbai)雜交24,36 h柱頭的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)已上傳至NCBI,登錄號(hào):PRJNA592882),對(duì)差異基因進(jìn)行GO、KEGG富集,發(fā)現(xiàn)在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中富集明顯,表明ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了芍藥屬雜交不親和作用。根據(jù)對(duì)基因注釋的研究,挑選影響芍藥屬遠(yuǎn)緣雜交的關(guān)鍵差異基因PlABCF3,在序列注釋的基礎(chǔ)上,用該基因序列設(shè)計(jì)特異引物,以粉玉奴自交、粉玉奴×鳳丹白雜交授粉后24,36 h柱頭混合cDNA為模板PCR擴(kuò)增基因全長(zhǎng),獲得1條2 151 bp的條帶(圖1)。轉(zhuǎn)化測(cè)序后進(jìn)行序列拼接,分析其為完整的開(kāi)放閱讀框,編碼716個(gè)氨基酸,是一條完整的基因序列。
M.DL2000 Marker; 1.PlABCF3基因的PCR產(chǎn)物。
使用DNAMAN 8.0軟件對(duì)基因編碼蛋白的氨基酸序列進(jìn)行推測(cè),并基于氨基酸序列分析蛋白保守結(jié)構(gòu)域,為ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的F家族系列。在NCBI上將PlABCF3基因的氨基酸序列進(jìn)行Blastp比對(duì),利用MEGA 7.0將PlABCF3序列與擬南芥的ABCFs序列進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示,PlABCF3與AtABCF3聚類在同一分支(圖2),表明其與AtABCF3親緣性最近,該片段確為芍藥的ABCF3基因,并將其命名為PlABCF3,GenBank登錄號(hào)為MT123594。
圖2 芍藥PlABCF3與擬南芥AtABCFs的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析
利用NCBI的Blastp對(duì)芍藥ABCF3基因氨基酸序列進(jìn)行比對(duì),選取同源性排在前19的植物利用MEGA 7.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖3)。芍藥與博落回聚類到一起后與茶樹(shù)、黃胡蘿卜、芝麻、樟子松和葡萄等形成一個(gè)分支,其他13種植物為另一個(gè)分支,表明芍藥與博落回親緣關(guān)系較近。
圖3 芍藥PlABCF3與其他物種ABCF3的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析
從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載博落回、葡萄、蓖麻、桑樹(shù)、胡桃、木薯、樟子松、櫟樹(shù)、茶樹(shù)、黃連木共10個(gè)物種的ABCF3氨基酸序列,使用DNAMAN 8.0進(jìn)行序列比對(duì)(圖4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其相似性在85.38%~88.02%,其中與博落回的相似性最高,各序列之間的差異性不大,推斷其功能接近或類似。
圖4 PlABCF3基因與其同源基因編碼氨基酸序列的對(duì)比
綜上,進(jìn)一步說(shuō)明克隆的PlABCF3屬于ABC家族基因,其功能有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。
在線工具ProtParam分析表明,PlABCF3理論分子質(zhì)量約為79.7 ku,原子總數(shù)為11 198個(gè),預(yù)測(cè)分子式C3528H5594N982O1067S27,理論等電點(diǎn)(pI)為5.79,說(shuō)明蛋白呈酸性。該蛋白由20種氨基酸組成。亮氨酸(Leu)含量最高,占比10.2%;甘氨酸(Gly)含量次之,占比為8.1%;色氨酸(Trp)含量最低,占比0.6%。負(fù)電荷氨基酸殘基(Asp+Glu)總電荷為100,正電荷氨基酸殘基(Arg+Lys)總電荷數(shù)83。不穩(wěn)定系數(shù)38.27,半衰期30 h,脂肪系數(shù)87.82,總親水性平均系數(shù)-0.304,根據(jù)數(shù)據(jù)可推測(cè)這是一個(gè)帶負(fù)電荷的穩(wěn)定親水性蛋白。由TMpred預(yù)測(cè)得知可能具有2個(gè)跨膜螺旋區(qū),分別位于608-626個(gè),660-677個(gè)氨基酸。SignalP 5.0預(yù)測(cè)顯示該蛋白不具有信號(hào)肽切割位點(diǎn)。使用GOR4預(yù)測(cè)該蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)(圖5-A、B),結(jié)果顯示α-螺旋(Alpha helix)占39.11%,延伸鏈(Extended strand)占15.64%,而最大的結(jié)構(gòu)元件是不規(guī)則卷曲(Random coil),占45.25%。并使用Swiss-model進(jìn)行三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè),結(jié)果顯示其蛋白結(jié)構(gòu)復(fù)雜(圖5-C)。
比對(duì)粉玉奴×鳳丹白雜交24,36 h,以及粉玉奴自交24,36 h 2種情況中PlABCF3基因的表達(dá)水平分析(圖6),結(jié)果表明:PlABCF3的基因相對(duì)表達(dá)量在雜交24 h與自交24 h之間無(wú)顯著差異,雜交36 h顯著低于自交36 h,雜交36 h的相對(duì)表達(dá)量最低且與自交24 h、雜交24 h、自交36 h相比均差異顯著,符合轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果預(yù)期的下調(diào)趨勢(shì)。
雌蕊中的ABA含量在雜交24 h與自交24 h時(shí)無(wú)顯著差異,在雜交36 h時(shí)最高,與自交36 h差異不顯著,二者均顯著高于24 h的含量;ZR含量在雜交24 h時(shí)顯著低于自交24 h,在雜交36 h時(shí)顯著高于自交36 h,在雜交36 h時(shí)最高,與自交24 h差異不顯著;GA3及IAA含量在同一時(shí)期均為自交高于雜交,其中在24 h的含量差異顯著,36 h的含量差異不顯著。
對(duì)比內(nèi)源激素測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn),PlABCF3的相對(duì)表達(dá)量與ABA、ZR含量顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.837,-0.565,P<0.01);但與IAA含量的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.232)及與GA3含量的正相關(guān)關(guān)系(R為0.089)均未達(dá)顯著水平。通過(guò)比較關(guān)系系數(shù)R值與顯著性水平P值進(jìn)行相關(guān)性分析可知,PlABCF3相對(duì)表達(dá)量與ABA含量之間的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)高度相關(guān)(|R|>0.7,P<0.01),與ZR含量之間的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)中度相關(guān)(|R|>0.4,P<0.01),而與IAA、GA3含量有相關(guān)性但相關(guān)性較低。
本研究從芍藥粉玉奴與牡丹鳳丹白雜交柱頭中克隆得到一個(gè)新的ABCF3基因,其CDS全長(zhǎng)為2 151 bp,編碼716個(gè)氨基酸。同源序列與系統(tǒng)進(jìn)化分析表明,PlABCF3基因核苷酸序列與AtABCF3基因的核苷酸序列具有較高的同源性,PlABCF3氨基酸序列與博落回同源性最高,表明該克隆片段屬于ABC家族基因,可能具有ABC家族基因功能。熒光定量檢測(cè)結(jié)果表明,雜交36 h中該基因的相對(duì)表達(dá)量最低,下調(diào)明顯。由此推測(cè)PlABCF3與芍藥屬遠(yuǎn)緣雜交不親和相關(guān)。而通過(guò)對(duì)自交24,36 h及雜交24,36 h的內(nèi)源激素含量測(cè)定結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)激素含量發(fā)生明顯變化,ABA、ZR含量在雜交36 h時(shí)含量最高,IAA、GA3含量在雜交中均低于同時(shí)期的自交。數(shù)據(jù)分析表明,PlABCF3相對(duì)表達(dá)量與ABA含量之間的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)高度負(fù)相關(guān),與ZR含量之間的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)中度負(fù)相關(guān),而與IAA、GA3含量有相關(guān)性但相關(guān)性較低。
在前期的研究中表明,芍藥與牡丹遠(yuǎn)緣雜交授粉后柱頭對(duì)異源花粉的特異性排斥產(chǎn)生強(qiáng)烈的胼胝質(zhì)反應(yīng),且大部分花粉不能萌發(fā),花粉管出現(xiàn)扭曲腫脹等現(xiàn)象,授粉后36 h表現(xiàn)明顯[21-22]。Wu等[24]研究表明,IAA和GA3對(duì)離體花粉管生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,而ABA對(duì)花粉管生長(zhǎng)有抑制作用,在授粉過(guò)程中表現(xiàn)為游離IAA和GA3增加、ABA減少。其他研究中也發(fā)現(xiàn),低水平的IAA、ZR與花粉變形及結(jié)實(shí)有關(guān),高水平的ABA可在一定程度上抑制花粉的萌發(fā)、花粉管的伸長(zhǎng)以及花粉管的變形扭曲[25-26]。內(nèi)源激素與芍藥屬雜交過(guò)程中的親和性密切相關(guān),而ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與激素IAA、ABA等的運(yùn)輸[27-29],Kamimoto等[30]研究表明,當(dāng)細(xì)胞質(zhì)中的IAA濃度較低時(shí),ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的家族成員介導(dǎo)NPA敏感性的改變從而使IAA向內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn),而在較高的內(nèi)源IAA濃度下,其影響生長(zhǎng)素抑制劑NPA的敏感性使IAA向外轉(zhuǎn)運(yùn)。閻波等[31]研究表明,ABC的家族成員參與了ABA的吸收與外排,影響植物迅速響應(yīng)逆境脅迫。因此,推測(cè)PlABCF3可能通過(guò)調(diào)控激素變化影響芍藥屬的遠(yuǎn)緣雜交不親和。
呂換男等[32]對(duì)金墜梨和鴨梨花粉的差異性表達(dá)蛋白質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn),ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在授粉過(guò)程中參與了花粉和花柱的相互識(shí)別過(guò)程,且可能影響了金墜梨花柱S-RNase進(jìn)入花粉管的運(yùn)輸過(guò)程而導(dǎo)致其親和性突變。Meng等[33]在蘋果自交不親和性研究中發(fā)現(xiàn),S-RNase被MdABCF蛋白從花柱中轉(zhuǎn)運(yùn)至花粉管的囊泡內(nèi),而自我S-RNase可通過(guò)降解花粉管中RNA導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成受阻,起到抑制花粉管伸長(zhǎng)的作用[34-35]。Choi等[36]研究發(fā)現(xiàn),ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的家族成員ABCB蛋白影響擬南芥的花粉活力與種子產(chǎn)量。李依民等[20]發(fā)現(xiàn),鐵皮石斛2個(gè)F家族ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在花藥發(fā)育過(guò)程中具有較高的協(xié)調(diào)性,在時(shí)空和組織上表達(dá)受到嚴(yán)格調(diào)控,調(diào)控器官發(fā)育。由此推斷,PlABCF3極有可能通過(guò)調(diào)控S-RNase抑制花粉管的伸長(zhǎng),并參與調(diào)節(jié)激素進(jìn)一步影響花粉萌發(fā)、花粉管生長(zhǎng)及干擾花粉花柱的識(shí)別過(guò)程,從而導(dǎo)致最終的芍藥屬遠(yuǎn)緣雜交不親和。
本研究使用RT-PCR技術(shù)從芍藥柱頭中克隆得到一個(gè)新的ABCF3基因,PlABCF3的 CDS全長(zhǎng)為2 151 bp,編碼716個(gè)氨基酸,同源序列與系統(tǒng)進(jìn)化分析表明,PlABCF3與AtABCF3具有較高的同源性,在對(duì)比其他物種的ABCF3序列分析中發(fā)現(xiàn),PlABCF3氨基酸序列與博落回同源性最高, PlABCF3蛋白與博落回的ABCF3相似性最高。根據(jù)在線軟件可推測(cè)PlABCF3是一個(gè)帶負(fù)電荷的穩(wěn)定親水性蛋白,可能具有2個(gè)跨膜螺旋區(qū)、不具有信號(hào)肽切割位點(diǎn)。熒光結(jié)果顯示,PlABCF3的表達(dá)量在雜交24 h與自交24 h之間無(wú)顯著差異,雜交36 h顯著低于自交36 h,雜交36 h的相對(duì)表達(dá)量最低,符合轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果預(yù)期的下調(diào)趨勢(shì)。將熒光定量結(jié)果對(duì)比內(nèi)源激素含量測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn),PlABCF3的相對(duì)表達(dá)量與ABA、ZR含量顯著負(fù)相關(guān)(R分別為-0.837,-0.565,P<0.01),與IAA含量的負(fù)相關(guān)系數(shù)(-0.232)及與GA3含量的相關(guān)系數(shù)(0.089)均未達(dá)顯著水平。這說(shuō)明PlABCF3基因在芍藥屬遠(yuǎn)緣雜交中與內(nèi)源激素有著密切的關(guān)系,為芍藥屬遠(yuǎn)緣雜交不親和分子研究提供理論基礎(chǔ)。