范小燕, 楊 柳, 季英華, 任春梅, 繆 倩, 韓玉春, 章松柏, 程兆榜, 魯紅學
(1.長江大學農學院,荊州 434025; 2.江蘇省農業(yè)科學院植物保護研究所/江蘇省食品質量安全重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培養(yǎng)基地,南京 210014; 3.海南出入境檢驗檢疫局熱帶植物隔離檢疫中心,海口 570311)
黃瓜綠斑駁花葉病毒(Cucumbergreenmottlemosaicvirus, CGMMV)是一種重要的植物病毒,主要危害西瓜、黃瓜、葫蘆、甜瓜、絲瓜、苦瓜等葫蘆科作物,自1935年英國科學家Anisworth[1]首次在黃瓜上報道該病毒以來,歐洲、亞洲、南美洲、北美洲以及中東的30多個國家和地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)CGMMV產生危害的報道[2],對當地瓜果類作物生產造成了嚴重的威脅。CGMMV可以侵染多種葫蘆科作物,不同作物上的癥狀表現(xiàn)不盡相同,但都對作物產量和品質影響極大[3-6]。在中國CGMMV于2005年在廣西觀賞南瓜上首次被發(fā)現(xiàn)[7],目前已擴散至遼寧、河北、湖北、湖南、廣東、山東、江蘇、甘肅等地[8-10]。鑒于該病毒的危害性,2006 年中華人民共和國農業(yè)部第788 號公告正式將 CGMMV 列入農業(yè)植物檢疫性有害生物名錄。
CGMMV是桿狀病毒科(Virgaviridae)煙草花葉病毒屬(Tobamovirus)的重要成員,可通過帶毒種子、農事操作、病殘體及授粉等多種方式傳播[11],病毒粒子為大小約300 nm×18 nm的直桿狀顆粒,基因組全長約6 400 bp,兩端各有一個非編碼區(qū),中間包括4個開放閱讀框(Opening read fragment,ORF)[12],分別編碼17 300外殼蛋白(Coat Protein,CP)、29 000移動蛋白(Movement Protein,MP)、129 000和186 000復制蛋白[13-14]。
在黃瓜綠斑駁花葉病毒同屬(煙草花葉病毒屬)成員中,很多研究結果表明CP作為病毒的結構蛋白,在病毒顆粒的組裝過程中起著十分重要的作用,同時CP還參與了病毒運動,病毒致病過程中癥狀的形成,合成負鏈RNA過程中煙草花葉病毒(TMV)復制酶的位點識別,病毒復制復合物(Virus replication complexes, VRCs)的調控等[15-19]多項功能的行使,這些結果表明CP在病毒的侵染循環(huán)中起著重要作用。
CP是病毒結構蛋白[20],Park等[21]研究發(fā)現(xiàn)轉CP基因的西瓜對CGMMV有較好抗性,Zhang等[22]研究發(fā)現(xiàn)CGMMV CP蛋白第96位氨基酸對病毒的侵染起重要作用,這些結果暗示CGMMV的CP蛋白可能參與了病毒侵染過程中的多項生命活動。因此,對CGMMV CP蛋白深入研究,將有助于了解其功能,揭示CGMMV致病機理,也為后續(xù)CGMMV的有效防控提供新的思路。
研究蛋白質的亞細胞定位有助于研究其功能[23]。Yang等[24]在研究番茄金色花葉病毒(Tomatogoldenmosaicvirus,TGMV)的AL2蛋白時發(fā)現(xiàn),AL2在細胞質和細胞核均有分布,與其激活病毒轉錄及抑制寄主的基因沉默功能對應。潘江杰[25]在研究水稻白化致死基因時,發(fā)現(xiàn)ABD基因定位于葉綠體中并參與了葉綠體發(fā)育、葉綠素合成降解及光合作用等調節(jié),而突變體abd影響其葉綠體定位及功能,表現(xiàn)白化癥狀。姬金花[26]在研究佩梅病毒的PLP1基因功能時發(fā)現(xiàn)PLP1點突變會導致其編碼的蛋白質無法在內質網中正確折疊并轉運,造成蛋白質及內質網和細胞的特殊反應,最終引發(fā)佩梅病。這些結果表明蛋白質正常行使功能離不開其在細胞內的特定分布特征,因此針對蛋白質的亞細胞定位展開研究也將有利于推動蛋白質功能的解析。
本研究選擇近年來在中國瓜類作物上肆虐危害的CGMMV江蘇分離物作為研究對象,通過設計特異性的引物,克隆其CP基因的全長序列,并構建帶有YFP標簽的重組表達質粒CP-YFP,轉化農桿菌后在本氏煙(Nicotianabenthamiana)葉片表皮細胞中進行瞬時表達,通過激光共聚焦顯微鏡觀察研究CGMMV編碼的CP蛋白的亞細胞定位特征,為后續(xù)CGMMV CP的功能研究奠定基礎。
供試CGMMV毒源為2012年采自江蘇洪澤的西瓜分離物[27],Taq酶、pMD18-T 載體及限制性內切酶均購自 TaKaRa 公司,大腸桿菌Trans10感受態(tài)購自北京全式金生物公司,農桿菌GV3101為實驗室保存菌株,35S∶YFP載體由南京農業(yè)大學陶小榮教授惠贈,植物材料本氏煙為實驗室保存,種植于實驗室光照培養(yǎng)箱中。RNA提取試劑盒(Plant RNA Kit)購自OMEGA公司,反轉錄試劑盒(Prime ScriptTM1st strand cDNA Synthesis Kit)與T4 DNA連接酶購自寶生物工程(大連)有限公司,DNA 凝膠回收試劑盒及質粒提取試劑盒購自愛思進生物技術有限公司,羊抗兔 IgG及綠色熒光蛋白抗體(THETMGFP Antibody)購自南京金斯瑞生物科技有限公司,ECL Western Blotting Substrate顯色試劑盒購自上海天能科技有限公司,引物合成及序列測定均由南京金斯瑞生物科技有限公司完成。序列比對等分析處理采用Clustal X、Bioedit、DNAstar等軟件完成。
取0.1 g 病葉于液氮中速凍研磨,按試劑盒說明書提取總RNA。取500 ng RNA為模板,加入1 μl Oligo dT,1 μl 隨機引物和1 μl dNTP,按反轉錄試劑盒說明書操作獲取cDNA反應產物于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
根據CGMMV基因組序列設計CP全長擴增引物CGCP_BH1F:CGGGATCCATGGCTTACAATCCGATCAC (含BamHⅠ酶切位點)和CGCPbr:CGGGATCCAGCTTTCGAGGTGGTAGC,以500 ng cDNA為模板,進行PCR擴增。反應體系25 μl,反應條件:94 ℃預變性 5 min;94 ℃變性 45 s,52 ℃退火 45 s,72 ℃延伸1 min,30 個循環(huán);最后72 ℃充分延伸 10 min。PCR產物經1%瓊脂糖凝膠電泳,按膠回收試劑盒說明書操作回收目的片段,連接到 pMD18-T 載體并通過熱激法將連接產物轉入大腸桿菌Trans10 中,轉化產物涂布于含氨芐青霉素的LB平板,37 ℃培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)過夜至菌落長出,菌落PCR和酶切鑒定陽性克隆,經測序驗證無誤后獲得陽性克隆pMD18T-CP用于后續(xù)試驗。
按照質粒提取試劑盒說明書操作提取pMD18T-CP質粒后進行酶切,酶切體系:1 μlBamHⅠ,4 μl 10×T Buffer ,20 μl pMD18T-CP質粒,ddH2O定容至40 μl。37 ℃酶切3 h。酶切產物經1%瓊脂糖凝膠電泳后膠回收試劑盒回收目的片段,將回收的目的片段通過T4連接酶連接到同樣經BamH I酶切回收的線性化35S∶YFP載體,連接體系:目的片段回收產物7 μl ,1 μl T4 DNA 連接酶,1 μl 10×T4 DNA 連接酶緩沖液,1 μl 線性化35S∶YFP載體,16 ℃過夜連接。熱激法將連接產物轉入大腸桿菌Trans10,菌落PCR擴增和酶切鑒定陽性克隆,測序驗證無誤后獲得陽性克隆CP-YFP用于后續(xù)試驗。
利用電擊法將構建好的CP-YFP 重組質粒轉入農桿菌GV3101,以35S∶YFP空載體為對照,經卡那霉素和利福平抗性平板篩選培養(yǎng),最后通過菌落PCR 鑒定陽性克隆。
將轉入CP-YFP及35S∶YFP空載體的農桿菌于含利福平及卡那霉素的液體培養(yǎng)基中,28 ℃,220 r/min,過夜培養(yǎng)至OD600為0.8~1.2;8 000 r/min 10 min收集菌體。用浸潤液(10 mmol/L 氯化鎂,10 mmol/L 2-嗎啉乙磺酸,100 μmol/L 乙酰丁香酮)將重組農桿菌菌體懸浮至OD600約0.5,28 ℃避光靜置2 h,使農桿菌復蘇[28]。選取4~6葉齡健康本氏煙葉片進行浸潤,40 h后切取浸潤區(qū)本氏煙葉片于激光共聚焦顯微鏡(ZEIZZ LSM710)488 nm激發(fā)光下觀察目標蛋白的表達情況及其亞細胞定位特征。
細胞核染色采用DAPI法:在制好的玻片上滴加適量DAPI染液(100 ng/ml),避光染色10 min,流水沖去染液,于激光共聚焦顯微鏡 360~400 nm激發(fā)光下觀察。
浸潤處理40 h后,稱取 0.4 g浸潤區(qū)葉片,加入1 ml 0.01 mol/L 磷酸鹽緩沖液(PBS),冰上研磨后轉移至離心管中,漩渦震蕩混勻,12 000 r/min離心15 min,取上清液,加入適量聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)5×上樣緩沖液,沸水煮10 min,-20 ℃保存。
取適量蛋白質樣品于12% SDS-PAGE凝膠電泳分離,在電轉移緩沖液中通過濕轉轉膜儀將蛋白質轉至聚偏二氟乙烯膜(PVDF膜)上(260 mA 恒流電泳1 h),取出PVDF膜,用含0.05%Tween-20的磷酸鹽緩沖液(PBST)漂洗3次,每次5 min,將膜浸入封閉液中(5%脫脂奶粉),120 r/min搖動封閉1 h,PBST漂洗3次,每次5 min,將GFP抗體以1∶5 000稀釋于PBST中,浸沒PVDF膜,4 ℃保溫過夜,PBST漂洗3次,每次5 min,將辣根過氧化物酶標記的羊抗兔二抗以1∶2 000稀釋于PBST中,浸沒PVDF膜,室溫結合1 h,PBST漂洗3次后,用ECL化學發(fā)光試劑盒顯影。
以病樣總RNA為模板,利用CGMMV外殼蛋白特異性引物CGCP_BH1F和CGCPbr 進行RT-PCR擴增,瓊脂糖凝膠電泳分析擴增產物發(fā)現(xiàn)有一條大小約500 bp的特異性條帶(圖1a),與預期的目標大小(486 bp)基本一致,說明該條帶就是本研究要擴增的目的基因條帶。利用DNA凝膠回收試劑盒回收該目的片段,將目的片段連接克隆載體pMD18-T,轉化Trans 10感受態(tài)細胞。利用菌落PCR及酶切驗證(圖1b)篩選陽性克隆,獲得的陽性克隆菌液送南京金斯瑞生物科技有限公司測序驗證無誤后,從而獲得重組陽性質粒pMD18T-CP。
分析獲得的CGMMV江蘇分離物的CP基因堿基序列,發(fā)現(xiàn)其全長486 bp,編碼一個161個氨基酸大小約17 500的蛋白質,與之前報道的江蘇分離物(KC852073)CP基因堿基序列完全一致(圖2)。
本研究對已報道的CGMMV其他分離物編碼的CP蛋白氨基酸序列進行分析,結果發(fā)現(xiàn)本研究獲得的CGMMV江蘇分離物編碼的CP蛋白氨基酸序列除與之前報道的江蘇分離物序列完全一致外,與中國山東分離物、遼寧分離物、廣西分離物、河北分離物、臺灣分離物的蛋白質氨基酸序列都完全一致,不僅如此,它與印度分離物、韓國分離物、日本分離物及一個俄羅斯分離物(GQ495274)的序列也完全一致(圖2)。表明CGMMV編碼的CP蛋白是一個相對比較保守的蛋白質,選用CGMMV江蘇分離物進行研究具有很好的代表性。
a:CGMMV CP基因RT-PCR擴增;b:PMD18T-CP酶切驗證(Bam H I)。圖1 CGMMV編碼的CP基因RT-PCR擴增及克隆Fig.1 PCR amplification and cloning of CGMMV CP gene
圖2 CGMMV CP蛋白氨基酸序列分析結果Fig.2 The sequence analysis of CGMMV CP protein
利用基因克隆時引入的BamH I酶切位點,通過BamH I酶切pMD18T-CP獲得了兩條片段,其中一條大小在2 000 bp和3 000 bp之間(pMD18-T),另一條大小約500 bp,與486 bp 的CP大小基本一致(圖1b),利用DNA凝膠回收試劑盒回收大小約500 bp的CP片段,通過T4連接酶將該目的片段連接到BamHⅠ處理后純化回收的YFP空載體質粒,轉化Trans 10感受態(tài)細胞。鑒于CP基因是經單酶切(BamH I)插入35S∶YFP載體,因此CP可以正向插入,亦可反向插入,為了保證插入方向正確,本研究在篩選陽性克隆時引入了一條位于35S啟動子區(qū)域的引物(35SF),該引物與CP基因擴增引物的R端引物配對進行菌落PCR篩選(圖3),篩選到的陽性克隆進一步進行酶切鑒定(BamH I),酶切產物瓊脂糖凝膠電泳后,有大小兩條帶:一條大小在15 000 bp 左右(35S∶YFP載體),另一條大小約500 bp,與CP目的片段大小一致。表明融合YFP標簽的CP重組表達載體CP-YFP構建成功。
a:CP-YFP載體構建示意圖;b:CP-YFP酶切驗證;c:CP-YFP PCR驗證圖。圖3 CP-YFP載體構建Fig.3 Construction of CP-YFP vector
將構建好的CP-YFP質粒通過電擊法轉入農桿菌GV3101,經浸潤液處理后接種本氏煙(Nicotianabenthamiana)葉片,在激光共聚焦顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)接種40 h后,浸潤CP-YFP的本氏煙葉片細胞中有明顯的熒光信號,熒光除了在細胞質有分布外,在細胞核也疑似有分布,為了進一步印證其在細胞核的分布,本研究采用DAPI處理細胞核后進行觀察,結果發(fā)現(xiàn)二者在細胞核存在重合(圖4)。表明CP在本氏煙表皮細胞的細胞質及細胞核均有分布。
a:對照組YFP亞細胞定位;b:帶YFP標簽的CP蛋白亞細胞定位(小圖示意CP在細胞核內分布)。圖4 CP蛋白亞細胞定位Fig.4 Subcellular localization of CP protein
為了進一步印證CP-YFP在本氏煙葉片細胞中的表達,同時排除空載體等因素的干擾,本研究以GFP抗體為一抗,辣根過氧化物酶標記的羊抗兔IgG為二抗檢測本氏煙中YFP和CP-YFP的表達。Western-blot結果顯示,接種CP-YFP的本氏煙樣品在接近48 000處有特異性條帶出現(xiàn),與預期的CP-YFP融合蛋白大小44 000基本吻合;而接種YFP的本氏煙樣品在 25 000~35 000有明顯條帶,與YFP大小27 000相吻合(圖5)。表明浸潤接種的CP-YFP在本氏煙葉片細胞中成功表達,同時也印證了激光共聚焦顯微鏡下觀察到的本氏煙葉片細胞中的熒光信號是由CP-YFP在煙草葉片中順利表達產生的。
圖5 免疫印跡法檢測YFP及CP-YFPFig.5 Detection of YFP and CP-YFP by Western blot
CGMMV是一種主要侵染葫蘆科作物的重要病毒,由于其對西瓜、黃瓜等作物造成的嚴重損失,已被世界多個國家和地區(qū)列為檢疫性有害生物,成為困擾產業(yè)健康發(fā)展的重要因素之一。本研究選擇2012年采自江蘇洪澤的CGMMV西瓜分離物作為研究對象,對其CP基因進行了克隆和序列測定,結果發(fā)現(xiàn)CP基因全長486,編碼一個17 500的蛋白質,與中國山東、遼寧、廣西、河北、臺灣等其他分離物序列完全一致(序列相對保守),為進一步研究其亞細胞定位特征,本研究構建了帶有YFP熒光標簽的重組表達載體CP-YFP,轉化農桿菌后浸潤接種本氏煙,結果發(fā)現(xiàn)CP在細胞質及細胞核中均有分布,為后續(xù)進一步研究CGMMV CP功能奠定了基礎。
在煙草花葉病毒屬典型成員TMV的研究中也有報道顯示CP在細胞質有分布,如早年Martin[29]在研究TMV時發(fā)現(xiàn)在細胞質存在大量病毒粒子,而CP是TMV的結構蛋白,暗示了CP在細胞質有分布。Hills[30]在利用免疫膠體金技術研究TMV編碼蛋白質定位時證實CP在細胞質有分布。Bendahmane等[31]在利用BY-2原生質體研究TMV時,也發(fā)現(xiàn)CP在細胞質內有分布。彭浩然等[32]在利用激光共聚焦顯微鏡研究番茄花葉病毒(ToMV)編碼的CP蛋白時發(fā)現(xiàn)CP在細胞質有分布,由于煙草花葉病毒屬內很多病毒的復制、轉錄、組裝等一系列重要的生命活動大都是在細胞質內完成的[33-35],因此CP的細胞質定位特征與這些功能研究結果相吻合。在本研究確定CGMMV編碼的CP在細胞質中有分布,暗示了CGMMV編碼的CP在細胞質中可能參與了這些功能的行使。
本研究結果表明,CGMMV編碼的CP除了在細胞質有分布外在細胞核也有分布,而在同屬TMV的研究中,Honda等[36]在利用電鏡觀察病樣切片時發(fā)現(xiàn)細胞核中存在病毒粒子形成的聚合體。Hirai等[37]在研究TMV侵染特征時發(fā)現(xiàn)在TMV侵染早期(6~18 h),病毒外殼蛋白會在細胞核中積累。Reddi[38]在研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。杜利娟[39]在利用激光共聚焦顯微鏡研究TMV及TuMV編碼的CP蛋白亞細胞定位時發(fā)現(xiàn)二者在寄主細胞核也有分布。這些結果表明病毒的CP在細胞核也有分布,但是CP在細胞核內的功能目前還未見相關報道,因此針對其核定位特征研究其相關功能,可能有助于更深入解析病毒的致病機理,為病毒的有效防控提供新的思路。
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