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    橡膠樹(shù)產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)中表達(dá)模式分析

    2014-04-29 03:13:43李德軍等
    熱帶作物學(xué)報(bào) 2014年7期
    關(guān)鍵詞:死皮橡膠樹(shù)

    摘 要 橡膠樹(shù)死皮(Tapping Panel Dryness,TPD)是天然橡膠單產(chǎn)提高的主要限制因子之一,給中國(guó)橡膠種植業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。本文利用RT-PCR技術(shù)分析14個(gè)產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮中表達(dá)模式。研究結(jié)果表明,有8個(gè)基因在健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮中上調(diào)表達(dá),其分別是法尼基焦磷酸合酶、小橡膠粒子蛋白、橡膠素、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白5、橡膠延伸因子、幾丁質(zhì)酶、HMG輔酶A還原酶和HMG輔酶A合成酶,有4個(gè)基因在死皮橡膠樹(shù)樹(shù)皮中上調(diào)表達(dá),他們分別是橡膠轉(zhuǎn)移酶、牻牛兒基牻牛兒基二磷酸合酶、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2a和β-1,3-葡聚糖酶;另外,蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2b和蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1表達(dá)模式?jīng)]有發(fā)生變化。此結(jié)果為深入揭示橡膠樹(shù)死皮發(fā)生分子機(jī)制提供新觀點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞 橡膠樹(shù);死皮;產(chǎn)排膠相關(guān)基因

    中圖分類(lèi)號(hào) S794.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

    Abstract Tapping panel dryness(TPD)is one of key limiting factors for increasing the yield of natural rubber, and it causes serious economic loss to the rubber production in China. In this study, the expression profiles of fourteen genes related to rubber biosynthesis and flow were analyzed between healthy and TPD rubber tree barks. Eight genes, such as farnesyl-diphosphate synthase, small rubber particle protein, hevein, sucrose transporter 5, rubber elongation factor, chitinase, HMG-CoA reductase and HMG-CoA synthase, were up-regulated in barks of healthy rubber tree; four genes including cis-Prenyl transferase, geranylgeranyl diphosphate synthase, sucrose transporter 2a and β-1,3-glucanase were up-regulated in barks of TPD rubber tree; In addition, the expression patterns of sucrose transporter 2b and sucrose transporter 1 were not changed between healthy and TPD rubber trees. The results provided new insights into the molecular mechanism underlying TPD in rubber tree.

    Key words Rubber trees;Tapping panel dryness;Rubber biosynthesis and flow-related genes

    doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.07.015

    對(duì)橡膠樹(shù)死皮的報(bào)道最早見(jiàn)于巴西,1905年出現(xiàn)在亞洲,死皮分為壞死性和非壞死性2種類(lèi)型[1]。壞死性死皮特征是乳管及其周?chē)M織衰老,內(nèi)皮褐化,這種癥狀可迅速蔓延至整個(gè)割面,嚴(yán)重時(shí)可擴(kuò)展至對(duì)面的非割面。該類(lèi)型死皮發(fā)生很少,對(duì)天然橡膠生產(chǎn)不構(gòu)成威脅,業(yè)內(nèi)所提的橡膠樹(shù)死皮并不把此種類(lèi)型包含在內(nèi)。

    非壞死性死皮又稱(chēng)割面干涸(TPD),已被公認(rèn)為是一種由傷害(割膠)和乙烯刺激引起的生理綜合癥[1-3]。TPD的特征是樹(shù)皮組織和細(xì)胞學(xué)變化較小,但乳管代謝嚴(yán)重紊亂。一旦死皮發(fā)生,橡膠樹(shù)割線局部或全部乳管堵塞,排膠大量減少甚至停排。開(kāi)割橡膠樹(shù)的產(chǎn)膠和排膠之間是一個(gè)雙向反饋系統(tǒng),但在強(qiáng)割、強(qiáng)乙烯刺激或兩者相結(jié)合割膠的情況下,這一系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡會(huì)被打破,系統(tǒng)即維持產(chǎn)膠向排膠的單向性,結(jié)果產(chǎn)生過(guò)度排膠現(xiàn)象,從而引起乳管細(xì)胞原位自毀而死皮[4]。

    Sookmark等[5]采用2-DE方法,在橡膠樹(shù)膠乳中發(fā)現(xiàn)3個(gè)蛋白可能與死皮相關(guān),經(jīng)鑒定其中2個(gè)蛋白分別為橡膠延長(zhǎng)因子(REF)和小橡膠粒子蛋白(SRPP),這2個(gè)蛋白都與橡膠生物合成相關(guān)。閆潔等[6]采用2-DE和質(zhì)譜技術(shù)鑒定到產(chǎn)排膠相關(guān)蛋白在死皮和健康橡膠樹(shù)膠乳中差異表達(dá)。與死皮相關(guān)蛋白差異表達(dá)結(jié)果一致,Venkatachalam等[7]和Li等[8]都發(fā)現(xiàn)產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)膠乳中也存在表達(dá)差異。李德軍等[9]和覃碧等[10]利用橡膠樹(shù)芯片技術(shù)分別在樹(shù)皮和膠乳中鑒定死皮相關(guān)基因,均發(fā)現(xiàn)產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)中存在差異表達(dá),以上研究結(jié)果說(shuō)明死皮可能與橡膠樹(shù)產(chǎn)膠和排膠密切相關(guān)。

    乳管系統(tǒng)是橡膠樹(shù)體內(nèi)合成和貯存膠乳的場(chǎng)所,其遍布于橡膠樹(shù)的各個(gè)器官中,而與采膠生產(chǎn)直接相關(guān)的是莖干上樹(shù)皮中的乳管。盡管有產(chǎn)排膠相關(guān)基因和蛋白在死皮和健康橡膠樹(shù)中存在表達(dá)差異的報(bào)道,但目前仍無(wú)系統(tǒng)研究產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)中的表達(dá)模式。橡膠樹(shù)產(chǎn)排膠相關(guān)基因克隆、表達(dá)分析及功能研究已有一些報(bào)道[11-21],這些研究為系統(tǒng)分析產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)中的表達(dá)模式提供了可能。本研究以PR107為研究材料,系統(tǒng)分析產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮中的表達(dá)模式,研究結(jié)果為進(jìn)一步揭示橡膠樹(shù)死皮發(fā)生機(jī)制提供新觀點(diǎn)。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    1.1.1 植物材料 巴西橡膠樹(shù)(Hevea brasiliensis Muell. Arg.)品種PR107取自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)七隊(duì)。

    1.1.2 試驗(yàn)試劑 2×Taq PCR Master Mix聚合酶購(gòu)自北京天根公司,RevertAidTM First Strand cDNA Synthesis Kit購(gòu)自Fermentas公司。

    1.1.3 儀器設(shè)備 PCR擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)使用Bio-Rad公司C1000進(jìn)行。

    1.2 方法

    1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 橡膠樹(shù)品種PR107于1985年定植,1992年開(kāi)割,采用4 d一刀,1.0%乙烯刺激。為保持條件一致,死皮發(fā)生后仍采用與健康橡膠樹(shù)相同的割制,選取2級(jí)死皮和健康橡膠樹(shù)為實(shí)驗(yàn)材料,各選取5株生長(zhǎng)一致的死皮、健康橡膠樹(shù), 采集樹(shù)皮后立即用0.1% DEPC處理過(guò)的蒸餾水洗凈膠乳并用滅菌的濾紙吸干。分別將5株死皮、健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮等量混合, 獲得死皮、健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮材料, 然后放入液氮中快速冷凍用于總RNA提取。

    1.2.2 橡膠樹(shù)膠乳總RNA提取 膠乳總RNA提取參照Venkatachalam等[22]發(fā)表的方法進(jìn)行,利用DNase I去除RNA中殘留的少量DNA。用分光光度計(jì)定量,并用甲醛變性膠電泳檢測(cè)提取的RNA質(zhì)量。

    1.2.3 橡膠樹(shù)產(chǎn)排膠相關(guān)基因表達(dá)模式分析 以橡膠樹(shù)產(chǎn)排膠相關(guān)基因?yàn)檠芯繉?duì)象,用橡膠樹(shù)18S rRNA為內(nèi)參,采用RT-PCR方法分析產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)中的表達(dá)模式。根據(jù)已報(bào)道橡膠樹(shù)產(chǎn)排膠相關(guān)基因序列設(shè)計(jì)引物,為提高擴(kuò)增產(chǎn)物特異性,擴(kuò)增區(qū)段不包含蛋白保守結(jié)構(gòu)域區(qū),選取的產(chǎn)排膠相關(guān)基因及其RT-PCR引物信息見(jiàn)表1,引物合成委托上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司完成。cDNA第一鏈合成按照RevertAidTM First Strand cDNA Synthesis Kit說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。以反轉(zhuǎn)錄cDNA作為RT-PCR反應(yīng)的模板,反應(yīng)體系為:cDNA 1 μL,上游和下游引物各(10 μmol/L)0.5 μL,10×PCR Buffer 2.5 μL,dNTPs(25 mmol/L)0.5 μL,Taq 酶(2 U)0.5 μL,加ddH2O至25 μL。PCR擴(kuò)增條件為:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃ 30 s,55 ℃(根據(jù)不同基因有所調(diào)整)40 s;72 ℃ 40 s,循環(huán)28次;72 ℃延伸7 min。PCR 產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 巴西橡膠樹(shù)樹(shù)皮總RNA質(zhì)量檢測(cè)

    在RT-PCR分析基因表達(dá)模式中, RNA的質(zhì)量直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。提取的死皮和健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮總RNA電泳檢測(cè)如圖1所示, RNA電泳條帶清晰而完整, 基本無(wú)降解現(xiàn)象。28S rRNA比18S rRNA條帶亮度大于1 ∶ 1, 死皮和健康橡膠樹(shù)總RNA的A260/A280分別為1.98和1.85。以上結(jié)果表明RNA樣品在純度及完整性上都符合實(shí)驗(yàn)要求, 可用于后續(xù)產(chǎn)排膠相關(guān)基因RT-PCR分析實(shí)驗(yàn)。

    2.2 巴西橡膠樹(shù)產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮中表達(dá)模式分析

    14個(gè)產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮中的表達(dá)模式如圖2所示,與死皮橡膠樹(shù)樹(shù)皮相比,在14個(gè)產(chǎn)排膠相關(guān)基因中,有8個(gè)基因在健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮中上調(diào)表達(dá),其分別是法尼基焦磷酸合酶、SRPP、橡膠素、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白5、REF、幾丁質(zhì)酶、HMG輔酶A還原酶和HMG輔酶A合成酶,以上基因除幾丁質(zhì)酶和橡膠素外,其余均為產(chǎn)膠相關(guān)基因(圖2和表1);與健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮相比,有4個(gè)基因在死皮橡膠樹(shù)樹(shù)皮中上調(diào)表達(dá),他們分別是橡膠轉(zhuǎn)移酶、牻牛兒基牻牛兒基二磷酸合酶、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2a和β-1,3-葡聚糖酶,以上基因除β-1,3-葡聚糖酶外,其他均為產(chǎn)膠相關(guān)基因 (圖2和表1);另外,有2個(gè)基因在死皮橡膠樹(shù)樹(shù)皮中表達(dá)沒(méi)有發(fā)生變化,他們分別是蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2b和蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1,以上2個(gè)基因都是產(chǎn)膠相關(guān)基因(圖2和表1)。

    3 討論與結(jié)論

    橡膠樹(shù)死皮是限制橡膠樹(shù)單產(chǎn)提高的主要因子。目前,中國(guó)死皮累計(jì)發(fā)生率在20%~40%,嚴(yán)重地區(qū)在40%以上。隨著高產(chǎn)無(wú)性系和乙烯利刺激技術(shù)的推廣,死皮發(fā)生率和嚴(yán)重程度呈逐年上升趨勢(shì)。一旦發(fā)生死皮,橡膠樹(shù)將因停止排膠而減產(chǎn)。此外,死皮樹(shù)因停割長(zhǎng)勢(shì)旺盛,與健康樹(shù)爭(zhēng)奪陽(yáng)光、養(yǎng)分和水分中處于優(yōu)勢(shì),間接導(dǎo)致周?chē)】禈?shù)單產(chǎn)持續(xù)下降。

    乳管系統(tǒng)是橡膠樹(shù)體內(nèi)合成和貯存膠乳的場(chǎng)所, 乳管存在于橡膠樹(shù)的各個(gè)器官, 莖干上樹(shù)皮中的乳管與膠乳收獲直接相關(guān)。與健康橡膠樹(shù)相比, 死皮樹(shù)樹(shù)皮在組織學(xué)和細(xì)胞學(xué)上都會(huì)發(fā)生明顯變化, 最終導(dǎo)致橡膠樹(shù)部分或全部割線不能正常排膠[23]。盡管橡膠樹(shù)樹(shù)皮與產(chǎn)排膠和死皮密切相關(guān), 但以前對(duì)死皮的研究多集中在膠乳上, 僅李德軍等[9]用樹(shù)皮為材料,利用芯片技術(shù)大規(guī)模鑒定死皮相關(guān)基因。

    本研究以死皮和健康橡膠樹(shù)PR107樹(shù)皮為材料,首次分析了14個(gè)產(chǎn)排膠相關(guān)基因在兩者中的表達(dá)模式。在本研究分析的14個(gè)產(chǎn)排膠相關(guān)基因中,7個(gè)在前人的研究中有所報(bào)道。Li等[8]以熱研8-79膠乳為材料,用SSH方法鑒定到小橡膠粒子蛋白和橡膠延伸因子在健康樹(shù)膠乳中上調(diào)表達(dá);李德軍等[9]以熱研7-33-97樹(shù)皮為實(shí)驗(yàn)材料,利用橡膠樹(shù)oligo芯片技術(shù)發(fā)現(xiàn)橡膠延伸因子和幾丁質(zhì)酶在死皮橡膠樹(shù)樹(shù)皮中下調(diào)表達(dá);盡管本研究與Li等[8]研究所用橡膠樹(shù)品種和組織及李德軍等[9]研究所用橡膠樹(shù)品種不同,但以上2個(gè)研究結(jié)果均與本研究一致。此外,Venkatachalam等[7]研究結(jié)果表明幾丁質(zhì)酶、橡膠素和HMG輔酶A合成酶在死皮橡膠樹(shù)膠乳中上調(diào)表達(dá),Li等[8]發(fā)現(xiàn)橡膠素和蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1在死皮橡膠樹(shù)膠乳中上調(diào)表達(dá),覃碧等[11]發(fā)現(xiàn)橡膠轉(zhuǎn)移酶在健康樹(shù)膠乳中上調(diào)表達(dá),而HMG輔酶A合成酶在死皮橡膠樹(shù)膠乳中上調(diào)表達(dá),以上3個(gè)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果均與本研究相反。Venkatachalam等[7]、Li等[8]和覃碧等[10]分別以RRII105、熱研8-79和熱研7-33-97膠乳為研究材料,本研究則以PR107樹(shù)皮為材料,推測(cè)不同橡膠樹(shù)品種和不同組織可能是導(dǎo)致以上研究結(jié)果不一致的原因。Dian等[24]研究表明橡膠樹(shù)死皮是一個(gè)長(zhǎng)期而往復(fù)的過(guò)程,三級(jí)死皮樹(shù)可能向健康橡膠樹(shù)發(fā)展,也可能向更嚴(yán)重的五級(jí)死皮樹(shù)發(fā)展。盡管以上實(shí)驗(yàn)都用死皮橡膠樹(shù)為研究材料,但它們的死皮程度和發(fā)展方向可能不同,以上原因也可能導(dǎo)本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果不一致。在死皮相關(guān)蛋白研究方面,Sookmark等[5]采用2-DE方法,在橡膠樹(shù)膠乳中發(fā)現(xiàn)3個(gè)蛋白可能與死皮相關(guān),經(jīng)鑒定2個(gè)蛋白R(shí)EF和SRPP在死皮橡膠樹(shù)膠乳中上調(diào)表達(dá)。閆潔等[6]采用2-DE和質(zhì)譜技術(shù)鑒定到REF、β-1,3-葡聚糖酶、橡膠素和SRPP在死皮和健康橡膠樹(shù)膠乳中差異表達(dá),其中β-1,3-葡聚糖酶、橡膠素和SRPP參與乳管傷口阻塞,與橡膠樹(shù)排膠相關(guān)[15]。

    目前,死皮相關(guān)基因和蛋白的鑒定和分析多以膠乳為材料,以樹(shù)皮為研究材料相對(duì)較少。另外,研究采用的橡膠樹(shù)品種、割齡、割制和種植環(huán)境也不盡相同,這些因素都會(huì)對(duì)基因的表達(dá)模式產(chǎn)生影響,使不同材料、割齡、割制和種植環(huán)境的研究結(jié)果之間比較較為困難,但各研究結(jié)果均表明產(chǎn)排膠相關(guān)基因和蛋白在死皮和健康橡膠樹(shù)中表達(dá)模式存在差異,說(shuō)明橡膠樹(shù)死皮發(fā)生和發(fā)展與產(chǎn)排膠相關(guān)基因和蛋白相關(guān)。鑒于橡膠樹(shù)死皮的復(fù)雜性及研究材料和方法等不同對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生的影響,應(yīng)采用不同材料和方法研究橡膠樹(shù)死皮,對(duì)不同研究材料和方法獲得結(jié)果的共性和差異進(jìn)行系統(tǒng)分析則更易于發(fā)現(xiàn)死皮的本質(zhì)所在。橡膠樹(shù)產(chǎn)量由產(chǎn)膠和排膠能力2個(gè)方面共同決定,產(chǎn)排膠相關(guān)基因的表達(dá)變化必然會(huì)影響橡膠樹(shù)產(chǎn)量。產(chǎn)排膠相關(guān)基因在死皮和健康橡膠樹(shù)樹(shù)皮中的表達(dá)模式顯示死皮發(fā)生與產(chǎn)膠和排膠都有關(guān),因而應(yīng)從產(chǎn)膠和排膠2個(gè)方面進(jìn)行深入研究以揭示橡膠樹(shù)死皮發(fā)生機(jī)制。

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