鹽脅迫下甜菜M14品系BvM14-ATPaseF、BvM14-ATPaseH、BvM14-PsaD基因的表達分析

張詠雪，戚詩詩，潘 鈺，馬春泉，于 冰，陳思學，李海英,*

(黑龍江大學 a. 生命科學學院; b. 黑龍江省普通高等學校分子生物學重點實驗室；c. 農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心,哈爾濱 150080)

鹽脅迫下甜菜M14品系BvM14-ATPaseF、BvM14-ATPaseH、BvM14-PsaD基因的表達分析

張詠雪a,b,c，戚詩詩a,b,c，潘 鈺a,b,c，馬春泉a,b,c，于 冰a,b,c，陳思學a,b,c，李海英a,b,c,*

(黑龍江大學 a. 生命科學學院; b. 黑龍江省普通高等學校分子生物學重點實驗室；c. 農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心,哈爾濱 150080)

甜菜M14品系是由栽培甜菜和野生白花甜菜雜交后獲得的帶有野生白花甜菜第9號染色體的單體附加系，具有抗逆、無融合等優(yōu)良特性。在前期工作中，對鹽脅迫下葉片膜蛋白進行了定量蛋白質(zhì)組學分析，與未處理對照相比，200、400 mM鹽脅迫下共獲得50個差異蛋白質(zhì)點，選擇其中3個蛋白質(zhì)點為研究對象，與實驗室前期相同鹽處理下獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫相匹配，獲得基因cDNA全長，將此3個基因命名為BvM14-ATPaseF、BvM14-ATPaseH和BvM14-PsaD；進行在線功能預測；設(shè)計引物，對鹽脅迫(0、200、400 mM)處理下此3個基因進行實時熒光定量分析，了解在鹽脅迫下基因轉(zhuǎn)錄與蛋白水平上表達量的關(guān)系。結(jié)果表明，與未處理對照相比，200、400 mM鹽濃度處理下BvM14-ATPaseF基因分別上調(diào)3.70與4.47倍，BvM14-ATPaseH基因在鹽脅迫處理下分別上調(diào)0.85與1.36倍，而BvM14-PsaD基因隨著鹽濃度的增加卻下調(diào)0.97與2.54倍，表明在鹽脅迫下不同基因具有的功能不同，而導致轉(zhuǎn)錄水平與蛋白水平的表達量并不完全相同。

甜菜M14品系；鹽脅迫；膜蛋白基因；熒光定量PCR

0 引 言

甜菜M14品系是郭德棟教授[1]利用栽培甜菜(B.vulgarisL.)與野生白花甜菜(BetacorollifloraZoss.)進行種間雜交及回交獲得的附加有野生白花甜菜第9號染色體的單體附加系。具有耐旱、耐鹽、耐寒和無融合生殖等優(yōu)良特性[2-3]，是挖掘甜菜優(yōu)質(zhì)基因和蛋白質(zhì)資源的優(yōu)質(zhì)材料。

實驗室前期，楊樂[4]等對甜菜M14品系鹽脅迫下蛋白質(zhì)組進行了深入研究。潘鈺[5]等利用iTRAQ技術(shù)對0、200、400 mM 鹽處理下甜菜M14品系葉片膜蛋白進行了定量蛋白質(zhì)組學分析，共得到50個差異表達蛋白質(zhì)，對差異蛋白質(zhì)進一步鑒定，發(fā)現(xiàn)與運輸、光合作用、代謝、蛋白折疊和降解、蛋白合成、轉(zhuǎn)錄、脅迫和防御等相關(guān)。由于膜蛋白是生物膜的主要體現(xiàn)者，鹽脅迫下膜蛋白的損傷會引起植物一系列的生理變化[6-7]，進行膜蛋白的研究是對前期蛋白質(zhì)組學的進一步補充。

本研究選擇3個與膜蛋白功能密切相關(guān)的蛋白質(zhì)點進行分析，并與實驗室前期相同鹽處理下獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫相匹配，獲得基因cDNA全長；將3個基因分別命名為BvM14-ATPaseF、BvM14-ATPaseH和BvM14-PsaD；進行在線功能預測；設(shè)計引物，對鹽脅迫(0、200、400 mM)處理下基因進行實時熒光定量分析，探討3個基因在轉(zhuǎn)錄水平與蛋白水平表達量的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 植物材料

甜菜M14品系(公開號：CN1263695A)，植物材料種植于黑龍江大學分子生物學實驗室的試驗田。

1.2 主要試劑

SYBR PremixEXTaqTMII(Perfect Real Time)試劑盒與RNA PCR Kit (AMV) Ver 3.0 試劑盒均購自TAKARA公司； PCR檢測引物由上海生物工程有限公司合成。

1.3 基因功能預測

根據(jù)實驗室前期獲得的3個蛋白質(zhì)點與相同鹽處理下獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫相匹配，獲得基因cDNA全長，并利用NCBI與UniProt網(wǎng)站在線進行基因功能預測。

1.4 基因設(shè)計引物

利用AlleleID 6.0軟件根據(jù)實驗室前期相同鹽處理下獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫的基因cDNA序列設(shè)計熒光定量特異引物(s：正向引物；as：反向引物)：

Ug16039s：5′-GAATCGTATCTGTGGCTA-CTG-3′

Ug16039as：5′-CGGACTTATTGCTATTG-ATGC-3′

Ug16567s：5′-GTGCTGGTGCTGCTTGTC-3′

Ug16567as：5′-GCTCCGTCTTCCCTCTCC-3′

Cl2797s：5′-AATATAAGAGCCTGACTGA-TTGTG-3′

Cl2797as：5′-CTGAAGCAAGAGCGGTTA-TTAC-3′

根據(jù)吳川等[8]設(shè)計甜菜M14品系18S rRNA管家基因熒光定量特異引物：

18S-s：5′-TGACGGAGAATTAGGGTTCG-3′

18S-as：5′-CCCCAATGGATCCTCGTTA-3′

1.5 鹽脅迫下甜菜M14品系葉片總RNA的提取與濃度、純度測定

采用TRIzol一步法分別提取0、200、400 mM 鹽處理下甜菜M14品系葉片總RNA[9]。利用DNA計算器測定RNA樣品在260 nm和280 nm下的吸收值，測定RNA溶液濃度和純度。利用1%瓊脂糖凝膠檢測28S、18S條帶的清晰度和相對含量，對總RNA的完整性進行評估。

1.6 RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA

根據(jù)TaKaRa公司RNA PCR Kit試劑盒，分別合成0、200、400 mM 鹽處理下甜菜M14品系葉片cDNA 產(chǎn)物。按下列條件進行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)：30 ℃，10 min；42 ℃，30 min；99 ℃，5 min；5 ℃，5 min；1 cycle。

1.7 實時熒光定量PCR反應(yīng)

熒光定量PCR采用TaKaRa公司SYBR PremixEXTaqTMII(Perfect Real Time)試劑盒進行試驗，在Bio-Rad公司的MyiQTM2熒光定量PCR儀反應(yīng)，以甜菜M14品系的18S rRNA管家基因作為內(nèi)參，PCR反應(yīng)體系(35.0 μL)包括：SYBR PremixEXTaqTMII(2×)17.5 μL，cDNA模板3.5 μL，正向、反向引物各1.4 μL，ddH2O補至35.0 μL。反應(yīng)分為兩部分：第一部分擴增反應(yīng)，95 ℃ 10 min；95 ℃ 15 s；59 ℃ 1 min；72 ℃ 30 s循環(huán)40次；第二部分建立溶解曲線，當擴增反應(yīng)結(jié)束后將溫度升至95 ℃ 15 s；59 ℃ 1 min；再升至95 ℃反應(yīng)全部結(jié)束。

1.8 數(shù)據(jù)分析

本研究采用比較Ct值法，即-ΔΔCT值法，對鹽脅迫下甜菜M14品系的3個基因進行相對定量分析。計算公式為ΔΔCt=(Ct.差異基因-Ct.18s)Timex-(Ct.差異基因-Ct.18s)Time0。本研究中建立的反應(yīng)體系，每個反應(yīng)均設(shè)有3次技術(shù)重復和3次生物學重復。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜M14品系基因生物信息學分析

實驗室前期利用iTRAQ技術(shù)對0、200、400 mM 鹽處理下甜菜M14品系葉片膜蛋白進行了定量蛋白質(zhì)組學分析，3個蛋白質(zhì)點的信息見表1。通過3個蛋白質(zhì)點的Accession號與相同鹽處理下獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫進行匹配，結(jié)果見表2。查詢匹配獲得基因cDNA全長，利用NCBI功能預測，將蛋白質(zhì)點ATP synthase CF1 alpha subunit命名為BvM14-ATPaseF(gi|126022791, Ug16039_R)基因，其完整的ORF為1 524 bp，共編碼507個氨基酸，利用UniProt網(wǎng)站預測該基因編碼的蛋白定位于葉綠體類囊體膜上，主要是一類CF1型ATP合成酶，是生物體中能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，主要參與氧化磷酸化和光合磷酸化過程，具有ATP合成或水解的活性[10-13]；同時，通過NCBI功能預測將蛋白質(zhì)點Chloroplastic photosystem I reaction center subunit II命名為BvM14-PsaD(gi|19855891, Ug16567_R)，其完整ORF為861 bp，編碼286個氨基酸，利用UniProt網(wǎng)站預測該基因編碼的蛋白也定位于葉綠體類囊體膜上，主要是一類膜外周蛋白，為PSI反應(yīng)中心亞基II類酶，其功能是在光合電子傳遞鏈中催化電子從質(zhì)體色素經(jīng)過一系列的電子傳遞到鐵硫蛋白的過程，并穩(wěn)固光系統(tǒng)I(PSI)光合膜上的色素蛋白復合物[14-15]。將蛋白質(zhì)點ATPase 11命名為BvM14-ATPaseH(gi|12230459, Cl2797)，基因完整ORF為2 259 bp，共編碼752個氨基酸，利用UniProt網(wǎng)站預測該蛋白定位細胞膜上，該酶是高度保守的多亞基內(nèi)膜質(zhì)子泵，以質(zhì)子驅(qū)動力的形式推動各種離子和小分子進行跨膜運輸[16]，由此產(chǎn)生細胞外部磷酸化和內(nèi)部的堿化來調(diào)節(jié)增長反應(yīng)[17]，結(jié)果見圖1。

表1 鹽脅迫下甜菜M14品系iTRAQ質(zhì)譜鑒定的蛋白質(zhì)序列信息

表2 鹽脅迫下甜菜M14品系轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫基因信息

圖1 BvM14-ATPaseF、BvM14-PsaD、BvM14-ATPaseH氨基酸序列保守結(jié)構(gòu)域分析Fig.1 Analysis of amino acid conservative regions of three genes

2.2 甜菜M14品系葉片總RNA的提取鑒定

鹽處理(0、200、400 mM)下甜菜M14品系葉片總RNA濃度分別為1.055 μg/μL、2.421 μg/μL、1.516 μg/μL，A260/A280比值分別為1.896、1.904、1.890，結(jié)果表明提取的甜菜M14品系葉片總RNA純度較高。用1%瓊脂糖凝膠分離總RNA，結(jié)果見圖2，28S rRNA條帶亮度約為18S rRNA條帶的2倍，說明所提取的總RNA完整性較好。

圖2 鹽脅迫下甜菜M14品系葉片總RNA檢測結(jié)果Fig.2 Total RNA of leaves in M14 under salt stress

2.3 熒光定量PCR引物特異性檢測

熒光染料可以與所有的DNA雙鏈結(jié)合(包括引物二聚體)產(chǎn)生熒光，影響定量的準確程度。由此，通過熒光定量PCR產(chǎn)物的溶解曲線分析，可以判斷引物是否具有特異性。內(nèi)參基因18S rRNA與BvM14-ATPaseF、BvM14-PsaD和BvM14-ATPaseH基因在甜菜M14品系不同濃度鹽脅迫下葉片實時熒光定量PCR產(chǎn)物的溶解曲線見圖3。

圖3 基因熒光定量PCR溶解曲線Fig.3 Real time fluorescent quantization PCR melting curve of genes

由圖3對內(nèi)參基因18S rRNA和甜菜M14品系BvM14-ATPaseF、BvM14-PsaD和BvM14-ATPaseH基因熒光定量PCR產(chǎn)物的溶解曲線可見，隨溫度升高，其熒光染料會與DNA雙鏈分離，未出現(xiàn)雜峰而且峰型單一，可表明試驗中未有其它污染發(fā)生，無假陽性存在，可用于差異基因的擴增檢測。

2.4 基因的表達定量分析

對甜菜M14品系葉片BvM14-ATPaseF、BvM14-PsaD和BvM14-ATPaseH基因進行相對定量分析，該研究采用Ct值法，即-ΔΔCT值法，以未鹽脅迫處理的Ct值為對照計算得出數(shù)值，結(jié)果見圖4。

圖4 甜菜M14品系中BvM14-ATPaseF、BvM14-PsaD、BvM14-ATPaseH基因的組織特異性表達Fig.4 Detection the expression level of BvM14-ATPaseF、BvM14-PsaD、BvM14-ATPaseH genes in M14 line

根據(jù)實時熒光定量PCR結(jié)果顯示，與未處理對照組相比，200、400 mM鹽脅迫下BvM14-ATPaseF基因分別上調(diào)3.70與4.47倍，BvM14-ATPaseH基因分別上調(diào)0.85與1.36倍，BvM14-PsaD基因分別下調(diào)0.97與2.54倍。在400 mM鹽濃度處理下BvM14-ATPaseF蛋白上調(diào)0.54倍，BvM14-ATPaseH蛋白上調(diào)1.39倍，二者轉(zhuǎn)錄水平與蛋白水平表達含量相一致；在200 mM鹽脅迫處理下，BvM14-PsaD蛋白上調(diào)5.15倍，其轉(zhuǎn)錄水平與蛋白質(zhì)水平含量不同，表明在鹽脅迫下不同基因具有的功能不同，而導致轉(zhuǎn)錄水平與蛋白水平的表達量并不完全相同。

3 結(jié) 論

數(shù)據(jù)顯示，在鹽處理下轉(zhuǎn)錄水平與蛋白水平的表達含量并不完全一致，轉(zhuǎn)錄水平鹽脅迫下BvM14-PsaD基因下調(diào)表達，但在200 mM鹽脅迫下，該蛋白卻上調(diào)5.15倍，可能是因為鹽脅迫會導致植物氣孔不均勻的關(guān)閉，進而可能影響色素與光的結(jié)合能力減弱，從而影響其PsaD蛋白參與光合作用[18]。BvM14-PsaD基因下調(diào)表達可能由于光合作用的降低導致含量降低。本研究中，鹽脅迫處理下BvM14-ATPaseF與BvM14-ATPaseH基因在甜菜M14品系葉片中顯著表達，且轉(zhuǎn)錄水平與蛋白水平含量一致。雖然目前關(guān)于植物在鹽脅迫對呼吸作用的影響報道并不一致，但在逆境條件下，植物可能需要提供額外的能量來維持自身的生長發(fā)育。鹽脅迫后，ATPase酶參與呼吸作用的加強用來滿足離子運輸以及局部鹽分的變化[19-20]。由此可見ATP合成酶對維持細胞內(nèi)滲透平衡有重要作用。

甜菜M14品系BvM14-ATPaseF、BvM14-PsaD和BvM14-ATPaseH基因與抵御鹽脅迫是否存在直接關(guān)系，還需要進一步進行基因功能驗證。這一結(jié)果也對探討甜菜M14品系與鹽脅迫的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

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Specific expression analysis of BvM14-ATPaseF、BvM14-ATPaseH and BvM14-PsaD under salt stress of sugar beet M14 lines

ZHANG Yong-Xuea,b,c，QI Shi-Shia,b,c，PAN Yua,b,c，MA Chun-Quana,b,c，YU Binga,b,c,CHEN Si-Xuea,b,c，LI Hai-Yinga,b,c,*

(Heilongjiang University a. College of Life Sciences; b.Key Laboratory of Molecular Biology, College of Heilongjiang Province; c. Engineering Research Center of Agricultural Microbiology Technology,Ministry of Education, Harbin 150500, China)

Sugar beet M14 line is a unique germplasm that contains genetic materials from Beta vulgaris L and Beta corolliflora Zoss and exhibits tolerance to salt stress. In previous work, it was focusing on analyzing proteomic protein quantitative of the leaf membrane. Under salt stress, 50 proteins exhibited differential protein level changes. We regard 3 of 50 as research object to get full length of genes with prediction function online, and design primers by using the transcriptome data. Using Real-time PCR to analysis the expression of the genes which under the treatment of salt stress (0, 200, 400 mM). The result shows that， theBvM14-ATPaseFgene is up-regulated 3.7 and 4.47 respectively compared with control. And the expression ofBvM14-ATPaseHgene is also up-regulated 0.85 and 1.36. However, different results appear inBvM14-PsaDgene, 0.97 down-regulations in 200 mM and 2.54 in 400 mM salt stress processing. The function of gene is not consistent so that the level of transcription is not entirely consistent with the protein level. Therefore, M14 has been used as an abundant genetic resource for isolating valuable genes in wild species.

sugar beet M14; salt stress; membrane genes; real-time PCR

10.13524/j.2095-008x.2015.04.064

2015-07-21

國家自然科學基金資助項目(31471552、31401441)；黑龍江省自然科學基金資助項目(C201202)；黑龍江省高校創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃項目(2014TD004)；黑龍江大學創(chuàng)新團隊計劃項目(hdtd2010-05)；黑龍江省研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2015-030HLJU)

張詠雪(1990-)，女，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，研究方向：植物分子生物學，E-mail:xuezylemon@foxmail.com；*通訊作者：李海英(1968-)，女，黑龍江肇東人，教授，博士，博士研究生導師，研究方向：植物分子生物學，E-mail：lvzh3000@sina.com。

O436

A

2095-008X(2015)04-0049-06