‘紅陽(yáng)’獼猴桃中花青素轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子AdGL3的克隆及表達(dá)分析

李文彬等

摘 要 為闡明轉(zhuǎn)錄因子在獼猴桃果肉花青素形成過程中的調(diào)控作用，采用3′RACE和5′RACE技術(shù)從‘紅陽(yáng)獼猴桃果肉中克隆到一個(gè)bHLH型轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子AdGL3。實(shí)時(shí)熒光定量PCR結(jié)果表明，AdGL3基因的表達(dá)水平與獼猴桃花青素的凈積累過程基本一致，即在凈積累過程中表達(dá)水平比較高，而凈積累停止后，該基因的表達(dá)水平也相應(yīng)降低。表明該基因是參與獼猴桃花青素合成的重要調(diào)控因子之一。結(jié)果為下一步獼猴桃花青素形成機(jī)制及調(diào)控機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 獼猴桃；花青素；AdGL3基因；表達(dá)水平

中圖分類號(hào) S663.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract To investigate the regulation mechanism of transcript factor on anthocyanin biosynthesis in red-fleshed A. Chinensis cv. Hongyang， AdGL3 was cloned from flesh according to the conserved domains through 5′ and 3′ RACE method. The results of quantitative real time PCR indicated that the relative expression level of AdGL3 was consistent with the net accumulation change of anthocyanin that it had high transcript level when the net accumulation of anthocyanin happened and low after the net increase stopped， suggesting that AdGL3 should be one of important transcript factors for anthocyanin biosynthesis. It could be benefit to illustrate the mechanism of anthocyanin biosynthesis and regulation in kiwifruit.

Key words A. Chinensis cv. Hongyang； Anthocyanin； AdGL3； Expression level

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.09.014

獼猴桃隸屬獼猴桃科（Actinidiaceae）獼猴桃屬（Actinidia Lindl.），為多年生木質(zhì)藤本植物，雌雄異株。中國(guó)獼猴桃自然資源異常豐富，獼猴桃屬物種間和種內(nèi)存在著高度的遺傳變異，尤其是果肉的顏色豐富多彩，有綠色、黃色、紅色、橙色、紫色、綠底紅心或黃底紅心。近年來，中國(guó)加快了紅肉獼猴桃品種的選育和改良，在國(guó)際市場(chǎng)上，富含花青素的特質(zhì)是紅肉獼猴桃倍受消費(fèi)者青睞的關(guān)鍵特性，未來將占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。但是，目前市場(chǎng)上唯一的紅肉品種‘紅陽(yáng)獼猴桃品種不抗夏季高溫干旱，果肉中花青素的含量易受夏季溫度和濕度波動(dòng)的影響[1]。而花青素的含量高低直接影響到‘紅陽(yáng)獼猴桃的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和種植戶的經(jīng)濟(jì)利益，因此，獼猴桃中花青素合成調(diào)控機(jī)理對(duì)‘紅陽(yáng)獼猴桃花青素積累量的研究非常重要。

目前對(duì)植物花青素合成途徑的研究已經(jīng)非常清楚[2-4]，花青素生物合成途徑受多種轉(zhuǎn)錄因子在不同時(shí)空上的組合調(diào)控，主要包括MYB、bHLH、亮氨酸拉鏈、MADS-box、WD40、WIP和WRKY等因子[5]，大部分物種的花青素合成是由MYB、bHLH、WD40這三類轉(zhuǎn)錄因子形成的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物MBW來調(diào)控[6-7]。近年來，已經(jīng)從擬南芥[8]、葡萄[9]、大麗菊（Dahlia variabilis）[10]、蘋果[11]等植物中克隆了bHLH類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子基因，并且證明其對(duì)花青素合成有正調(diào)控作用。bHLH（basic helix-loop-helix， 堿性螺旋-環(huán)-螺旋）類轉(zhuǎn)錄因子是植物中僅次于MYB的第二大轉(zhuǎn)錄因子家族，bHLH類轉(zhuǎn)錄因子一方面通過與WD40結(jié)合進(jìn)而對(duì)形成調(diào)控花青素的復(fù)合物MBW非常重要[12]，而且在R2R3-MYB蛋白的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用中發(fā)揮重要作用。另一方面bHLH蛋白可以通過提高花青素結(jié)構(gòu)基因中啟動(dòng)子區(qū)的活性，進(jìn)而增加轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)構(gòu)基因作用的穩(wěn)定性[13]。如葡萄中調(diào)節(jié)花青素合成的bHLH基因VvMYC1和VvMYCA1，VvMYC1能與葡萄所有R2R3-MYB蛋白（VvMYB5a/5b、VvMYBA1/A2、VvMYBPA1）相互作用，激活花青素或者原花青素合成結(jié)構(gòu)基因如查耳酮異構(gòu)酶（CHI）、花青素還原酶（ANR）、類黃酮糖基轉(zhuǎn)移酶（UFGT）的表達(dá)[14]。本研究從‘紅陽(yáng)獼猴桃果肉中克隆到一個(gè)bHLH類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子AdGL3基因，對(duì)其序列及在‘紅陽(yáng)獼猴桃果實(shí)發(fā)育過程中的表達(dá)水平進(jìn)行研究，為獼猴桃花青素合成機(jī)制的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用材料為2012年四川蒲江種植的‘紅陽(yáng)獼猴桃（四川中興農(nóng)業(yè)科技有限公司提供）。分別于坐果后30、60、70、90、100、110、120、140 d采集‘紅陽(yáng)獼猴桃果肉。

每個(gè)生育期取3個(gè)果實(shí)取樣后用冰浴保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室，取出果肉中果皮部分（即花青素積累部位），在液氮中速凍，-70 ℃保存。

1.2 方法

1.2.1 ‘紅陽(yáng)獼猴桃果肉花青素的提取及測(cè)定

冰凍的果肉在液氮中研磨至粉沫，然后用五倍體積的甲醇/水/乙酸（體積比80 ∶ 20 ∶ 1）提取[15]，以錫箔紙包裹，28 ℃、200 r/min，提取30 min，于4 ℃冰箱中放置24 h，以0.45 μm的濾紙過濾，上層清液50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮。

高效液相色譜檢測(cè)花青素含量，以美國(guó)Water公司的Alliance2695液相色譜儀進(jìn)行測(cè)定，C18柱（Nova-pak），規(guī)格為150 mm×3.9 mm，顆粒度4 μm。流動(dòng)相A為1%的甲酸，B相為乙腈，流速0.8 mL/min，530 nm下檢測(cè)。

花青素標(biāo)準(zhǔn)品為cyaniding 3-O-galactoside （Chromadex USA， CAS No. 27661-36-5）和cyaniding 3-O-glucoside（WAKO，Jap，CAS No. 7084-24-4）。

1.2.2 ‘紅陽(yáng)獼猴桃RNA的提取及檢測(cè) 采用改良的CTAB法提取RNA[16]。

RNA提取后，以1%的瓊脂糖凝膠電泳對(duì)所提取的RNA進(jìn)行完整性檢測(cè)，以Nanodrop2000分光光度計(jì)來檢測(cè)RNA濃度及A260 nm/A280 nm值。

1.2.3 AdGL3基因的克隆、驗(yàn)證及序列分析 根據(jù)已報(bào)道的擬南芥中bHLH基因保守區(qū)設(shè)計(jì)引物，引物序列為：

5′引物為：5′-TGGGGNGAYGGNTAYTAYAA-3′

3′引物為：5′-AYTCNGTRTCNGCNARRTCYTC-3′

3′RACE和5′RACE參照大連寶生物公司3′ （Takara Code： D314）和5′（Takara Code：D315）RACE試劑盒說明書進(jìn)行?；騊CR產(chǎn)物純化回收后連接pEASY載體（北京全式金生物技術(shù)有限公司）測(cè)序。

進(jìn)化樹分析軟件采用MEGA（V 5.02）進(jìn)行。

1.2.4 AdGL3基因在果實(shí)發(fā)育過程中的表達(dá)水平分析 將3個(gè)果實(shí)分別提取RNA后，等量混合形成RNA池，再反轉(zhuǎn)錄成cDNA，根據(jù)AdGL3基因的cDNA序列設(shè)計(jì)特異性引物進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR試驗(yàn)（RT-PCR），序列特異性引物如下：

5′引物：5′-AAAAGGTTATTGTTGGGGTAATGG

CA-3′

3′引物：5′-ACCGTCTTCCTCGTCTTAATGTCT

C-3′

獼猴桃Actin（GI：149938963）基因?yàn)閮?nèi)參基因，其序列特異性引物如下：

5′引物：5′- TGAGAGATTCCGTTGCCCAGAAG

T-3′

3′引物：5′-TTCCTTACTCATGCGGTCTGCGAT-3′

實(shí)時(shí)熒光定量PCR條件：

1.5 μg總RNA以FastQuant RT kit（with gDNase）（TIANGEN Biotech）（北京）進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄合成第一鏈cDNA。1 μL cDNA模板，10 μL SYBRR Premix ExTaqTM（DRR041A，Takara），0.2 μmol/L正反向引物，RT-PCR在Applied Biosystems StepOne Real-Time PCR（Applied Biosystem， Foster City， CA， USA）儀上進(jìn)行，每個(gè)基因3個(gè)重復(fù)，以基因AdActin（GI：149938963）在30DAA處的值作為標(biāo)準(zhǔn)。

擴(kuò)增程序?yàn)?5 ℃ 30 s； 95 ℃ 5 s，60 ℃ 20 s，40個(gè)循環(huán)； 72 ℃ 20 s，溶解曲線程序?yàn)?5 ℃ 15 s；95 ℃ 1 min內(nèi)以0.3 ℃遞增，最后95 ℃ 15 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 ‘紅陽(yáng)獼猴桃果實(shí)發(fā)育期間花青素變化趨勢(shì)

‘紅陽(yáng)獼猴桃果實(shí)花青素的結(jié)果顯示，果實(shí)中花青素的積累經(jīng)歷了緩慢-快速-下降-再升高的過程（圖1）。開花后到花后30 d，果實(shí)中沒有花青素的積累，花后30～60 d為緩慢積累期，中果皮部位逐漸出現(xiàn)紅色絲狀分布的花青素，表明花青素開始積累，這段時(shí)期花青素的積累較慢。而花后70～90 d為花青素快速積累期，直到花后100 d，花青素凈積累持續(xù)增加，此時(shí)果肉中花青素的濃度達(dá)到最高（56.9 μg/g 鮮重）。此后，花青素的含量不穩(wěn)定凈積累量下降（120 d），而在收獲前又略有上升（140 d）。

2.2 RNA質(zhì)量及濃度檢測(cè)

以1%的瓊脂糖凝膠電泳對(duì)所提取的RNA進(jìn)行完整性檢測(cè)（圖2），發(fā)現(xiàn)提取的總RNA均呈現(xiàn)2條清晰、無(wú)明顯拖尾現(xiàn)象的條帶，說明獲得的總RNA樣品完整性較好。其中RNA濃度都比較高，且OD值要求達(dá)到：1.8≤A260 nm/A280 nm≤2.2，A260 nm/A230 nm≥1.8，RNA濃度范圍為540～1 500 ng/μL。高質(zhì)量高純度的RNA為下一步cDNA反轉(zhuǎn)錄、基因克隆及實(shí)時(shí)熒光定量PCR提供保證。

2.3 基因克隆及序列分析

AdGL3基因cDNA全長(zhǎng)約2 027 bp（圖3）。對(duì)其序列進(jìn)行分析后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AdGL3基因開放閱讀框?yàn)? 947 bp，編碼一個(gè)由649個(gè)氨基酸組成的蛋白，利用NCBI在線工具保守區(qū)序列分析（Conserved Domain Search Service）軟件對(duì)其編碼的氨基酸序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，證明其具有保守結(jié)構(gòu)域bHLH-MYB_N和HLH（圖4）。

利用MEGA（5.0）軟件，將AdGL3基因編碼的氨基酸序列與已報(bào)導(dǎo)的模式植物擬南芥、葡萄等的同源基因的氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)與葡萄（Vitis vinifera）和擬南芥（Arabidopsis thaliana）中的AdGL3進(jìn)化關(guān)系最近，氨基酸序列相似性最高（圖5），表明AdGL3基因在功能上與已經(jīng)報(bào)道的GL3基因?qū)ㄇ嗨氐恼{(diào)控作用相關(guān)。

2.4 AdGL3基因在‘紅陽(yáng)果實(shí)發(fā)育期間的表達(dá)模式

實(shí)時(shí)熒光定量PCR結(jié)果表明，果實(shí)發(fā)育期AdGL3的表達(dá)水平經(jīng)歷了較明顯的高峰和平緩期，花后60 ～100 d，AdGL3的表達(dá)量變化幅度比較大，其中90 d時(shí)表達(dá)量是70 d時(shí)表達(dá)量的28倍，這可能與這一階段中花青素變化速率最大相關(guān)（圖6）。總體來說，AdGL3的表達(dá)水平與花青素凈積累的規(guī)律基本一致，花后30 d果實(shí)花青素開始合成，一直到100 d花青素呈現(xiàn)凈合成持續(xù)增加，而AdGL3的表達(dá)水平也呈現(xiàn)出持續(xù)增加趨勢(shì)，而當(dāng)花青素在100 d后凈積累停止后，AdGL3基因的表達(dá)水平也呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，直到果實(shí)成熟。

3 討論與結(jié)論

GLABRA3是擬南芥中最主要的調(diào)控毛狀體及根毛發(fā)育的復(fù)合蛋白之一[17]。近年來許多研究表明，GL3通過與MYB及WD40蛋白形成調(diào)控復(fù)合物MBW來調(diào)控花青素合成[6，18-19]。Myb/bHLH/WD40調(diào)控復(fù)合物主要調(diào)控花青素合成途徑中的后期合成基因，如二氫黃酮還原酶（DFR）、花青素合成酶（ANS）和類黃酮糖苷轉(zhuǎn)移酶（UFGT）等[20]。本研究克隆得到的AdGL3基因具有與其他物種中調(diào)控花青素的bHLH類基因GL3相似的結(jié)構(gòu)，很可能是參與‘紅陽(yáng)獼猴桃中花青素合成的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子之一。

在本研究中，AdGL3基因在‘紅陽(yáng)獼猴桃果肉中花青素凈積累增加的過程中保持較高的表達(dá)水平，尤其在花青素快速合成期（70～90 d），其表達(dá)水平的變化幅度最大。一般來說轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄表達(dá)總是先于受調(diào)控基因的表達(dá)，從而對(duì)被調(diào)控基因進(jìn)行調(diào)控，花青素的合成將更加滯后于受調(diào)控基因的表達(dá)[21]，這可能是AdGL3基因的表達(dá)水平與花青素凈積累增加的趨勢(shì)不太一致的主要原因。果實(shí)中花青素的合成是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控過程，積累水平受到內(nèi)部遺傳、生長(zhǎng)發(fā)育和外部環(huán)境的影響[6]，基因的轉(zhuǎn)錄水平也會(huì)受到影響。

花青素含量是果實(shí)品質(zhì)的一個(gè)重要方面，因此也是許多遺傳育種工作的重點(diǎn)，通過轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控果實(shí)的品質(zhì)，如花色和果色，是目前一種非常有效的方法。獼猴桃是重要的經(jīng)濟(jì)水果之一，尤其是紅肉獼猴桃—‘紅陽(yáng)以其果實(shí)富含花青素而成為近年來消費(fèi)者的新寵。本研究中獲得的AdGL3基因?qū)Αt陽(yáng)獼猴桃花青青合成機(jī)制研究有重要作用。

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