魏 超,王美容,麥秀玲,楊芷瑩,陳詩(shī)銘
(肇慶學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,廣東 肇慶 526061)
甘藍(lán)型油菜(Brassica napusL.,AACC,2n=38)是十字花科(Brassicaceae)蕓薹屬(Brassica)重要的油料作物,是同屬中二倍體物種白菜(AA,2n=20)和甘藍(lán)(CC,2n=18)先通過(guò)天然的種間雜交,再經(jīng)過(guò)雙二倍化進(jìn)化后產(chǎn)生的異源四倍體物種,目前已經(jīng)對(duì)其中的8 種生態(tài)型完成了基因組測(cè)序[1]。近年來(lái),油菜的多功能利用潛力不斷被開發(fā)[2],除榨油、飼料和菜用外,不同花色的甘藍(lán)型油菜也是具有特色的旅游資源[3];此外,對(duì)其不同花色資源的基因功能和代謝組學(xué)研究[4-5]以及花色利用也備受關(guān)注,因此,研究甘藍(lán)型油菜花色性狀的遺傳和分子機(jī)制具有一定的實(shí)踐意義。白花性狀是比較常見的花色突變類型,其來(lái)源比較豐富,產(chǎn)生機(jī)制也具有多樣性和復(fù)雜性,但是其分子機(jī)制間的差異和相關(guān)性研究并不完善,具有一定的研究意義。
在十字花科植物中,對(duì)白花性狀的遺傳研究成果最為突出。油菜中白花性狀的來(lái)源較豐富,包含自然突變、人工突變和遠(yuǎn)緣雜交等方式[6-7]。研究發(fā)現(xiàn):不同來(lái)源的白花性狀存在多種遺傳模式,在某些甘藍(lán)[8]、芥藍(lán)[9]和甘藍(lán)型油菜[10-11]中發(fā)現(xiàn)單基因顯性遺傳的模式,而在一類芥菜型油菜中發(fā)現(xiàn)白花性狀屬于2 對(duì)隱性基因的遺傳調(diào)控模式[12];也有文獻(xiàn)表明某些白菜的白花性狀受雙隱性基因調(diào)控[13]或單隱性基因調(diào)控[14],某些甘藍(lán)型油菜的白花性狀也受到單隱性基因調(diào)控[15]。關(guān)于白花性狀形成的分子機(jī)制也有一定的研究報(bào)道,尤其是定位克隆了一部分白花形成的關(guān)鍵基因。在甘藍(lán)型油菜中發(fā)現(xiàn)了BnaC3.CCD4[10]、Bn-NCED4b[11]和PSD3[15]基因與白花性狀相關(guān);也有研究利用二代測(cè)序技術(shù)定位了與白花連鎖的6 個(gè)SSR 共分離標(biāo)記[16];在芥藍(lán)中定位克隆的ckpc基因[9]、甘藍(lán)中定位的cpc-1基因[8]、芥菜型油菜中定位克隆的Bjpc1/2基因[12,17]以及白菜中定位克隆的Brwf1、Brwf2[13]和BrWF3[14]等基因均與白花性狀相關(guān);此外,在蘿卜中發(fā)現(xiàn)1 個(gè)堿基的點(diǎn)突變導(dǎo)致紅色花瓣變成白色[18]。
白花屬于黃花的一種常見突變類型,研究黃花與白花的基因表達(dá)或代謝差異具有重要意義。黃花形成主要與類胡蘿卜素代謝路徑有關(guān),類胡蘿卜素是三大天然色素之一,是花瓣顏色形成的主要因素之一,其代謝路徑主要包括合成轉(zhuǎn)化、分解和儲(chǔ)存,每個(gè)過(guò)程包含了復(fù)雜的基因合成路徑和代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[19]。類胡蘿卜素合成路徑主要的限速基因是八氫番茄紅素合成酶基因(PSY);在合成轉(zhuǎn)化過(guò)程中,番茄紅素δ-環(huán)化酶基因(LCYE)、番茄紅素β-環(huán)化酶基因(LCYB)和玉米黃質(zhì)環(huán)化酶基因(ZEP)等發(fā)揮了重要的作用;在分解代謝路徑中,雙加氧裂解酶基因(CCD1、CCD4、CCD7和CCD8)和9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶基因(NCEDs)發(fā)揮了關(guān)鍵作用[19-20]。在油菜中,QU 等[21]利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析得到18 個(gè)類胡蘿卜素合成的位點(diǎn);此外,還有研究利用組學(xué)分析得到白花和黃花材料中與類胡蘿卜素路徑相關(guān)的多個(gè)差異表達(dá)基因[5,11,22]。目前在甘藍(lán)型油菜中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種白花類型,也對(duì)部分白花材料進(jìn)行了組學(xué)分析,但是還沒有比較和鑒定這些材料中白花基因的序列差異,本研究以此為切入點(diǎn),分析白花材料中關(guān)鍵基因的序列和表達(dá)差異。
本研究以4 個(gè)新型甘藍(lán)型白花油菜品系為研究材料,以BnaC3.CCD4基因?yàn)檠芯繉?duì)象,采用生物信息學(xué)的進(jìn)化分析和基因PCR 克隆測(cè)序等方法進(jìn)行同源性和遺傳變異分析,同時(shí)對(duì)類胡蘿卜素合成轉(zhuǎn)化、分解和代謝路徑的一些關(guān)鍵基因進(jìn)行相對(duì)表達(dá)量的分析,初步探究不同白花材料白花形成的機(jī)制和差異,為確定不同材料中白色花瓣形成的關(guān)鍵基因和關(guān)鍵時(shí)期提供參考。
供試的5 個(gè)材料均為甘藍(lán)型油菜品系,4 個(gè)白花材料分別為M50 (人工合成甘藍(lán)型油菜)、M55、M58 和M61;對(duì)照黃花材料M158 為中雙11,所有材料于2021 年10 月種植于田間,待現(xiàn)蕾時(shí)取花瓣或小花蕾提取RNA,并進(jìn)行表型觀察。此外,為了確定不同材料中目標(biāo)基因的變異形式,選取多種白花、黃花和桃紅花材料用于分子標(biāo)記檢測(cè),其中,黃花材料包括79、80、81、84、86、95、96-1、96-2、109、111、139、140、141、143、147、158、166、187、188 和Westar,桃紅花材料包括75 和76-1,白花材料為137。所有材料來(lái)自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜研究中心。
主要試劑:I-5? 2×High-Fidelity Master Mix、熒光定量STBR qPCR Master Mix、大腸桿菌DH5α感受態(tài)以及其他生化試劑購(gòu)自擎科生物科技有限公司;RNA 提取試劑盒和反轉(zhuǎn)錄試劑盒購(gòu)自南京諾唯贊生物技術(shù)有限公司;植物基因組提取試劑盒購(gòu)自天根生化科技(北京)有限公司。主要儀器:伯樂(lè)PCR 儀、TGL-18 高速冷凍離心機(jī)、Nano-200微量核酸蛋白分析儀、AFD4800 實(shí)時(shí)熒光定量PCR 儀、Tanon-2500 凝膠成像系統(tǒng)等。
CCD4基因?qū)儆陬惡}卜素裂解途徑中的1 個(gè)基因,在蕓薹屬植物中具有較多的同源序列。在甘藍(lán)型油菜泛基因組數(shù)據(jù)庫(kù)(http://cbi.hzau.edu.cn/bnapus/)中選擇人工合成黃籽材料No.2127為參考基因組,并下載目標(biāo)基因BnaC3.CCD4對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)序列;在NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)的十字花科基因庫(kù)中比對(duì)并下載與該基因同源的所有序列,選取相似度較高的39 個(gè)蛋白質(zhì)序列,采用MEGA 6.0 軟件進(jìn)行進(jìn)化樹分析,再采用鄰接法進(jìn)行聚類分析,Bootstrap 設(shè)置為1 000。
采用高保真酶在5 個(gè)材料的基因組中設(shè)計(jì)特異擴(kuò)增BnaC3.CCD4基因的引物。以N2127_CCD-4-F (5′-AGCAGTGCAATGTACTCTGTTT-3′)和N-2127_CCD4-R (3 ′-ATTAAACAGACCGTGATTAAACCT-5′)為上、下游引物,分別從白花和黃花材料的基因組DNA 中擴(kuò)增BnaC3.CCD4,后續(xù)將PCR 產(chǎn)物純化回收,再連接到Pclone007 平末端載體上,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化、復(fù)蘇、涂平板和陽(yáng)性克隆檢測(cè)等步驟后,將單克隆菌液送至擎科生物有限公司進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序完成后,利用ClustalX 對(duì)5個(gè)材料的目的基因進(jìn)行比對(duì)分析,利用DNAMAN對(duì)結(jié)果進(jìn)行美化處理。引物N2127_CCD4-F 和N2127_CCD4-R 也是鑒定不同材料中BnaC3.CCD4基因的分子標(biāo)記。
很多白花材料是由于BnaC3.CCD4基因序列發(fā)生突變產(chǎn)生的,尤其是轉(zhuǎn)座子TE1 和TE2 的插入[10]。因此,本研究還設(shè)計(jì)了1 對(duì)引物(TE1-F 和TE1-R)檢測(cè)BnaC3.CCD4基因序列中是否存在TE1 轉(zhuǎn)座子,從而判斷黃花材料的BnaC3.CCD4基因突變是否與TE1 的插入有關(guān)。PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物利用瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),引物序列為TE1-F:TTGATTCGCCGCGTTTAACAT,TE1-R:CCTGTTTGTGATCTCGACGTTGT。
分別對(duì)5 個(gè)材料3 個(gè)不同時(shí)期(小花蕾、小花瓣和大花瓣時(shí)期)的花瓣或花蕾組織RNA 進(jìn)行提取和反轉(zhuǎn)錄。取反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5 μL,加超純水稀釋80 倍,分裝到1.5 mL 離心管中,并按照品系和花瓣或花蕾組織編號(hào)。利用AFD4800 定量PCR 儀進(jìn)行擴(kuò)增,擴(kuò)增體系與程序參照2×Master qPCR Mix-SYBR (+UDG) (貨號(hào):TSE203)試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行。
根據(jù)前人研究結(jié)果[5,22],本研究針對(duì)類胡蘿卜素合成和裂解路徑上的7 個(gè)基因進(jìn)行定量分析,其中PSY和LCYB是合成路徑中的重要基因,CCD4、CCD7、NCED3和NCED5是裂解路徑中的基因,ZEP是類胡蘿卜素參與葉黃素循環(huán)過(guò)程的相關(guān)基因。除CCD4只分析BnaC3.CCD4基因的表達(dá)量外,其他基因分析了基因組中所有同源序列的表達(dá)量。表達(dá)量的分析以β-actin7作為內(nèi)參基因。采用2—ΔΔCt法進(jìn)行相對(duì)表達(dá)量的計(jì)算。
數(shù)據(jù)采用Excel 和IBM SPSS 軟件進(jìn)行分析;采用GraphPad Prism 5 和Photoshop 軟件作圖。
由圖1 可知:黃花對(duì)照材料(M158)在花瓣發(fā)育早期就積累了豐富的類胡蘿卜素,花瓣完全展開時(shí)呈深黃色;M50、M55 和M58 的表現(xiàn)基本相似,花瓣在發(fā)育早期有一定的類胡蘿卜素積累而呈淺黃色,但在發(fā)育后期淺黃色消失,花瓣變?yōu)榘咨籑61 的花瓣也表現(xiàn)類似的現(xiàn)象,但最終盛開的花瓣上還表現(xiàn)出淺黃色。說(shuō)明4 種白花材料早期的類胡蘿卜素合成路徑基本正常,但在花瓣發(fā)育過(guò)程中類胡蘿卜素的積累出現(xiàn)了差異。
圖1 白花材料與黃花材料的花瓣表型(標(biāo)尺=1 cm)Fig.1 Phenotypes of petals of the white flower varieties and the yellow flower variety (scale bar=1 cm)
白菜、擬南芥、芥菜和蘿卜中均存在CCD4基因的同源蛋白序列,該基因在生化過(guò)程中具有一定的基礎(chǔ)功能,在進(jìn)化上具有一定的保守型。在近緣物種中,甘藍(lán)中的XP013626299 序列與BnaC3.CCD4基因的親緣關(guān)系最近。分析同源性較高的39 條蛋白序列(圖2)可知:甘藍(lán)型油菜和擬南芥(Arabidopsis thaliana)有6 條高度同源的蛋白序列,具備CCD4 功能的序列有16 條,其中,甘藍(lán)型油菜4 條,白菜(B.rapa)、甘藍(lán)(B.oleracea)和蘿卜(Raphanus sativus)各2 條,亞麻薺(Camelina sativa) 3 條,薺菜(Capsella rubella)、鹽芥(Eutrema salsugineum)和琴葉擬南芥(Arabidopsis lyrata)各1 條。結(jié)果顯示:在這39 條序列中,甘藍(lán)中的1 個(gè)CCD4 (XP013626299)蛋白序列與目標(biāo)蛋白的序列基本一致。
圖2 蕓薹屬CCD4 基因的進(jìn)化樹Fig.2 Evolutionary tree of CCD4 in Brassicaceae
BnaC3.CCD4基因擴(kuò)增結(jié)果(圖3)顯示:4 個(gè)白花材料均能擴(kuò)增出專一的目標(biāo)條帶,而黃花對(duì)照材料M158 不能擴(kuò)增出目標(biāo)片段。由圖4 可知:4 個(gè)白花材料的序列完全一致,且與人工合成白花材料No.2127 的CCD4基因序列完全一致,說(shuō)明白花的形成與功能性CCD4基因的存在一定關(guān)聯(lián)。值得注意的是,C03 染色體上的CCD4(BnaC3.CCD4)序列與A08 上的BnaA8.CCD4序列雖然具有一定的同源性,但是在最終的蛋白質(zhì)氨基酸序列上有一定的差異,說(shuō)明甘藍(lán)型油菜A08 染色體上的CCD4同源拷貝不具有明顯的生物學(xué)功能,而C03 上的同源拷貝才可發(fā)揮生物學(xué)功能。
圖3 白花材料與黃花材料BnaC3.CCD4 基因的擴(kuò)增結(jié)果Fig.3 PCR amplification result of BnaC3.CCD4 in white and yellow flower varieties
圖4 白花材料BnaC3.CCD4 的核苷酸序列Fig.4 Nucleotide sequence alignments of BnaC3.CCD4 in white flower varieties
BnaC3.CCD4序列的特異引物檢測(cè)結(jié)果(圖5a)顯示:白花材料M50、M58、M61 和M137,桃紅花材料75 和76-1 以及黃花材料187 均能擴(kuò)增出目標(biāo)條帶。由圖5b 可知:除黃花材料187 外,其他黃花材料中均檢測(cè)到TE1 序列,而在白花和桃紅花材料中沒有檢測(cè)到該特異序列。進(jìn)一步對(duì)黃花材料187 和桃紅花材料76-1 的目的基因(BnaC3.CCD4)測(cè)序比對(duì)發(fā)現(xiàn):76-1 中的目的基因與M50 等白花材料一致,而187 的該基因雖然沒有TE1 插入,但是在編碼區(qū)存在幾個(gè)堿基的轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致發(fā)生突變。以上結(jié)果說(shuō)明桃紅花材料中目的基因BnaC3.CCD4發(fā)揮了生物學(xué)功能,黃花材料187 的BnaC3.CCD4基因發(fā)生了堿基突變,而其他黃花材料中該目標(biāo)基因由于轉(zhuǎn)座子TE1 的插入發(fā)生了突變。
圖5 不同材料中BnaC3.CCD4 (a)和轉(zhuǎn)座子TE1 (b)的檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Detection results of BnaC3.CCD4 (a) and TE1 transposon (b) in different materials
由圖6 可知:在小花蕾期,黃花材料M158 的類胡蘿卜素合成基因PSY的表達(dá)量較低;到小花瓣期,已經(jīng)明顯觀察到黃色形成(圖1),PSY基因表達(dá)量顯著增高,其他降解和代謝路徑繼續(xù)保持較低水平;到大花瓣期,PSY基因表達(dá)量顯著下降,代謝路徑的ZEP基因表達(dá)量顯著增高,降低了類胡蘿卜素含量的積累速度,但花瓣依然保持黃色。說(shuō)明油菜黃花的形成主要是類胡蘿卜素的積累,即類胡蘿卜素的生物合成大于其降解和代謝。
圖6 不同材料3 個(gè)時(shí)期相關(guān)基因的表達(dá)Fig.6 Expression of relative genes at three periods in different materials
不同時(shí)期白花材料不同基因的表達(dá)量也有所差異(圖6)。對(duì)M50 而言,花瓣發(fā)育早期7 個(gè)基因的表達(dá)量非常低;小花瓣期,PSY基因的表達(dá)量顯著高于其他基因,但此時(shí)ZEP基因和CCD4基因也具有較高的表達(dá)量;大花瓣期,合成路徑的PSY基因表達(dá)量相對(duì)于小花瓣期顯著降低,但依然高于其他基因的表達(dá)量,ZEP和CCD4基因仍有微弱的表達(dá),說(shuō)明M50 小花瓣期因類胡蘿卜素部分降解故花瓣表現(xiàn)為淺黃色,而大花瓣期類胡蘿卜素合成顯著減少、降解增多而表現(xiàn)為白色。對(duì)M55 而言,花瓣發(fā)育早期基因表達(dá)量極低;小花瓣期PSY、LCYB和ZEP基因有所表達(dá),但PSY表達(dá)量處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì);大花瓣期,PSY表達(dá)量顯著下降,ZEP基因仍然具有較高水平的表達(dá),說(shuō)明M55 的小花瓣期存在其他基因參與了類胡蘿卜素的降解和代謝使得花瓣表現(xiàn)為淺白色,到大花瓣期合成基因表達(dá)量極顯著減少而表現(xiàn)為白色。對(duì)M58 而言,花瓣發(fā)育早期PSY基因有微弱表達(dá);小花瓣期PSY、CCD4和ZEP基因具有較高的表達(dá)量,且PSY表達(dá)量顯著高于其他基因;大花瓣期,PSY表達(dá)量雖然下降顯著,但仍然顯著高于其他基因,ZEP的表達(dá)量也顯著高于其他基因,表明其白花的形成可能是由于CCD4裂解基因和ZEP基因的高表達(dá),導(dǎo)致類胡蘿卜素不能大量積累。對(duì)M61 而言,花瓣發(fā)育早期7 個(gè)基因表達(dá)量均很低,小花瓣期,PSY基因表達(dá)量較其他基因顯著升高,LCYB、CCD4和ZEP基因也有所表達(dá);大花瓣期,PSY、LCYB和ZEP基因的表達(dá)量較小花瓣期顯著提高,但PSY和ZEP基因的表達(dá)量仍顯著高于LCYB等基因,表明M61 小花瓣期類胡蘿卜素合成大于降解從而表現(xiàn)為淺黃色,到大花瓣期類胡蘿卜素含量維持在較低水平,推測(cè)還存在其他降解或代謝路徑的基因發(fā)揮作用,導(dǎo)致其花瓣表現(xiàn)為淺白色。
CCD4基因序列在十字花科近緣物種中具有較高的同源性。有研究以擬南芥AtCCD基因的編碼區(qū)序列為依據(jù),在甘藍(lán)型油菜中找到30 個(gè)CCD 的位點(diǎn),其中14 個(gè)位于A 亞基因組,16 個(gè)位于C 亞基因組;這些同源序列可分化為9 大亞群,而且具有不同的組織或器官表達(dá)特異性[23]。此外,甘藍(lán)型油菜中有4 條CCD4基因的同源序列,分別是BnaA1.CCD4、BnaC1.CCD4、BnaA8.CCD4和BnaC3.CCD4,其中C03 染色體上的CCD4基因主要在花瓣中表達(dá),其他染色體上的CCD4基因優(yōu)先在光合作用的組織和器官中表達(dá)[10]。本研究表明:白菜、甘藍(lán)和蘿卜中具有與BnaC3.CCD4基因同源的多條序列,甘藍(lán)中的同源序列與之親緣關(guān)系最近,而在甘藍(lán)型油菜的基因組中也具有4 條同源序列。雖然存在一定的功能冗余,但BnaC3.CCD4基因主要在花瓣中表達(dá),是與花色相關(guān)的主要基因,能夠以胡蘿卜素為底物裂解產(chǎn)生α-紫羅酮和脫輔基類胡蘿卜素,從而改變花色[11,22]。值得注意的是,本研究中2 個(gè)桃紅花材料的基因組中也存在BnaC3.CCD4基因,推測(cè)桃紅花材料的該基因位點(diǎn)處于雜合狀態(tài),且在育種過(guò)程中利用了含該基因的白花材料作為上一代親本,以便于色素的積累與觀察。
有研究發(fā)現(xiàn):在甘藍(lán)、埃塞俄比亞芥菜和甘藍(lán)型油菜中均發(fā)現(xiàn)不同的單倍型C3.CCD4基因具有不同的突變類型[10]。甘藍(lán)中具有4 種突變類型,包括轉(zhuǎn)座子插入、堿基插入和序列缺失等,最終導(dǎo)致黃花,而很多甘藍(lán)型油菜黃花材料的產(chǎn)生是由于CCD4基因存在TE1 轉(zhuǎn)座子的插入[10]。本研究顯示:黃花材料187 也能擴(kuò)增出與野生型長(zhǎng)度相似的CCD4片段,說(shuō)明該黃花材料中CCD4基因的突變并不是由于TE1 轉(zhuǎn)座子的插入,因此,本研究發(fā)現(xiàn)了1 種新的CCD4單倍型類型,最終使其沒有降解類胡蘿卜素的功能。
類胡蘿卜素分解代謝路徑增強(qiáng)是本研究中白花材料形成的主要因素。已有研究表明:PSY、LCYB和ZEP等基因在胡蘿卜素及其葉黃素等衍生物的合成路徑中發(fā)揮著重要作用,NCED基因主要在類胡蘿卜素代謝產(chǎn)生脫落酸中發(fā)揮重要作用,而CCDs基因主要在其降解上發(fā)揮重要作用[19-20]。不同時(shí)期油菜花瓣的類胡蘿卜素含量不同,在即將開花前或花蕾早期達(dá)到頂峰[22],這與本研究結(jié)果基本一致。小花瓣期,M50、M55、M58 和M158 材料的PSY基因相對(duì)表達(dá)量達(dá)到最大,說(shuō)明此時(shí)類胡蘿卜素的合成大于分解,處于積累階段;大花瓣期,M61 材料的PSY和LCYB基因高表達(dá)說(shuō)明仍然存在一定量的類胡蘿卜素積累,但花瓣整體上仍呈淺白色,需要進(jìn)一步研究M61 材料中究竟還存在哪些降解路徑基因的高效表達(dá)。總之,白色花瓣的形成與類胡蘿卜素的分解、轉(zhuǎn)化等代謝路徑密切相關(guān),并非合成路徑發(fā)生明顯改變,這與前人研究認(rèn)為PSY基因的表達(dá)差異影響花色[5]不一致,可能是因?yàn)榘谆ú牧项愋捅容^豐富,產(chǎn)生的途徑和機(jī)制存在一定差異。此外,白花材料在代謝物和轉(zhuǎn)錄水平上的差異也是下一步研究的方向。
BnaC3.CCD4 蛋白在十字花科中具有較多的同源序列,與甘藍(lán)中的1 個(gè)蛋白質(zhì)序列親緣關(guān)系最近。供試4 種白花材料的BnaC3.CCD4基因序列完全一致,均不存在TE1 轉(zhuǎn)座子插入,白色花瓣的形成與類胡蘿卜素降解路徑和代謝路徑上的基因表達(dá)量密切相關(guān),其中BnaC3.CCD4和ZEP基因發(fā)揮了一定的作用。