GDSL脂肪酶增強(qiáng)棉花對(duì)大麗輪枝菌的抗性

安晶，潘澤，李鴻彬*

（石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子832003）

GDSL脂肪酶增強(qiáng)棉花對(duì)大麗輪枝菌的抗性

安晶，潘澤，李鴻彬*

（石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子832003）

大麗輪枝菌是影響棉花生長發(fā)育的一種通過土傳真菌維管束的病菌，嚴(yán)重影響棉花纖維的產(chǎn)量和品質(zhì)。為研究棉花GDSL脂肪酶（GDSL lipase,GLIP）在植物響應(yīng)大麗輪枝菌中的重要功能，本研究利用大麗輪枝菌懸浮液對(duì)新陸早42號(hào)及其轉(zhuǎn)GhGLIP基因的棉花株系葉片進(jìn)行處理，分析轉(zhuǎn)GhGLIP棉花株系對(duì)大麗輪枝菌的生理生化響應(yīng)。結(jié)果表明，棉花GDSL脂肪酶基因GhGLIP能夠響應(yīng)大麗輪枝菌的刺激，轉(zhuǎn)GhGLIP基因棉花株系可顯著抑制大麗輪枝菌導(dǎo)致的葉片細(xì)胞死亡。與未處理相比，經(jīng)大麗輪枝菌處理后的野生型和轉(zhuǎn)基因棉花株系植株的GDSL脂肪酶活力顯著增加。同時(shí)，轉(zhuǎn)基因棉花株系植株過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶、苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化物酶的表達(dá)顯著提升，說明GhGLIP基因誘導(dǎo)了棉花對(duì)大麗輪枝菌的抗性。本研究為棉花抵抗大麗輪枝菌的分子機(jī)制解析，及進(jìn)一步利用基因工程技術(shù)培育抗病棉花材料提供了有效參考。

GDSL脂肪酶；大麗輪枝菌；棉花抗??；抗氧化系統(tǒng)酶類

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，但是其生長發(fā)育受到多種病害的影響，尤其是大麗輪枝菌引起的棉花黃萎病是較為嚴(yán)重的影響棉花產(chǎn)量的真菌病害。該病害廣泛分布于各個(gè)產(chǎn)棉地區(qū)，且有逐年加重的趨勢[1]。針對(duì)黃萎病的防治，目前未見對(duì)環(huán)境無污染的化學(xué)防治藥劑[2]，因此，運(yùn)用基因工程技術(shù)培育抗病棉花品種是當(dāng)前主要的防治措施之一[3]。

植物GDSL脂肪酶是一個(gè)相對(duì)較大的家族酶類，具有多種功能，在植物生長發(fā)育、器官形態(tài)構(gòu)成、次生代謝以及防御反應(yīng)等生理活動(dòng)中起到十分重要的作用[4]。植物GDSL脂肪酶基因的表達(dá)可以被多種生物因素及非生物因素的誘導(dǎo)，也受到植物激素如水楊酸（salicylic acid）、乙烯（ethylene）、茉莉酸（jasmonic acid）等的調(diào)控[5]。植物抗病性的表現(xiàn)是在一定的環(huán)境條件影響下寄主植物的抗病性基因和病原物的致病基因相互作用的結(jié)果[6]，GDSL脂肪酶能夠通過信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)或者直接破壞真菌孢子在植物體中結(jié)構(gòu)的完整性，限制其正常繁殖[7]。棉花在生長過程中會(huì)遇到各種生物和非生物脅迫，例如大麗輪枝菌會(huì)嚴(yán)重危害棉花的生長發(fā)育。植物在受到病害脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）[5]，從而影響植物的正常生長發(fā)育，細(xì)胞內(nèi)的抗氧化酶可以清除ROS并保持細(xì)胞的氧化還原平衡[8-9]。

棉花GDSL脂肪酶與黃萎病相關(guān)的研究少有報(bào)道。本研究以前期獲得的過量表達(dá)GDSL脂肪酶基因GhGLIP的棉花株系為對(duì)象，利用大麗輪枝菌分別處理野生型和轉(zhuǎn)基因棉花葉片，GDSL脂肪酶顯著增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因棉花植株對(duì)于大麗輪枝菌的抗性，以期為解析棉花大麗輪枝菌的分子機(jī)制及培育抗病品種奠定一定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

陸地棉新陸早-42號(hào)野生型和轉(zhuǎn)基因棉花、大麗輪枝菌為本實(shí)驗(yàn)室保存，大麗輪枝菌處理后的各種野生型和轉(zhuǎn)基因棉花材料氮速凍后，于-80℃冰箱保存。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 RNA的提取和qRT-PCR表達(dá)分析

各棉花材料采用CTAB方法提取棉花總RNA，參照試劑盒的實(shí)驗(yàn)步驟說明，以棉花RNA為模板反轉(zhuǎn)錄成cDNA，用反轉(zhuǎn)錄后的cDNA作為模板進(jìn)行qRT-PCR分析，所使用的引物利用Primer 5.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并送生工生物工程（上海）股份有限公司合成，引物序列見表1。

表1 使用的引物序列Tab.1 Primers used in this study

1.2.2 大麗輪枝菌培養(yǎng)與接種處理

參照張興華等[10]的方法，配制大麗輪枝菌孢子濃度為1×107個(gè)/mL的懸浮液，棉簽沾取菌液后在葉片表面涂抹，用水做對(duì)照處理，每棵植株處理3片葉片，每個(gè)處理設(shè)置9株作為重復(fù)。分別在接種0、1、3、5和 7 d后，摘下處理的葉片，置于 -80 ℃的冰箱，備用，用于酶活測定。

1.2.3 細(xì)胞染色

將經(jīng)過大麗輪枝菌處理后3 d的葉片，置于DAB（1 mg/mL，pH 3.8）中染色 12 h，用脫色液（無水乙醇∶乙酸∶甘油∶水 =8∶1∶1∶1）于 37 ℃條件下脫色36 h，將葉片放置在干凈的載玻片上，將Trypan blue染液均勻滴于葉面上，蓋上蓋玻片，靜置20 min，用光學(xué)顯微鏡觀察并拍照，統(tǒng)計(jì)葉片的壞死面積。細(xì)胞死亡率=細(xì)胞壞死面積/葉片總面積。

1.2.4 酶活力測定

脂肪酶（Lipase）的活力測定使用對(duì)硝基苯酚法[11]測定，并參照程璐等[12]的方法；多酚氧化酶（Polyphenolo-xi das，PPO）活力測定使用鄰苯二酚法；超氧化物岐化酶（Superoxide dismutase，SOD）活力測定使用NBT方法；過氧化物酶（Peroxidase，POD）活力測定使用愈創(chuàng)木酚法；過氧化氫酶（Catalase，CAT）測定使用紫外分光光度碘量方法；苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine ammonialyase,PAL）參照邢會(huì)琴等[13]的方法。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)為獨(dú)立3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)分析用Student t test方法檢測，圖表制作運(yùn)用Orgin 8.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 GhGLIP響應(yīng)大麗輪枝菌處理的表達(dá)分析

由圖1可見：經(jīng)大麗輪枝菌處理1 d時(shí)，轉(zhuǎn)基因棉花植株葉片中GhGLIP基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)和酶活力均顯著增加，在處理5 d時(shí)達(dá)到最大值，隨后保持穩(wěn)定，表明GhGLIP基因?qū)τ诖篼愝喼碳さ捻憫?yīng)迅速。

圖1 轉(zhuǎn)基因棉花中GhGLIP響應(yīng)大麗輪枝菌刺激的表達(dá)分析Fig.1 Analysis of GhGLIP expression in the transgenic cotton plants in response toVerticillium dahilaestimulus

2.2大麗輪枝菌處理棉花葉片的表型分析

利用大麗輪枝菌處理野生型和轉(zhuǎn)基因棉花葉片，野生型棉花在處理2 d時(shí)表面有褐色斑點(diǎn)出現(xiàn)，處理3 d時(shí)出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，并且出現(xiàn)較多的壞死斑點(diǎn)。轉(zhuǎn)基因棉花植株僅出現(xiàn)少量褐色斑點(diǎn)，無嚴(yán)重的萎蔫現(xiàn)象。DAB-臺(tái)盼藍(lán)染色定量分析細(xì)胞壞死的結(jié)果（圖2）顯示：野生型棉花葉片有大面積的死亡，死亡面積達(dá)55%以上，轉(zhuǎn)基因棉花植株葉片細(xì)胞死亡率為20%左右，表明GDSL脂肪酶顯著增強(qiáng)了棉花植株對(duì)大麗輪枝菌的抗性。

圖2 大麗輪枝菌處理轉(zhuǎn)基因棉花葉片的表型分析Fig.2 Phenotypic analysis of transgenic cotton leaf afterVerticillium dahilaetreatment

2.3 大麗輪枝菌處理后的棉花脂肪酶活性測定

大麗輪枝菌處理后的棉花脂肪酶活性測見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)基因棉花中GDSL脂肪酶活性測定Fig.3 Measurement of GDSL lipase enzyme activity of transgenic cotton plants underVerticillium dahilaetreatment

由圖3可見：經(jīng)大麗輪枝菌處理后，野生型和轉(zhuǎn)基因棉花中的脂肪酶活性均呈逐步增長的趨勢，在處理5 d時(shí)酶活力達(dá)到最高值，而后趨于穩(wěn)定；與野生型相比，轉(zhuǎn)基因棉花中的脂肪酶活力顯著增加。這表明GDSL脂肪酶的表達(dá)與植物響應(yīng)大麗輪枝菌的刺激密切相關(guān)。

2.4 轉(zhuǎn)基因棉花抗氧化酶活分析

經(jīng)大麗輪枝菌處理后，以水處理作為對(duì)照，與野生型棉花相比，轉(zhuǎn)基因棉花植株中的CAT、POD和SOD的表達(dá)均有顯著的提升。CAT和POD的酶活力在大麗輪枝菌處理5 d時(shí)達(dá)到峰值并保持穩(wěn)定表達(dá)，SOD酶活力在大麗輪枝菌處理3 d時(shí)，表現(xiàn)出快速的響應(yīng)表達(dá)（圖4）。這表明轉(zhuǎn)基因棉花中的抗氧化系統(tǒng)酶類對(duì)于大麗輪枝菌的刺激響應(yīng)具有較高的敏感性，并與棉花的抗病性獲得聯(lián)系緊密。

圖4 轉(zhuǎn)基因棉花植株的抗氧化酶活性分析Fig.4 Activity analysis of antioxidant enzyme in the transgenic cotton plants

2.5 轉(zhuǎn)基因棉花PAL和PPO酶活性分析

大麗輪枝菌處理棉花后，野生型和轉(zhuǎn)基因棉花中的PAL和 PPO的表達(dá)均顯著升高，且在轉(zhuǎn)基因棉花中的表達(dá)高于野生型棉花。PAL和PPO酶活力均在處理5 d時(shí)達(dá)到峰值；PPO對(duì)于大麗輪枝菌的刺激響應(yīng)更敏感，處理3 d時(shí)呈現(xiàn)出顯著提升（圖5）。

圖5 轉(zhuǎn)基因棉花植株P(guān)AL和PPO酶活性分析Fig.5 Activity analyses of PAL and PPO enzymes in the transgenic cotton plants

3 討論

GDSL脂肪酶在植物響應(yīng)生物和非生物脅迫過程中發(fā)揮重要作用[14-15]。GDSL脂肪酶能夠誘導(dǎo)植物對(duì)真菌產(chǎn)生抗病性，與野生型植株相比，glip-1突變體植株對(duì)腐生真菌蕓苔表現(xiàn)為更強(qiáng)的敏感性[16-17]。許多研究表明植物的體內(nèi)過量表達(dá)GDSL1可以增強(qiáng)對(duì)多種病原真菌和細(xì)菌的抗性，并且在這個(gè)過程中乙烯介導(dǎo)的信號(hào)途徑誘導(dǎo)植物的系統(tǒng)抗病性發(fā)揮著重要作用[18-19]。本研究以過量表達(dá)GDSL脂肪酶基因的轉(zhuǎn)基因棉花為對(duì)象，轉(zhuǎn)基因棉花對(duì)于大麗輪枝菌的抗性獲得了顯著增強(qiáng)。

GDSL脂肪酶具有引起對(duì)多種病原體的廣譜抗性的活性[20]，植物可利用多層免疫系統(tǒng)來抵抗病原體的攻擊[21]。植物被病原菌侵染時(shí)，一些生理生化反應(yīng)如植保素等次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成、β-1、與3-葡聚糖酶以及幾丁酶等與病原相關(guān)蛋白的激活、富含羥脯氨酸蛋白在細(xì)胞壁中的積累等不會(huì)被誘導(dǎo)[22]。一些抗氧化酶類如PPO和PAL等則會(huì)大量累積。PPO在植物抗病反應(yīng)中起到重要的作用，PPO能夠催化木質(zhì)素及其它酚類氧化產(chǎn)物的生成，構(gòu)成保護(hù)性屏障從而抵抗病菌的侵入[23-24]；PAL是苯丙氨代謝的第一關(guān)鍵酶，與包括木質(zhì)素、香豆素、類黃酮、羥基肉桂酸酯以及異類黃酮衍生物等在內(nèi)的植物抗毒素的合成有密切關(guān)系[25]。本研究中轉(zhuǎn)基因棉花的抗氧化系統(tǒng)酶類CAT、SOD和POD，以及PAL和PPO的均能響應(yīng)大麗輪枝菌菌刺激并具有較高的表達(dá)，表明了這些酶表達(dá)在病菌響應(yīng)過程中的重要作用。

植物響應(yīng)大麗輪枝菌的過程十分復(fù)雜，與多個(gè)生理生化過程密切相關(guān)，本研究為棉花抗病分子機(jī)制解析和利用基因工程技術(shù)培育抗病棉花新材料奠定了一定基礎(chǔ)。

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GDSL lipase increases the resistance againstVerticillium dahilaeinGossypium hirsutum

An Jing,Pan Ze,Li Hongbin*
(College of Life Sciences/Key laboratory of Agrobiotechnology,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

Verticillium dahilaeis a soil-brone fungal pathogen through vasculature,and affects the yield and quality of cotton fiber seriously.To investigate the important function of cotton GDSL lipase (GLIP)in response toVerticillium dahilae,physiological analyses of wild-type (WT)cotton (Xinluzao 42)and transgenic cotton overexpressing GhGLIP underVerticillium dahilaetreatment were performed in this study.The results indicated that the expression of GhGLIP gene was induced underVerticillium dahilaestimulation,and transgenic cotton plants showed obviously inhibition of leaf cell death that was caused byVerticillium dahliae.Compared with the untreated control,GDSL lipase enzyme activity of both WT and transgenic cotton plants increased significantly afterVerticillium dahilaetreatment.Meanwhile,in transgenic cotton plants,the enzyme activities of catalase(CAT),superoxide dismutase(SOD),peroxidase(POD),phenylalanine ammonialyas(PAL)and polyphenoloxidase(PPO)were significantly enhanced,demonstrating that GhGLIP induced the resistance of cotton plants toVerticillium dahilae.These results provided an effective reference for elucidating the molecular mechanism of cotton resistance toVerticillium dahliaeand improvement of cotton breeding through genetic engineering technology.

GDSL lipase;Verticillium dahilae;cotton resistance;antioxidant enzymes

S562；S432.44

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.04.005

1007-7383(2017)04-0420-05

2017-03-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31660408），新疆兵團(tuán)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2016AC017）

安晶（1991-），女，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樯锘瘜W(xué)與分子生物學(xué)，e-mail：605805134@qq.com。

*通信作者：李鴻彬（1980-），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事植物分子生物學(xué)與基因工程研究，e-mail：lihb@shzu.edu.cn。