王亦學(xué) 郝曜山 張歡歡 董艷輝 王曉清 吳慎杰
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西 太原 030031)
鹽脅迫是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的主要非生物脅迫。隨著全球氣候變化以及不合理的灌溉,鹽漬化土壤面積不斷擴(kuò)大,鹽漬化程度不斷加劇,嚴(yán)重制約作物的生長(zhǎng),造成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的下降。培育耐鹽作物是抵御鹽脅迫的一種可行途徑[1-2]。小麥(Triticum aestivumL.)是我國(guó)重要的糧食作物之一,但在生產(chǎn)過(guò)程中,鹽脅迫會(huì)造成小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的下降,制約著小麥的安全生產(chǎn)[3]。因此,提高小麥對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性,對(duì)于小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要,其中發(fā)掘和利用小麥耐鹽基因是改良小麥適應(yīng)鹽脅迫的前提和基礎(chǔ)。
脅迫相關(guān)蛋白(stress associated proteins,SAPs)是一類(lèi)具有A20/AN1 鋅指結(jié)構(gòu)域的蛋白,在植物中主要參與逆境脅迫的響應(yīng)[4]。近年來(lái),已對(duì)許多植物中的脅迫相關(guān)蛋白基因進(jìn)行了分離與功能驗(yàn)證。最早研究的脅迫相關(guān)蛋白基因是水稻(Oryza sativaL.)的OsiSAP1基因,在高鹽、干旱及低溫條件下,過(guò)量表達(dá)該基因的煙草具有較高的萌發(fā)率和幼苗鮮重[5]。玉米(Zea maysL.)ZmAN13表達(dá)一個(gè)具有A20/AN1 鋅指結(jié)構(gòu)域的蛋白,該基因的表達(dá)受低溫脅迫誘導(dǎo),轉(zhuǎn)該基因(ZmAM3)擬南芥對(duì)低溫脅迫的耐受能力增強(qiáng),卻對(duì)高鹽和干旱脅迫更加敏感[6]。擬南芥(Arabidopsis thaliana)AtSAP5參與調(diào)控高溫脅迫相關(guān)基因的表達(dá),該基因敲除突變體在高溫脅迫條件下,幼苗的存活率顯著降低[7]。AtSAP10可以增強(qiáng)擬南芥對(duì)鎳、錳、鋅等重金屬以及高溫脅迫的耐受性,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)基因擬南芥具有較高的幼苗鮮重與根長(zhǎng)[8]。另外,在高粱[9]、番茄[10]、苜蓿[11-12]、香蕉[13]、蘋(píng)果[14]、獐毛[15-16]等植物中均有關(guān)于SAP基因的報(bào)道,且這些基因都參與了逆境脅迫的響應(yīng)。
目前已有小麥SAP基因功能研究的相關(guān)報(bào)道,包括TaSAP1、TaSAP2、TaSAP5、TaSAP7-A和TaSAP17-D。其中,TaSAP1可以提高擬南芥幼苗對(duì)滲透脅迫和高鹽脅迫的耐受能力;TaSAP2可以提高擬南芥幼苗的抗?jié)B透脅迫能力,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)TaSAP1和TaSAP2基因的擬南芥苗中參與逆境調(diào)控的多個(gè)脅迫應(yīng)答基因上調(diào)表達(dá)[17];TaSAP5可以增強(qiáng)擬南芥及小麥的抗旱性,且正常條件下轉(zhuǎn)TaSAP5的擬南芥和小麥與對(duì)照植株相比,無(wú)顯著形態(tài)和生長(zhǎng)差異[18];TaSAP7-A可以增強(qiáng)擬南芥對(duì)滲透脅迫和高鹽脅迫的敏感性,而且加速了離體葉片的葉綠素降解[19];TaSAP17-D通過(guò)上調(diào)滲透脅迫相關(guān)基因表達(dá),提高了擬南芥幼苗的耐鹽性[20]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所景蕊蓮課題組先前運(yùn)用HMMER軟件搜索到小麥基因組中包含A20/AN1 結(jié)構(gòu)域的SAP 基因家族候選成員共23 個(gè),利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR(quantitative real-time PCR,qRT-PCR)檢測(cè)候選基因的表達(dá)模式,篩選出響應(yīng)高鹽脅迫的候選基因TaSAP12-D。基于此,本研究通過(guò)在擬南芥中過(guò)量表達(dá)TaSAP12-D基因來(lái)驗(yàn)證其生物學(xué)功能,同時(shí)檢測(cè)部分鹽脅迫響應(yīng)基因的表達(dá),旨在為小麥耐鹽性方面的遺傳改良提供理論依據(jù)和基因資源。
使用小麥品種旱選10 號(hào)(來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所景蕊蓮課題組)進(jìn)行基因克隆及表達(dá)模式分析。挑選籽粒飽滿的小麥種子置于培養(yǎng)皿中,加去離子水后置于光照培養(yǎng)箱中水培,溫度為23℃,光周期為12 h 光照/12 h 黑暗。在萌發(fā)期和幼苗期取樣,包括胚芽、葉和根,用于基因的組織表達(dá)分析。待幼苗長(zhǎng)至一心一葉期進(jìn)行NaCl 處理,先將培養(yǎng)皿中的去離子水傾倒干凈,后將250 mmol·L-1的NaCl 溶液加入培養(yǎng)皿中并浸沒(méi)幼苗的根部,分別于加入溶液后0、0.5、1、3、6、9和12 h取幼苗的葉片用于鹽脅迫條件下的基因表達(dá)分析。上述樣品取樣后迅速放入液氮中速凍,貯于-80 ℃?zhèn)溆?。使用擬南芥哥倫比亞0 型(Arabidopsis thaliana,ecotype Columbia 0)進(jìn)行基因的遺傳轉(zhuǎn)化,使用煙草(Nicotiana benthamiana)進(jìn)行基因編碼蛋白的亞細(xì)胞定位,培養(yǎng)條件為23 ℃,光周期為16 h光照/8 h黑暗。
根據(jù)HMMER軟件搜索到的TaSAP12-D參考序列設(shè)計(jì)特異性引物TaSAP12-D-F和TaSAP12-D-R,以小麥cDNA為模板,用TransStart Fast PfuDNA Polymerase進(jìn)行目的基因的克隆。反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s,57 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,35 個(gè)循環(huán);72 ℃終延伸10 min。使用在線分析軟件ProtParam tool(https://web.expasy.org/protparam/)預(yù)測(cè)目的基因編碼蛋白的分子量及等電點(diǎn)。目的基因編碼的氨基酸序列提交到NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行BLASTP 比對(duì),獲得其他物種的同源序列,使用DNAMAN 和MEGA6軟件分別進(jìn)行多重序列比對(duì)和同源性分析。
設(shè)計(jì)qRT-PCR引物TaSAP12-D-RT-F和TaSAP12-D-RT-R,以小麥Actin基因?yàn)閮?nèi)參,分析目的基因在不同組織及鹽脅迫條件下的表達(dá)模式。按照SYBRPremix Ex TaqII試劑盒(TaKaRa,日本)的說(shuō)明進(jìn)行操作。反應(yīng)體系為15μL:cDNA 1.5μL、2×SYBRPremix Ex Taq7.5μL、ROX Reference Dye 0.3μL、5μmol·L-1正反向引物各0.3 μL,ddH2O 補(bǔ)至15 μL。使用ABI 7500 實(shí)時(shí)熒光定量PCR 儀(ABI,美國(guó))進(jìn)行擴(kuò)增,反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性120 s;95 ℃變性20 s,60 ℃退火20 s,72 ℃延伸20 s,45個(gè)循環(huán)。采用2-△△CT法計(jì)算目的基因的相對(duì)表達(dá)量[21]。
利用重組載體pCAMBIA1300-TaSAP12-D-GFP在煙草葉片中進(jìn)行亞細(xì)胞定位。利用引物TaSAP12x-D-F 和TaSAP12k-D-R,以1.2 中克隆的目的基因?yàn)槟0孢M(jìn)行PCR 反應(yīng),反應(yīng)條件同1.2,將目的基因引入XbaI 和KpnI 酶切位點(diǎn),雙酶切后將目的基因(不含終止子)構(gòu)建到植物表達(dá)載體pCAMBIA1300的多克隆位點(diǎn)內(nèi),采用熱激法將其轉(zhuǎn)化到GV3101 農(nóng)桿菌中,震蕩培養(yǎng)至OD 值為1 時(shí)收集菌體,重懸后注射煙草葉片,培養(yǎng)2 d后觀察熒光信號(hào)。
利用1.4 中包含目的基因的農(nóng)桿菌進(jìn)行擬南芥的轉(zhuǎn)化。采用蘸花法[22]對(duì)盛花期的擬南芥進(jìn)行侵染,經(jīng)潮霉素篩選和qRT-PCR 檢測(cè),獲得T3代轉(zhuǎn)基因純合株系,選取目的基因表達(dá)量相對(duì)較高的3 個(gè)株系用于耐鹽性分析。將野生型(wild type,WT)、轉(zhuǎn)空載體植株(vector control,VC)和轉(zhuǎn)基因植株(L1、L2 和L3)的擬南芥種子用10%的NaClO 溶液消毒處理15 min,再用無(wú)菌水沖洗7~8 次,播種于MS 培養(yǎng)基(Murashige and skoog culture medium)及添加150 mmol·L-1NaCl 的MS培養(yǎng)基上,4 ℃春化處理2 d,隨后在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)14 d后觀察植株生長(zhǎng)情況,計(jì)算植株存活率,每個(gè)處理設(shè)3次生物學(xué)重復(fù)。
為揭示目的基因在鹽脅迫條件下的作用機(jī)制,以擬南芥Actin基因?yàn)閮?nèi)參,將正常條件培養(yǎng)10 d 和鹽脅迫處理10 d的轉(zhuǎn)基因擬南芥葉片和對(duì)照植株葉片作為試驗(yàn)材料,采用qRT-PCR 對(duì)鹽脅迫相關(guān)應(yīng)答基因AtP5CS1、AtRD29A、AtLEA、AtSOS1、AtNHX1和AtHKT等的表達(dá)模式進(jìn)行分析。
表1 試驗(yàn)中使用的引物Table 1 Primers used in the experiments
根據(jù)HMMER 軟件搜索小麥D 基因組數(shù)據(jù)庫(kù)得到目的基因的參考序列,設(shè)計(jì)特異性引物,從小麥品種旱選10 號(hào)中擴(kuò)增目的基因。序列分析表明,該基因序列全長(zhǎng)519 bp,編碼172 個(gè)氨基酸,命名為T(mén)aSAP12-D,其編碼的蛋白在N 端有1 個(gè)A20 結(jié)構(gòu)域,在C 端有1 個(gè)AN1結(jié)構(gòu)域,屬于SAP蛋白最常見(jiàn)的組合類(lèi)型,預(yù)測(cè)其蛋白分子量為18.41 kDa,等電點(diǎn)為9.21。
將TaSAP12-D 的氨基酸序列提交到NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行BLASTP 比對(duì),獲得其他物種的同源序列。利用DNAMAN 進(jìn)行多重序列比對(duì),結(jié)果顯示TaSAP12-D與其他植物中的A20結(jié)構(gòu)域和AN1結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列高度相似(圖1-A)。利用MEGA6進(jìn)行同源性分析,TaSAP12-D 可與其他單子葉植物的SAP 劃分為一類(lèi),包括大麥(Hordeum vulgare)、谷子(Setaria italica)、水稻和高粱(Sorghum bicolor),其他雙子葉植物的SAP 劃分為另一類(lèi)(圖1-B)。
圖1 TaSAP12-D的多重序列比對(duì)(A)與同源性分析(B)Fig.1 Multiple alignments(A)and homology analysis(B)of TaSAP12-D
為了解TaSAP12-D 在細(xì)胞中的表達(dá)部位,將TaSAP12-D 與GFP 進(jìn)行融合。構(gòu)建融合表達(dá)載體pCAMBIA1300-TaSAP12-D-GFP,將其轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌中并注射煙草葉片,以空載體pCAMBIA1300-GFP 作為對(duì)照,在激光共聚焦顯微鏡下觀察熒光信號(hào)。結(jié)果表明TaSAP12-D在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中均有表達(dá)(圖2)。
圖2 TaSAP12-D的亞細(xì)胞定位Fig.2 Subcellular localization of TaSAP12-D
為揭示TaSAP12-D在小麥不同組織的表達(dá)模式,分別選取了萌發(fā)期的胚芽、根,以及幼苗期的葉、根進(jìn)行qRT-PCR。結(jié)果顯示,TaSAP12-D在萌發(fā)期和幼苗期的胚芽、葉、根中均有表達(dá),但在幼苗期的葉中表達(dá)量最高,其表達(dá)量是幼苗期根部表達(dá)量的3.7 倍;在萌發(fā)期的根部表達(dá)量最低,胚芽的表達(dá)量是根部的2.4 倍(圖3-A)。用NaCl 對(duì)小麥幼苗進(jìn)行鹽脅迫處理,發(fā)現(xiàn)TaSAP12-D的表達(dá)水平隨時(shí)間呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在處理1 h 時(shí)達(dá)到高峰,約為對(duì)照的4.1 倍,表明TaSAP12-D參與了高鹽脅迫響應(yīng)(圖3-B)。
圖3 TaSAP12-D在不同組織(A)和鹽脅迫下(B)的表達(dá)Fig.3 Expression of TaSAP12-D in different tissues(A)and under salt stress treatment(B)
對(duì)轉(zhuǎn)TaSAP12-D擬南芥進(jìn)行正常條件培養(yǎng)和鹽脅迫處理14 d,在MS培養(yǎng)基上野生型、轉(zhuǎn)空載體植株(VC)和轉(zhuǎn)基因擬南芥(L1、L2和L3)均能正常生長(zhǎng),且長(zhǎng)勢(shì)基本一致,說(shuō)明TaSAP12-D并未對(duì)擬南芥的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響;在添加150 mmol·L-1NaCl的MS培養(yǎng)基上,野生型和轉(zhuǎn)空載體植株的葉片發(fā)黃,甚至變白死亡,而轉(zhuǎn)基因擬南芥的葉片僅少部分發(fā)黃和變白死亡(圖4-A)。利用qRT-PCR檢測(cè)T3代轉(zhuǎn)基因擬南芥純系中TaSAP12-D的表達(dá)量,測(cè)得3 個(gè)轉(zhuǎn)基因擬南芥純系中TaSAP12-D的表達(dá)量依次是野生型(WT)的36、50 和42 倍(圖4-B)。存活率統(tǒng)計(jì)顯示,野生型和轉(zhuǎn)空載體植株的存活率分別為34.2%和37.5%,兩者無(wú)顯著差異;而3 個(gè)轉(zhuǎn)基因擬南芥的存活率依次為81.7%、86.7%和83.3%,極顯著高于野生型植株(圖4-C),并且與轉(zhuǎn)基因擬南芥中TaSAP12-D的表達(dá)量變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明過(guò)表達(dá)TaSAP12-D增強(qiáng)了擬南芥的耐鹽性。
圖4 轉(zhuǎn)TaSAP12-D擬南芥的耐鹽性分析Fig.4 Analysis of Salt-tolerance in TaSAP12-D transgenic Arabidopsis
為揭示TaSAP12-D在鹽脅迫條件下的作用機(jī)制,采用qRT-PCR 檢測(cè)與鹽脅迫相關(guān)應(yīng)答基因的表達(dá)情況。結(jié)果表明,在鹽脅迫下,滲透調(diào)節(jié)基因,如脯氨酸合成的關(guān)鍵基因(Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因P5CS1)、脫水誘導(dǎo)基因(RD29A)、胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白基因(LEA)的表達(dá)量極顯著增高,是WT 的3.1~13.3 倍;離子轉(zhuǎn)運(yùn)基因,如鹽超敏感基因(SOS1)、Na+/H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(NHX1)、高親和性鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(HKT)的表達(dá)量同樣顯著或極顯著增高,是WT 的1.5~3.2 倍(圖5)。由此推測(cè),TaSAP12-D在鹽脅迫條件下,可能通過(guò)調(diào)控上述兩類(lèi)基因的表達(dá),一方面緩解滲透脅迫,另一方面調(diào)節(jié)離子平衡,從而增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐鹽性。
圖5 轉(zhuǎn)TaSAP12-D擬南芥鹽脅迫相關(guān)基因的表達(dá)Fig.5 Expression of salt-stress relative genes in TaSAP12-D transgenic Arabidopsis
為抵御外界不良環(huán)境,植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中,從形態(tài)建成以及生理代謝途徑等方面形成了一系列復(fù)雜的防御機(jī)制,以保證其正常的生長(zhǎng)和繁衍[23-24]。當(dāng)植物遇到逆境時(shí),外界的脅迫信號(hào)會(huì)傳遞到植物體內(nèi),從而改變遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò),啟動(dòng)脅迫相關(guān)基因的表達(dá),來(lái)緩解脅迫帶來(lái)的傷害[25-26]。本研究從小麥D基因組中克隆得到脅迫相關(guān)蛋白基因TaSAP12-D,其編碼的蛋白在N 端和C 端分別含有1 個(gè)A20 結(jié)構(gòu)域和1 個(gè)AN1 結(jié)構(gòu)域,屬于SAP 蛋白最常見(jiàn)的組合類(lèi)型,先前報(bào)道的TaSAP1、TaSAP2和TaSAP5也屬于此組合類(lèi)型[17-18]。
蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的定位反映了其在細(xì)胞中行使功能的部位。TaSAP12-D 的亞細(xì)胞定位顯示,其在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中均有分布,這與TaSAP5、TaSAP7-A 和TaSAP17-D 的亞細(xì)胞定位結(jié)果相一致[18-20]。有文獻(xiàn)報(bào)道,部分A20/AN1型的SAP蛋白具有E3泛素連接酶功能[18,27-28],因此推測(cè)TaSAP12-D 可能作為轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能,或者泛素化降解某類(lèi)蛋白,在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行蛋白質(zhì)翻譯后的修飾。基因的時(shí)空表達(dá)與其生物學(xué)功能密切相關(guān)。已有報(bào)道發(fā)現(xiàn),TaSAP17-D的表達(dá)水平受鹽脅迫誘導(dǎo)[20]。本研究中,組織表達(dá)分析顯示,TaSAP12-D在幼苗期的葉中表達(dá)量高,因此選擇在幼苗期進(jìn)行鹽脅迫處理,對(duì)葉片中TaSAP12-D的表達(dá)水平進(jìn)行分析,結(jié)果表明其在鹽脅迫條件下表達(dá)量同樣上調(diào),暗示其在應(yīng)對(duì)鹽脅迫中發(fā)揮功能。
土壤中過(guò)多的鹽離子常常會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育緩慢,植株矮小甚至死亡,即鹽脅迫是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素之一[29]。高濃度的鹽離子一方面影響植物根系對(duì)水分的吸收,產(chǎn)生滲透脅迫;另一方面會(huì)破壞植物細(xì)胞中的離子平衡,產(chǎn)生離子毒害。在鹽漬化的土壤中,作物難以正常生長(zhǎng),利用鹽漬化土地資源的有效措施之一就是挖掘作物中的耐鹽基因資源,從而提高作物的耐鹽性,培育出耐鹽新品種[30]。耐鹽基因資源一般包括調(diào)節(jié)基因和功能基因兩大類(lèi)[31]。調(diào)節(jié)基因在早期表達(dá),可以通過(guò)調(diào)控和啟動(dòng)下游的多個(gè)代謝途徑來(lái)行使生物學(xué)功能,因而得到廣泛的關(guān)注。本研究將TaSAP12-D基因轉(zhuǎn)入擬南芥中,并未發(fā)現(xiàn)該基因?qū)M南芥的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響;但在鹽脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因擬南芥葉片僅少部分發(fā)黃和變白死亡,存活率顯著高于野生型和轉(zhuǎn)空載體植株,說(shuō)明過(guò)表達(dá)TaSAP12-D增強(qiáng)了擬南芥的耐鹽性。前人研究表明,TaSAP1可以提高擬南芥幼苗的耐鹽能力,同時(shí)參與逆境調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)重要脅迫應(yīng)答基因上調(diào)表達(dá)[17]。TaSAP17-D同樣可以增強(qiáng)擬南芥的耐鹽性,且滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因上調(diào)表達(dá),推測(cè)其耐鹽性的增強(qiáng)與滲透調(diào)節(jié)能力的提高有關(guān)[20]。本研究中,轉(zhuǎn)TaSAP12-D擬南芥中鹽脅迫相關(guān)應(yīng)答基因AtP5CS1、AtRD29A、AtLEA、AtSOS1、AtNHX1和AtHKT的表達(dá)量均顯著或極顯著上調(diào),推測(cè)TaSAP12-D可能通過(guò)調(diào)控上述兩類(lèi)基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢(shì)和維持離子平衡,從而提高轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐鹽性。
本研究從小麥品種旱選10號(hào)中克隆得到TaSAP12-D基因,其編碼的蛋白在N 端和C 端分別含有1 個(gè)A20結(jié)構(gòu)域和1 個(gè)AN1 結(jié)構(gòu)域,亞細(xì)胞定位顯示其在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中均有表達(dá)。TaSAP12-D在小麥萌發(fā)期和幼苗期的胚芽、葉、根中均有表達(dá),但在幼苗期的葉中表達(dá)量最高,且該基因在鹽脅迫條件下表達(dá)量上調(diào)。過(guò)表達(dá)TaSAP12-D增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐鹽性,在轉(zhuǎn)基因擬南芥中鹽脅迫相關(guān)應(yīng)答基因AtP5CS1、AtRD29A、AtLEA、AtSOS1、AtNHX1和AtHKT的表達(dá)量均顯著或極顯著上調(diào),推測(cè)TaSAP12-D可能通過(guò)調(diào)控上述基因的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐鹽性。綜上所述,TaSAP12-D在應(yīng)答鹽脅迫的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中具有比較重要的作用,是改良作物耐鹽性的重要候選基因。