姜上川,梅 超,王小芳,張大鵬
(清華大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,北京 100084)
擬南芥SOAR1基因響應(yīng)ABA與滲透脅迫的表達(dá)分析
姜上川,梅 超,王小芳,張大鵬*
(清華大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,北京 100084)
擬南芥PPR蛋白SOAR1是ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。為闡明SOAR1基因表達(dá)對ABA和滲透脅迫的響應(yīng),以及其對不同時期幼苗生長響應(yīng)ABA的調(diào)控,通過擬南芥基因調(diào)控信息網(wǎng)站(AGRIS)分析了SOAR1基因上游可能的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(順式作用元件),并進(jìn)行了不同時期幼苗受ABA誘導(dǎo)的生長抑制試驗以及ABA處理、滲透脅迫條件下SOAR1基因的表達(dá)分析。結(jié)果表明,SOAR1啟動子序列中存在多個潛在的應(yīng)答ABA和逆境脅迫信號的順式作用元件。SOAR1調(diào)控不同時期幼苗生長對ABA的敏感性,SOAR1表達(dá)調(diào)低的突變體soar1-2顯著促進(jìn)植物對ABA的敏感反應(yīng),而SOAR1過表達(dá)株系OE1則對ABA顯著不敏感?;虮磉_(dá)分析結(jié)果顯示,SOAR1表達(dá)量在低濃度ABA處理6 h后小幅度上調(diào),高濃度ABA處理6 h后變化程度較低;而在低濃度ABA處理后萌發(fā)24 h的種子和生長7 d的幼苗中,SOAR1表達(dá)隨ABA濃度增長而上調(diào)。在甘露醇和PEG-6000誘導(dǎo)的滲透脅迫處理后,SOAR1表達(dá)受到一定抑制。
脫落酸(ABA); SOAR1; 幼苗生長; 滲透脅迫; 基因表達(dá)
作為最重要的植物激素之一,脫落酸(abscisic acid,ABA)參與調(diào)控植物生長發(fā)育各個階段,包括種子休眠、萌發(fā),幼苗生長,側(cè)根生長,氣孔運(yùn)動以及營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)換等過程,并在植物對外界多種逆境脅迫(包括干旱、高鹽、低溫、滲透脅迫等非生物脅迫,以及病蟲害等生物脅迫)的響應(yīng)中起著重要作用[1-3]。由于植物體自身生長發(fā)育的局限性以及全球氣候環(huán)境變化等因素的影響,植物ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路分子機(jī)制的闡明對促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義[4]。在非生物脅迫中由干旱、高鹽、低溫所引起的滲透脅迫是制約植物生長、降低作物產(chǎn)量的重要因素。處于逆境中的植物通過調(diào)節(jié)生理、代謝上的變化以及相關(guān)基因的表達(dá)適應(yīng)多變的環(huán)境。ABA在這種變化中可作為一種逆境信號,調(diào)節(jié)多種相關(guān)基因的表達(dá)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種ABA響應(yīng)調(diào)節(jié)子,包括PP2C與PP2A磷酸酶[5-6]、SNF1相關(guān)蛋白激酶SnRK2s[7-8]、鈣依賴蛋白激酶(CDPK)[9]、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)[10]以及bZIP、MYC/MYB、ABI3/VP1、WRKY等轉(zhuǎn)錄因子家族等[11-14],這些發(fā)現(xiàn)為闡明植物抗?jié)B透脅迫的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
PPR(pentatricopeptide repeats)基因家族是在植物中發(fā)現(xiàn)的最大家族之一,最早在擬南芥基因組序列中發(fā)現(xiàn)[15]。在陸生植物中來自不同種屬的PPR蛋白具有高度同源性。在擬南芥中有450多個PPR蛋白,其他陸生植物基因組序列中可編碼更多的PPR蛋白[16-17]。PPR蛋白在細(xì)胞內(nèi)主要分布在線粒體與葉綠體中,在線粒體和葉綠體基因組RNA代謝過程中起著重要作用[17]。目前在擬南芥中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾個線粒體定位的PPR蛋白參與了ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,包括ABO5[18]、SLO2[19]、SLG1[20]、AHG11[21]、PPR40[22]與PGN[23]等,這幾種PPR蛋白通過調(diào)控線粒體中活性氧(ROS)的變化參與ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。
Jiang等[24]、Mei等[25]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)一種細(xì)胞質(zhì)-核定位的PPR蛋白SOAR1參與ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo),改變SOAR1基因的表達(dá)可以大幅度調(diào)控擬南芥種子萌發(fā)與萌發(fā)后生長對ABA的響應(yīng)。然而SOAR1基因表達(dá)變化如何影響擬南芥對ABA和滲透脅迫的響應(yīng),及幼苗不同生長時期響應(yīng)ABA的調(diào)控仍有待闡明。鑒于此,本研究通過擬南芥基因調(diào)控信息網(wǎng)站(AGRIS)對SOAR1基因啟動子元件進(jìn)行分析,進(jìn)一步檢測SOAR1表達(dá)變化對不同時期幼苗生長響應(yīng)ABA的影響,并分析不同ABA處理以及由甘露醇或PEG-6000誘導(dǎo)的滲透脅迫處理后SOAR1基因表達(dá)的變化特性,為研究SOAR1在ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和植物抗逆反應(yīng)中的作用提供新的信息。
1.1 材料
擬南芥(Arabidopsisthaliana)野生型(Col)種子購自美國俄亥俄州立大學(xué)擬南芥生物資源中心(ABRC);SOAR1(AT5G11310)基因表達(dá)調(diào)低的T-DNA插入突變體soar1-2(FLAG_546D07)種子購自凡爾賽遺傳學(xué)和植物育種實驗室擬南芥資源中心(http://dbsgap.versailles.inra.fr/portail/),其遺傳背景為Col生態(tài)型;SOAR1過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系OE1的構(gòu)建方法見文獻(xiàn)[25]報道;ABA信號傳導(dǎo)正調(diào)節(jié)子bZIP轉(zhuǎn)錄因子ABI5(AT5G36270)功能缺失突變體abi5-1(CS8105:abi5-1)購自ABRC,其與野生型Col回交,作為對ABA不敏感的對照[25-26]。以上所有植物材料均為純合體并經(jīng)過分子鑒定,見文獻(xiàn)[25]報道。
1.2 方法
1.2.1SOAR1基因啟動子元件分析 通過擬南芥基因調(diào)控信息網(wǎng)站(AGRIS,http://arabidopsis.med.ohio-state.edu/)分析SOAR1基因上游可能的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(順式作用元件)。
1.2.2 擬南芥培養(yǎng) 將擬南芥種子消毒后播種于含有固體MS培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中,經(jīng)4 ℃低溫處理3 d后取出,置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10~14 d,光周期為光照16 h/黑暗8 h,溫度20 ℃,光強(qiáng)約為80 μmol/(m2·s)。幼苗移入土中生長后,光周期為光照16 h/黑暗8 h,溫度22~24 ℃,光照強(qiáng)度為120 μmol/(m2·s)。
1.2.3 ABA誘導(dǎo)的幼苗生長抑制試驗 將野生型Col、突變體soar1-2、SOAR1過表達(dá)株系OE1、ABI5突變體abi5-1(對照,對ABA不敏感)種子直接播種在無ABA(0 μmol/L)以及含有0.5、1、3 μmol/L ABA的MS培養(yǎng)基上生長10 d,觀察不同生長階段幼苗對ABA的響應(yīng)。
為排除種子萌發(fā)差異對早期幼苗生長的影響,將在普通MS培養(yǎng)基上正常生長2 d和4 d的上述不同基因型幼苗分別轉(zhuǎn)移至含有3、5、10 μmol/L ABA和50、150、250 μmol/L ABA(由于已經(jīng)萌發(fā)的幼苗對ABA的耐受性相對增加,因此處理時提高ABA濃度)的MS培養(yǎng)基上,生長7 d后觀察表型。
1.2.4 ABA處理后SOAR1基因的表達(dá)分析 ABA噴施處理試驗中,分別用低濃度(0、1、3、5 μmol/L)、高濃度(0、50、100、150 μmol/L)ABA溶液噴施野生型Col生長2周和生長4周的幼苗,于22 ℃光照條件下放置6 h后取樣。
ABA處理種子試驗中,將擬南芥野生型Col種子置于含有不同濃度(0、1、3、5 μmol/L)ABA的濾紙上,低溫處理3 d后在20 ℃培養(yǎng)箱中(光照16 h/黑暗8 h)萌發(fā)生長24 h,取樣。
幼苗移苗生長ABA處理試驗中,將正常生長2 d的野生型Col幼苗轉(zhuǎn)移至含有不同濃度(0、1、4、8 μmol/L)ABA的MS培養(yǎng)基上,在20 ℃培養(yǎng)箱中(光照16 h /黑暗8 h)生長7 d后取樣。
以受到ABA誘導(dǎo)表達(dá)上調(diào)的RD29B基因[27]作為對照,實時熒光定量PCR檢測上述ABA處理后野生型Col種子或幼苗樣品中SOAR1基因的表達(dá)變化。
1.2.5 滲透脅迫條件下SOAR1基因表達(dá)分析 選擇在普通MS培養(yǎng)基中正常生長約2周的擬南芥野生型Col幼苗,22 ℃光照條件下將其置于分別含有300 mmol/L 甘露醇和30% PEG-6000的1/2 MS培養(yǎng)液中浸泡搖晃3、6、9 h后取樣,以不含甘露醇和PEG-6000的1/2 MS培養(yǎng)液處理作為對照。以RD29B基因[27]作為受到滲透脅迫誘導(dǎo)對照,實時熒光定量PCR檢測滲透脅迫處理后野生型Col幼苗中SOAR1基因的表達(dá)變化。
1.2.6 實時熒光定量PCR檢測基因表達(dá) 采用通用植物總RNA提取試劑盒提取不同植物材料RNA,反轉(zhuǎn)錄后采用實時熒光定量PCR分析。所用的引物見表1。反應(yīng)體系(10 μL)中加入SYBR Premix ExTaq(2×)5 μL,正向與反向引物(20 μmol/L)各0.1 μL,cDNA 模板0.2 μL,ddH2O補(bǔ)至10 μL。每個反應(yīng)體系重復(fù)3次,充分混勻,短暫離心后采用CFX96熒光定量PCR儀(Bio-Rad,美國)
進(jìn)行擴(kuò)增。實時熒光定量PCR反應(yīng)程序:95 ℃ 30 s;94 ℃ 5 s、60 ℃ 20 s讀取熒光值并重復(fù)40個循環(huán);95 ℃ 10 s,65 ℃升溫至95 ℃,每次上升0.5 ℃,每次5 s讀取熒光值。數(shù)據(jù)分析:Ct值為PCR反應(yīng)熒光信號達(dá)到所設(shè)域值時對應(yīng)的循環(huán)數(shù),ΔCt為目的基因引物Ct(基因)與內(nèi)參引物Ct(Actin)值之差,ΔΔCt為處理組與對照組ΔCt之差,以2-ΔΔCt衡量標(biāo)準(zhǔn)化后基因表達(dá)差異。
表1 實時熒光定量PCR試驗引物
2.1SOAR1基因啟動子元件分析結(jié)果
轉(zhuǎn)錄因子作為植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與逆境反應(yīng)中的重要調(diào)節(jié)子,可以調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)以響應(yīng)ABA信號或逆境脅迫。根據(jù)TAIR數(shù)據(jù)庫(http://www.arabidopsis.org/)預(yù)測結(jié)果,SOAR1基因(AT5G11310)的啟動子區(qū)位于擬南芥5號染色體基因組序列3 605 258至3 606 402區(qū)段,對應(yīng)SOAR1基因起始密碼子上游-1 232 bp至-89 bp區(qū)段。進(jìn)一步分析SOAR1基因上游可能的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(順式作用元件)(表2)可知,SOAR1基因啟動子中含有:5個RAV1-A binding site motif(對應(yīng)ABI3/VP1轉(zhuǎn)錄因子),分別位于SOAR1基因上游-332 bp至-337 bp、-607 bp至-612 bp,以及互補(bǔ)鏈的-100 bp至-105 bp、-972 bp至-977 bp、-1 224 bp至-1 229 bp;2個W-box promoter motif(對應(yīng)WRKY轉(zhuǎn)錄因子),分別位于互補(bǔ)鏈-359 bp至-365 bp、-505 bp至-511 bp;1個MYB4 bin-ding site motif(對應(yīng)MYB轉(zhuǎn)錄因子),位于互補(bǔ)鏈-921 bp至-928 bp。這些啟動子元件可能在響應(yīng)ABA以及非生物脅迫信號中發(fā)揮作用,從而調(diào)控SOAR1基因表達(dá)。
表2 SOAR1基因部分啟動子元件結(jié)合位點及對應(yīng)序列
2.2SOAR1調(diào)控不同時期幼苗生長對ABA的敏感性
與野生型Col相比,突變體soar1-2表現(xiàn)出對ABA顯著敏感;而SOAR1過表達(dá)株系OE1的生長則基本不受ABA抑制(圖1A,D)。在生長2 d的幼苗移栽處理試驗中(圖1B,E),SOAR1過表達(dá)植株OE1在不同濃度ABA處理后基本不受抑制,仍表現(xiàn)出顯著不敏感表型;而soar1-2突變體、野生型Col以及abi5-1突變體均受到ABA抑制,生長基本停滯,表現(xiàn)為子葉不轉(zhuǎn)綠以及根部生長受到嚴(yán)重抑制,所受抑制程度與直接萌發(fā)后生長試驗中3 μmol/L ABA處理后(圖1A)類似。在生長4 d的幼苗移栽處理試驗中(圖1C,F),SOAR1過表達(dá)植株OE1的子葉與根部仍能繼續(xù)發(fā)育出真葉與根系,對ABA不敏感程度顯著高于abi5-1突變體;而突變體soar1-2與野生型Col受到高濃度ABA的顯著抑制,基本無法繼續(xù)生長,且突變體soar1-2受到ABA的抑制程度高于野生型Col。可見,SOAR1在調(diào)控不同時期幼苗生長對ABA的敏感性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
A.種子萌發(fā)后生長對ABA的響應(yīng); B.正常生長2 d幼苗對ABA的響應(yīng); C.正常生長4 d幼苗對ABA的響應(yīng)。D、E、F分別對應(yīng)A、B、C不同濃度ABA處理后的根長,不同字母表示同一濃度ABA處理的不同基因型植株根長差異顯著(P<0.05)圖1 SOAR1調(diào)控不同時期幼苗生長對ABA的敏感性
2.3 ABA處理后SOAR1基因的表達(dá)分析結(jié)果
如圖2A所示,生長2周幼苗中SOAR1表達(dá)受相對低濃度(1、3、5 μmol/L)ABA誘導(dǎo)小幅度上調(diào);生長2周或4周幼苗在高濃度(50、100、150 μmol/L)ABA處理后,僅在100 μmol/L ABA處理時SOAR1表達(dá)量小幅上調(diào),其他濃度處理對SOAR1表達(dá)變化無顯著影響。說明在相對短期(6 h)的ABA處理中,SOAR1表達(dá)受低濃度ABA誘導(dǎo),但整體表達(dá)變化程度較低。
如圖2B所示,低濃度(0、1、3、5 μmol/L)ABA處理后,萌發(fā)生長24 h的野生型Col種子中SOAR1表達(dá)隨ABA濃度增加而顯著升高;正常生長2 d幼苗經(jīng)ABA(0、1、4、8 μmol/L)處理7 d后,SOAR1表達(dá)受到ABA的小幅度誘導(dǎo)。表明在相對長期低濃度ABA處理的種子萌發(fā)與幼苗生長過程中,SOAR1基因受到誘導(dǎo)表達(dá)上調(diào)。
A.不同濃度ABA噴施生長2周和4周幼苗后基因的表達(dá)情況; B.野生型Col的種子及其正常生長2 d的幼苗受到ABA處理后基因的表達(dá)情況。不同字母表示不同濃度ABA處理后同一基因表達(dá)水平差異顯著(P<0.05)圖2 ABA處理后SOAR1基因的表達(dá)分析
2.4 滲透脅迫條件下SOAR1基因的表達(dá)分析結(jié)果
如圖3所示,在甘露醇或PEG-6000處理后,RD29B表達(dá)量隨處理時間增長而大幅上調(diào),且受到PEG-6000誘導(dǎo)的滲透脅迫后上調(diào)幅度最高;而SOAR1表達(dá)量在滲透脅迫處理后與對照相比均有一定程度下降,甘露醇或PEG-6000處理對SOAR1表達(dá)的抑制程度接近。表明,SOAR1能夠響應(yīng)滲透脅迫,在滲透脅迫處理后SOAR1受到一定程度抑制。
不同字母表示同一處理時間不同處理條件下基因表達(dá)差異顯著(P<0.05)圖3 滲透脅迫處理下SOAR1基因的表達(dá)分析
本研究結(jié)果表明:SOAR1基因啟動子序列中存在多個潛在的應(yīng)答ABA和逆境脅迫信號的順式作用元件。SOAR1調(diào)控不同階段幼苗生長對ABA的敏感性,SOAR1表達(dá)調(diào)低顯著促進(jìn)植物對ABA的敏感反應(yīng),而SOAR1過表達(dá)株系則對ABA顯著不敏感?;虮磉_(dá)分析表明,SOAR1表達(dá)量在相對短期低濃度ABA處理后小幅度上調(diào),高濃度ABA處理后變化程度較低;而在相對長期低濃度ABA處理后的種子和幼苗中,SOAR1表達(dá)隨ABA濃度增長而上調(diào);在甘露醇和PEG-6000誘導(dǎo)的滲透脅迫處理后,SOAR1表達(dá)受到一定抑制。
陸生植物在整個生長發(fā)育階段都可能受到外界各種逆境脅迫的影響。干旱、高鹽和低溫所引起的滲透脅迫嚴(yán)重制約植物生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)等。植物激素可能是抗逆基因表達(dá)的啟動因素,其中ABA與非生物脅迫關(guān)系最密切,在植物對外界各種逆境脅迫的抗逆反應(yīng)中起著重要作用[28-29]。非生物逆境脅迫中由干旱、高鹽和低溫等造成的滲透脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo),可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子量的增加和活性的增強(qiáng),并與順式作用元件互相作用,進(jìn)而誘導(dǎo)基因表達(dá)。依賴ABA的逆境脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子包括bZIP家族、ABI3/VP1家族、MYC與MYB家族、WRKY家族等,在調(diào)控植物抗逆反應(yīng)過程中發(fā)揮著重要作用[11-14]。啟動子元件分析顯示,SOAR1基因啟動子序列中存在多個潛在的應(yīng)答ABA或非生物脅迫的順式作用元件,包括RAV1-A binding site motif(對應(yīng)ABI3/VP1轉(zhuǎn)錄因子)、W-box promoter motif(對應(yīng)WRKY轉(zhuǎn)錄因子)以及MYB4 binding site motif(對應(yīng)MYB轉(zhuǎn)錄因子),這些元件可能在響應(yīng)ABA與逆境脅迫信號中發(fā)揮作用,從而調(diào)控SOAR1基因表達(dá)。
在ABA誘導(dǎo)的生長抑制試驗中,為排除種子萌發(fā)差異對早期幼苗生長的影響,將正常生長2 d和4 d后的幼苗移至含有不同濃度ABA的MS培養(yǎng)基上生長,與野生型Col相比,SOAR1表達(dá)下調(diào)的突變體soar1-2表現(xiàn)出對ABA顯著敏感,而SOAR1過表達(dá)株系OE1則表現(xiàn)出對ABA顯著不敏感表型,且不敏感程度高于突變體abi5-2。這些結(jié)果與擬南芥種子直接在ABA培養(yǎng)基上萌發(fā)后的生長狀態(tài)趨勢一致,表明SOAR1能夠調(diào)控不同階段幼苗生長對ABA的響應(yīng)。
基因表達(dá)分析表明,SOAR1表達(dá)在不同處理條件下以及材料的不同生長發(fā)育時期對ABA的響應(yīng)存在差異。SOAR1表達(dá)能夠響應(yīng)ABA信號,并在一定程度上受ABA誘導(dǎo)。同時,SOAR1表達(dá)在滲透脅迫處理不同時間后受到一定抑制,表明其響應(yīng)逆境脅迫信號后自身表達(dá)也發(fā)生變化,從而調(diào)控下游基因表達(dá)。SOAR1響應(yīng)ABA與滲透脅迫的表達(dá)調(diào)控可能是通過相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子與SOAR1啟動子中對應(yīng)的作用元件結(jié)合實現(xiàn)的。此外,在應(yīng)對不同的外源ABA處理以及滲透脅迫處理條件下,SOAR1表達(dá)的變化趨勢有所不同,說明SOAR1調(diào)控ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與抗逆反應(yīng)的機(jī)制可能存在一定差異,同時也暗示著植物在響應(yīng)ABA與逆境信號過程中對SOAR1表達(dá)具有復(fù)雜且精細(xì)的調(diào)控機(jī)制。
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Expression Analysis ofArabidopsisSOAR1 in Response to ABA and Osmotic Stress
JIANG Shangchuan,MEI Chao,WANG Xiaofang,ZHANG Dapeng*
(School of Life Sciences,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
TheArabidopsisPPR(pentatricopeptide repeats) protein SOAR1 is a crucial regulator of ABA signaling.In order to elucidate howSOAR1 expression responds to ABA and osmotic stress,and howSOAR1 regulates seedlings response to ABA during different post-germination growth stages,in this study, we usedArabidopsisGene Regulatory Information Server(AGRIS) to analyze the potential ABA and stress response elements in upstream region ofSOAR1 gene,conducted the ABA-induced post-germination growth arrest assay in different growth stage,and analyzedSOAR1 expression level under ABA or osmotic treatment.The results showed that there were several potential ABA and stress response elements in the promoter region ofSOAR1 gene.SOAR1 regulated the seedlings sensitivity to ABA in different post-germination growth stage,soar1-2 mutant withSOAR1 expression decreased showed promoted sensitivity to ABA,whileSOAR1 overexpression line OE1 was significantly insensitive to ABA.The expresssion analysis showed thatSOAR1 was slightly increased after 6 h treatment of low concentration ABA,but was not changed much after 6 h treatment of high concentration ABA;while in the germinating seeds(24 h) or seedlings(7 d) after treatment of low concentration ABA,SOAR1 was up-regulated with the increase of ABA concentration.Under the osmotic stresses induced by D-mannitol and PEG-6000,the expression level ofSOAR1 was repressed.
abscisic acid (ABA); SOAR1; seedling growth; osmotic stress; gene expression
2015-07-27
國家轉(zhuǎn)基因作物品種培育科技重大專項(2014ZX08009003);國家基礎(chǔ)研究重大專項(2012CB114300-002)
姜上川(1987-),女,河南洛陽人,博士,主要從事植物分子生物學(xué)研究。E-mail:jsc_w@163.com
*通訊作者:張大鵬(1956-),男,陜西大荔人,教授,博士,主要從事脫落酸與植物抗逆分子機(jī)制研究。 E-mail:zhangdp@tsinghua.edu.cn
Q78
A
1004-3268(2016)02-0029-07