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    超表達OsPIN1a與野生型水稻旗葉水通道蛋白基因家族表達比較

    2016-05-30 16:18:47李培綱張付康楊國潘偉槐金晨鐘莫億偉
    熱帶作物學(xué)報 2016年8期
    關(guān)鍵詞:水分脅迫旗葉開花期

    李培綱 張付康 楊國 潘偉槐 金晨鐘 莫億偉

    摘 要 為了探討超表達OsPIN1a對水稻旗葉水通道蛋白基因家族表達影響,以轉(zhuǎn)基因株系3和7-5及野生型水稻盛花期旗葉為材料,通過半定量PCR檢測各基因表達水平,結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)轉(zhuǎn)基因和野生型都呈現(xiàn)OsTIPs家族表達量最大,OsPIPs家族次之,再次是OsNIPs和OsSIPs家族。(2)轉(zhuǎn)基因和野生型都呈現(xiàn)OsPIP1-1、OsPIP2-7和OsPIP2-6的表達最高,OsPIP2-4,OsPIP2-2表達較低,而OsPIP1-2、OsPIP1-3、OsPIP2-1、OsPIP2-3和OsPIP2-8在旗葉內(nèi)均不表達;轉(zhuǎn)基因的OsPIP1-1,OsPIP2-4、OsPIP2-6和OsPIP2-7表達明顯高于野生型。(3)轉(zhuǎn)基因和野生型都呈現(xiàn)OsTIP1-1、OsTIP1-2、OsTIP2-2、OsTIP3-1、OsTIP4-2與OsTIP4-3表達較高,而OsTIP3-2、OsTIP5-1的表達相對較低;轉(zhuǎn)基因株系3的OsTIP3-2和OsTIP5-1表達均高于野生型,但OsTIP3-1、OsTIP4-1和OsTIP4-3明顯低于野生型;轉(zhuǎn)基因7-5株系中,除OsTIP4-3基因表達低于野生型外,其余基因的表達量均高于野生型。(4)OsNIP1-1、OsNIP2-1與OsNIP2-2在轉(zhuǎn)基因和野生型均能表達,但OsNIP1-2、OsNIP1-4、OsNIP3-2、OsNIP3-3和OsNIP4-1均不表達,但野生型的OsNIP2-1與OsNIP2-2表達量均高于轉(zhuǎn)基因。(5)轉(zhuǎn)基因和野生型的OsSIP1-1均不表達,但野生型OsSIP1-2與OsSIP2-1表達量均高于轉(zhuǎn)基因。試驗結(jié)果表明,盛花期當(dāng)天旗葉中OsTIPs基因家族表達量最大,超表達OsPIN1a影響了多個水通道蛋白基因表達。

    關(guān)鍵詞 水稻;旗葉;水通道蛋白;水分脅迫; 開花期

    中圖分類號 S511 文獻標(biāo)識碼 A

    Abstract To clarified the effect of over-expression OsPIN1a on aquaporin genesexpression in rice, the flag leaves of two OsPIN1a transgenic lines(3, 7-5)and a wild-type line at flowering stage were used as material. Semi-quantitative RT-PCR was applied to detect the aquaporin genesexpression level. The results showed that: (1) The expression level of OsTIPs was highest in both transgenic lines and wild-type, followed by OsPIPs, and then is OsNIPs and OsSIPs. (2) OsPIP1-1、OsPIP2-7 and OsPIP2-6 showed the higher expression than OsPIP2-4,OsPIP2-2,while OsPIP1-2、OsPIP1-3、OsPIP2-1、OsPIP2-3 and OsPIP2-8 could not be detected in the flag leaves of two transgenic lines and wild-type. And the expression of OsPIP1-1, OsPIP2-4, OsPIP2-6 and OsPIP2-7 in transgenic lines were significantly higher than in wild-type. (3) All the strains had a high expression of OsTIP1-1、OsTIP1-2、OsTIP2-2、OsTIP3-1、OsTIP4-2 and OsTIP4-3 and a low expression of OsTIP3-2、OsTIP5-1. Comparing to the wild-type, the transgenic lines 3 had a higher expression in OsTIP3-2, OsTIP5-1 and a lower expression in OsTIP3-1, OsTIP4-1 and OsTIP4-3. Except for OsTIP4-3, all the genes in transgenic lines7-5 had higher expression than in wild-type. (4)OsNIP1-1, OsNIP2-1 and OsNIP2-2 could be detected, while OsNIP1-2, OsNIP1-4, OsNIP3-2, OsNIP3-3 and OsNIP4-1 could not be detected in all the strains. The expression of OsNIP2-1 and OsNIP2-2 was higher in the wild-type than in transgenic lines. (5)OsSIP1-1 showed no expression in both transgenic lines and wild-type strain. The expression of OsSIP1-2 and OsSIP2-1 was higher in wild-type than in transgenic line. In conclusion, OsTIPs had the highest expression in rice flag leaves on the day of the flowering stage, and over-expression of OsPIN1a could affect the expression of some aquaporin genes.

    Key words Rice;Flag leaf;Aquaporin;Water stress;Flowering stage

    doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.08.012

    水稻開花期對水分脅迫最為敏感,若此時發(fā)生水分脅迫對籽粒受精及充實均有很大影響,所以維持花期水分供應(yīng)顯得極為重要。植物體內(nèi)水分運輸主要通過不同類型的水通道蛋白完成,水稻水通道蛋白主要由質(zhì)膜嵌入蛋白(plasma membrane intrinsicprotein,PIP)、液胞膜嵌入蛋白(tonoplast intrinsicprotein,TIP)、類Nod26膜嵌入蛋白(nudolin 26-like intrinsic protein,NIP)和膜嵌入小分子堿性蛋白(small basic intrinsic protein,SIP)33個基因組成的家族[1],正是由于水通道蛋白家族存在,可以使水分子快速地通過跨膜運輸,阻擋其他的小分子和離子的運輸[2]。旗葉作為水稻最重要功能葉,其生理活性直接影響到籽粒的充實過程[3-4]。有研究發(fā)現(xiàn),氮高效品種揚稻6號的旗葉與氮低效品種農(nóng)墾57及日本晴相比,揚稻6號的旗葉不易衰老, 更利于籽粒灌漿和充實[5]。也有研究認為,水分供應(yīng)水平對旗葉光合速率的影響程度要大于氮肥的影響[6],說明水分供應(yīng)對旗葉生理功能的維持是至關(guān)重要,若水稻開花期水分虧缺,則會顯著降低稻米產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。項目組前期研究表明,水稻盛花期當(dāng)天稻穗相對含水量最低,若在高溫脅迫下,稻穗的相對含水量下降則更為明顯,超表達生長素(IAA)極性運輸輸出載體OsPIN1a的轉(zhuǎn)基因水稻耐高溫能力明顯優(yōu)于野生型,可能是OsPIN1a超表達后加強了IAA的極性運輸能力,提高對高溫脅迫的抗性所致[8]。近年來,IAA參與植物對逆境脅迫的響應(yīng)已受廣泛的關(guān)注,有研究認為IAA合成及其應(yīng)答關(guān)鍵基因受環(huán)境脅迫的調(diào)控,但在分子水平上深入研究逆境脅迫與生長素的調(diào)控響應(yīng)機制還有待深入[9];還有研究發(fā)現(xiàn),局部IAA合成在抵抗高溫和干旱等逆境脅迫中均有重要的作用[10]。項目組前期研究還發(fā)現(xiàn),在氣培缺水時,IAA能誘導(dǎo)水稻根毛著生密度和生長速率,增強根系在空氣中對水分吸收能力,并能誘導(dǎo)部分水通道蛋白基因表達[11],因此IAA在植物響應(yīng)逆境調(diào)節(jié)過程中可能起到積極作用,而旗葉是水稻生長后期最重要功能葉,葉片內(nèi)水分含量對其生理功能的維持有著重要意義,但旗葉水分供給與水通道蛋白基因家族基因表達是否受IAA極性運輸?shù)挠绊憛s鮮有報道,筆者通過探討超表達OsPIN1a轉(zhuǎn)基因和野生型水稻花期旗葉水通道蛋白基因家族的表達差異,為水稻花期水分供應(yīng)提供新的理論基礎(chǔ)。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    供試水稻(Oryza sativa L.)品種為粳稻中花11、轉(zhuǎn)OsPIN1a水稻株系正常表達株系3和極高表達的株系7-5[12]。

    1.2 方法

    于2015年4月中旬在紹興文理學(xué)院生物基地采用盆栽種植,盆缽(直徑45 cm、高25 cm)內(nèi)裝過篩并充分拌勻的砂壤土10 kg,按常規(guī)水肥方式管理。在2015年7月底在水稻盛花期當(dāng)天,取轉(zhuǎn)基因和野生型水稻的旗葉,用RNA plant Regeant(TIANGEN,北京)植物總RNA提取試劑盒提取總RNA后,再合成cDNA,其中cDNA第一鏈合成使用Reverse Transcriptase M-MLV(RNAase H)反轉(zhuǎn)錄酶(TIANGEN,北京),參照試劑盒說明書進行。采用半定量RT-PCR方法檢測轉(zhuǎn)基因與野生型水稻水通道蛋白基因家族表達,根據(jù)前人研究結(jié)果[1],使用表1的RT-PCR引物,以反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA為模板進行PCR擴增,反應(yīng)體系(25 μL)(TIANGEN,北京):2×MasterMix12.5 μL、Primer F(10 μM)1.0 μL、Primer R(10 μmol/L)1.0 μL、cDNA第一鏈0.7~1.1 μL(根據(jù)β-actin擴增的電泳結(jié)果進行調(diào)整)、加dd H2O補足到25 μL,PCR儀為美國Bio-Rad公司(型號:BS97MyCycler)。

    PCR反應(yīng)條件是:94 ℃變性5 min;94 ℃變性30 s,59.5 ℃退火45 s,72 ℃延伸45 s,32個循環(huán);72 ℃下保溫5 min;內(nèi)參基因β-actin上游引物5′-CAGCACATTCCAGCAGATGT-3′,β-actin下游引物5′-TAGGCCGGTTGAAAACTTTG-3′,內(nèi)參基因β-actin的PCR反應(yīng)條件是: 94 ℃變性5 min;94 ℃變性30 s,56.5 ℃退火45 s,72 ℃延伸45 s,30個循環(huán);72 ℃下保溫10 min,PCR 擴增產(chǎn)物以1.2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,并對電泳結(jié)果比較。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 轉(zhuǎn)基因與野生型水稻旗葉OsPIPs基因家族表達的比較

    由圖1可知,質(zhì)膜水通道蛋白OsPIPs基因家族中,轉(zhuǎn)基因和野生型均呈現(xiàn)出OsPIP1-1和OsPIP2-7表達量最大,然后是OsPIP2-6,而OsPIP2-4和OsPIP2-2表達則相對較低。但OsPIP1-2、OsPIP1-3、OsPIP2-1、OsPIP2-3和OsPIP2-8在轉(zhuǎn)基因及野生型中均不表達,可能這些基因在旗葉水分運輸中作用不大。此外,轉(zhuǎn)基因株系7-5的OsPIP1-1、OsPIP2-4和OsPIP2-7的表達量明顯高于野生型,轉(zhuǎn)基因株系3的OsPIP2-4,OsPIP2-6則明顯高于野生型。說明超表達OsPIN1a后,提高旗葉部分OsPIP基因的表達,但在不同轉(zhuǎn)基因株系間存在一定的差異,可能與OsPIN1a在不同株系間表達量不同有關(guān)。

    2.2 轉(zhuǎn)基因與野生型水稻旗葉水通道蛋白OsTIPs基因家族表達的比較

    由圖2可知,液泡膜水通道蛋白OsTIPs基因家族中,除OsTIP2-1基因不表達外,其余基因均能表達,轉(zhuǎn)基因和野生型均呈現(xiàn)出OsTIP1-1、OsTIP1-2、OsTIP2-2、OsTIP3-1、OsTIP4-2與OsTIP4-3表達水平較高,而OsTIP3-2與OsTIP5-1的表達水平則相對較低。轉(zhuǎn)基因株系3中OsTIP3-2和OsTIP5-1的表達水平明顯高于野生型,但OsTIP3-1、OsTIP4-1和OsTIP4-3則明顯低于野生型;在轉(zhuǎn)基因7-5株系中,除了OsTIP4-3基因表達低于野生型外,其余基因的表達量均高于野生型。說明超表達OsPIN1a后影響部分OsTIPs的表達。

    2.3 轉(zhuǎn)基因與野生型水稻旗葉水通道蛋白OsNIPs基因家族表達的比較

    由圖3可知,OsNIPs基因家族中,OsNIP1-1、OsNIP2-1與OsNIP2-2在轉(zhuǎn)基因和野生型中均能表達,而OsNIP3-1只在野生型株系和轉(zhuǎn)基因株系3中表達,在7-5株系中則不表達。無論是轉(zhuǎn)基因還是野生型水稻旗葉中的OsNIP1-2、OsNIP1-4、OsNIP3-2、OsNIP3-3和OsNIP4-1均不表達,說明這些基因在旗葉內(nèi)可能對水分運輸?shù)淖饔貌淮?。在野生型的OsNIP2-1與OsNIP2-2表達水平明顯高于2個轉(zhuǎn)基因株系,而OsNIP1-1與OsNIP3-1則明顯低于轉(zhuǎn)基因株系。其中在7-5株系中,整個OsNIPs基因家族的表達水平都低于野生型。

    2.4 轉(zhuǎn)基因與野生型水稻旗葉水通道蛋白OsSIPs基因家族表達的比較

    由圖4可知,在OsSIPs基因家族中,OsSIP1-1在轉(zhuǎn)基因和野生型中均不表達。其中OsSIP1-2的表達水平很低,而野生型的OsSIP2-1的表達水平明顯高于2個轉(zhuǎn)基因株系,說明超表達OsPIN1a后降低OsSIPs的表達。

    3 討論與結(jié)論

    3.1 不同水通道蛋白基因家族在旗葉內(nèi)的表達模式不同

    植物液泡在調(diào)節(jié)細胞膨壓、滲透作用、儲存物質(zhì)等方面都有重要作用[13]。如液泡中的TIPs與PIPs都可以調(diào)控水分跨膜運輸[14]。本研究結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因和野生型水稻,盛花期的旗葉內(nèi)4類水通道蛋白基因家族之間表達有明顯的差異性,表達量最大是OsTIPs基因家族,說明旗葉液泡膜水通道蛋白在旗葉的水分轉(zhuǎn)運中可能起著最重要的作用。因為有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),水稻的OsTIP1-1在油菜中超表達后,能顯著提高轉(zhuǎn)基因油菜根系水分運輸效率,增強其耐旱能力[15]。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn),除OsTIP1-1高表達以外,其他8個OsTIPs的表達量也很高;其次是質(zhì)膜水通道蛋白OsPIPs基因家族,有研究結(jié)果表明質(zhì)膜有OsPIPs是細胞水分運輸?shù)年P(guān)鍵蛋白,參與多種重要物質(zhì)的運輸與交換,在植物發(fā)育的各個階段均發(fā)揮重要作用[16];而且OsPIP2-6還受ABA處理及淹水、鹽脅、干旱等逆境脅迫后表達量明顯提高,可能更利于水分的快速運輸,減輕逆境脅迫導(dǎo)致的水分脅迫[17]。OsNIPs和OsSIPs基因家族表達水平比較低,說明2種基因家族在旗葉水分轉(zhuǎn)運過程的作用可能較小,本研究結(jié)果與前人發(fā)現(xiàn)不同的水通道蛋白基因在不同組織表達存在的差異性一致[18-19]。因此,在水稻盛花期的旗葉內(nèi),不同類型水通道蛋白的差異表達可能與對水分運輸?shù)墓δ芊止び嘘P(guān),具體原因還需深入研究。

    3.2 超表達OsPIN1a影響旗葉部分水通道蛋白基因表達

    本研究結(jié)果表明,超表達OsPIN1a后旗葉中OsPIP2-4、OsPIP2-6、OsTIP1-2、OsTIP3-2、OsTIP5-1、OsNIP1-1和OsNIP3-1的表達量明顯高于野生型,這些基因表達上調(diào)可能更有利于水分運輸,因為前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在擬南芥內(nèi)超表達PgTIP1后,改變了水分透過液泡膜的速率達到提高耐旱、耐鹽和耐低溫脅迫能力[20]。項目組的前期研究結(jié)果也表明,在高溫脅迫下轉(zhuǎn)OsPIN1a水稻稻穗的相對含水量高于野生型,可能是超表達后OsPIN1a對加強了水分的運輸能力所致[8]。如當(dāng)IAA合成增加后,不但能促進根系和根毛的數(shù)量增多,還能顯著提高水分吸收和耐旱性[21-22],如適度干旱則啟動水稻根尖ABA的快速積累,再促進IAA合成和運輸效率,不但增強根尖細胞的可塑性,還能保證逆境下根系獲得更多水分[23]。所以轉(zhuǎn)OsPIN1a基因水稻在增加IAA運輸效率后,可能通過一定的方式調(diào)控不同的水通道蛋白基因表達,增強水分運輸能力,相應(yīng)地提高抗逆能力[24],如超表達OsTIP1-1的轉(zhuǎn)基因油菜,耐旱能力明顯高于野生型[15]。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn),超表達OsPIN1a轉(zhuǎn)基因水稻的OsTIP3-1、OsTIP4-1和OsTIP4-3、OsNIP2-1、OsNIP2-2、OsSIP1-2和 OsSIP2-1基因表達都低于野生型,可能是不同的水通道蛋白基因的功能差異所致,也許降低這些基因表達后,能抑制旗葉細胞內(nèi)水分外排,達到提高旗葉的水分含量。如在淹水條件下OsPIP2-6還能起到將過多水分外排的作用,以維持植株水分的平衡[17]。因此,水通道蛋白一方面能促進水分進入細胞,以利于水分在細胞間的運輸[25],如在干旱脅迫初期,通過提高PIP1表達量,增加對水分吸收能力,但隨著加劇,PIP1表達量明顯下降,達到減少細胞水分外排作用,因此水通道蛋白功能的雙重性在提高植物抗逆性方面有著積極作用[26-28],超表達OsPIN1a后,IAA具體通過何種途徑影響旗葉內(nèi)不同的水通道蛋白基因差異表達還需深入研究。

    本研究表明水稻盛花期當(dāng)天,轉(zhuǎn)基因和野生型水稻旗葉的OsTIPs基因家族表達最高,然后是OsPIPs和OsNIPs基因家族,最低是OsSIPs基因家族,說明液泡膜水通道蛋白在旗葉水分供應(yīng)能起著最重要作用;超表達OsPIN1a的轉(zhuǎn)基因水稻提高IAA極性運輸速率后,促進多個水通道蛋白基因表達;但相同類型水通道蛋白基因間的差異表達,可能與其分工不同有關(guān)。

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