組織培養(yǎng)誘導(dǎo)的玉米F1雜交種印跡基因的表達(dá)變異研究

呂睿麗，楊 巍，劉 寶，張美善

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 長春 130118； 2.東北師范大學(xué)表觀遺傳學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130024)

通過有性生殖產(chǎn)生的子代繼承了來自父、母雙親本的兩套染色體組.按照孟德爾遺傳規(guī)律，子代中來自雙親本的等位基因應(yīng)均等表達(dá).雖然絕大多數(shù)基因遵循這個(gè)表達(dá)規(guī)律，但在哺乳動(dòng)物和開花植物中，也有少部分基因只表達(dá)源自某一親本的等位基因，而另一親本的等位基因完全或部分沉默，即子代基因組根據(jù)親本來源選擇表達(dá)(擇親表達(dá))，這種現(xiàn)象稱為基因組印跡，具有這種特殊表達(dá)模式的基因稱為印跡基因[1].植物中無論是正交還是反交，印跡基因均只有來自某一親本的等位基因表達(dá).只有來自母本等位基因表達(dá)(父本等位基因沉默)的基因稱為母本印跡基因(maternally expressed imprinted gene，MEG)；只有來自父本等位基因表達(dá)(母本等位基因沉默)的基因稱為父本印跡基因(paternally expressed imprinted gene，PEG)[1-2].隨著高通量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的普及應(yīng)用，人們已從擬南芥、水稻、玉米、高粱和蓖麻等植物中識(shí)別出了幾百個(gè)印跡基因[3-7].Zhang等[8]和Waters等[5]從以玉米自交系B73和Mo17為親本材料制備的F1正反雜交種授粉后10 ～14 d的胚乳中，分別獲得了179個(gè)(68個(gè)MEG和111個(gè)PEG)和100個(gè)(54個(gè)MEG和46個(gè)PEG)印跡基因.開花植物基因組印跡的發(fā)生部位主要是發(fā)育種子的胚乳，印跡基因主要在種子器官特異表達(dá)[3-8].Waters等[5]分析了71個(gè)印跡基因在不同組織中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)其中31個(gè)基因(20個(gè)MEG和11個(gè)PEG)顯示胚乳特異表達(dá)或優(yōu)先表達(dá)，說明MEG更傾向于胚乳特異表達(dá)模式.

印跡基因可被熱脅迫誘導(dǎo)表達(dá).擬南芥印跡基因SDS具有胚乳特異表達(dá)、在營養(yǎng)器官沉默的表達(dá)特性.當(dāng)植株受到熱脅迫時(shí)，擬南芥幼葉中SDS基因會(huì)被脅迫刺激而激活表達(dá)；脅迫越強(qiáng)，誘導(dǎo)表達(dá)效果也越顯著.SDS基因的誘導(dǎo)表達(dá)有利于植株抵抗脅迫[9].

在組織培養(yǎng)過程中，植物外植體在含有植物激素的培養(yǎng)基中失去原有的分化狀態(tài)，形成無規(guī)律的細(xì)胞團(tuán)，即愈傷組織.對(duì)于植物來說，組織培養(yǎng)是強(qiáng)脅迫[10].許多研究表明，組織培養(yǎng)能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生可遺傳的遺傳變異和表觀遺傳變異，稱為體細(xì)胞克隆變異.植物體細(xì)胞克隆變異可導(dǎo)致基因組中很多基因的表達(dá)模式發(fā)生改變[10-12].

本實(shí)驗(yàn)以玉米F1正反雜交種幼胚為外植體，誘導(dǎo)和繼代培養(yǎng)愈傷組織；選取前人在文獻(xiàn)中報(bào)道的20個(gè)玉米印跡基因(10個(gè)MEG和10個(gè)PEG)[5，8]，研究了在不同繼代培養(yǎng)時(shí)間(0，3，5，9和12個(gè)月)的愈傷組織中發(fā)生的印跡基因的表達(dá)變異，以為體細(xì)胞克隆變異機(jī)制及印跡基因功能研究提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 植物材料

玉米自交系親本B73(B)和Mo17(M)種植于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)地.以人工授粉方法制造F1正反雜交種BM(B73 × Mo17，B73為母本、Mo17為父本)和MB(Mo17 × B73，Mo17為母本、B73為父本).授粉后18 d，從田間選取BM和MB的穗，迅速拿到實(shí)驗(yàn)室，用鑷子取胚和胚乳，用液氮冷凍，儲(chǔ)存于-70℃冰箱備用.葉片材料取自3葉期植株.不同植物材料的取樣均設(shè)置3個(gè)重復(fù).

1.2 愈傷組織的誘導(dǎo)和繼代培養(yǎng)

取授粉后18 d的玉米幼嫩種子，先用表面活性劑清洗(去除表面張力)，再用自來水沖洗干凈，在超凈工作臺(tái)上用70%的酒精進(jìn)行表面消毒30 s，無菌水沖洗2次后用0.1%的HgCl2溶液浸泡滅菌8 min，然后用無菌水反復(fù)沖洗5～6次.在超凈工作臺(tái)上用鑷子剝?nèi)シN皮，取出幼胚，將幼胚盾片朝上分別接種于N6E誘導(dǎo)培養(yǎng)基(N6 3.99 g/L + 2，4-D 2 mg/L + 肌醇 0.1 g/L + 脯氨酸 2.76 g/L + 水解酪蛋白 0.1 g/L + 3 %蔗糖 + 0.68 %瓊脂，pH=5.8)和馬鈴薯培養(yǎng)基(馬鈴薯用200 g/L無菌水煮沸20 min后過濾，加5 %蔗糖、0.68 %瓊脂，調(diào)pH=5.8)；每個(gè)三角瓶中接種10個(gè)幼胚，置于25℃人工氣候箱進(jìn)行暗培養(yǎng).約15 d后長出愈傷組織，把一部分愈傷用液氮冷凍，儲(chǔ)存于-70℃冰箱(0繼代時(shí)間愈傷組織).同時(shí)，將愈傷組織分別轉(zhuǎn)移到N6繼代培養(yǎng)基(N6 3.99 g/L + 2，4-D 2 mg/L + 肌醇 0.1 g/L + 3%蔗糖 + 0.68 %瓊脂，pH=5.8)和馬鈴薯繼代培養(yǎng)基(馬鈴薯用200 g/L無菌水煮沸20 min 后過濾，加5 %蔗糖、0.68 %瓊脂，pH=5.8)，置于25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng).繼代頻率為每隔14～20 d繼代一次，每2～3個(gè)月取愈傷組織冷凍，并儲(chǔ)存于-70℃冰箱，直到用于總RNA提取.愈傷組織的取樣設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)的愈傷組織分別取自不同的三角瓶.

1.3 總RNA提取和反轉(zhuǎn)錄

總RNA提取按照Invitrogen公司Trizol試劑說明書進(jìn)行.取1 μL總RNA，用NanoDrop 2000超微量分光光度計(jì)(Thermo Scientific，http：//www.nanodrop.com)測(cè)定RNA濃度和質(zhì)量.各樣品RNA質(zhì)量濃度為0.5～1.5 μg/μL，D(260)/D(280)=1.9～2.0，符合反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)要求.另外，用經(jīng)DEPC處理的水制備1.0%瓊脂糖凝膠，鑒定RNA的完整性.

取提取的總RNA 2 μg，用DNaseⅠ(TransGen Biotech)進(jìn)行去基因組DNA處理，以O(shè)ligo(dT)為下游引物進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄，具體方法參照TransGen公司反轉(zhuǎn)錄試劑盒(TransGen Biotech，http：//www.transgen.com.cn)說明書進(jìn)行.

從Zhang等和Waters等[5，8]報(bào)道的玉米印跡基因中隨機(jī)選出20個(gè)印跡基因，用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)引物(見表1).同時(shí)，以玉米肌動(dòng)蛋白基因Actin(ID：GRMZM2G126010)設(shè)計(jì)參照引物進(jìn)行PCR，調(diào)整各個(gè)樣品的起始量進(jìn)行均一化.Actin基因的正反向引物序列分別為CCTGAAGATCACCCTGTGCT和GCAGTCTCCAGCTCCTGTTC.PCR反應(yīng)參數(shù)為：95℃初始變性2 min；然后，95℃30 s，60℃40 s，72℃40 s，25～30次循環(huán)(對(duì)不同引物，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整循環(huán)數(shù))；最后72℃延伸8 min.PCR反應(yīng)體系為20 μL，使用的試劑購自Takara公司.RT-PCR產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖進(jìn)行凝膠電泳.基因功能注釋信息查詢NCBI數(shù)據(jù)庫(https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/)和MaizeGDB(https：//www.maizegdb.org/)(見表2).

表1 玉米印跡基因RT-PCR引物序列

表2 玉米印跡基因功能注釋信息和參考文獻(xiàn)

注：*表示MEG為母本印跡基因；**表示PEG為父本印跡基因.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同繼代培養(yǎng)時(shí)間玉米愈傷組織中母本印跡基因的表達(dá)變異

本研究用于組織培養(yǎng)的基因型為玉米兩個(gè)正反F1雜交種：B73 × Mo17(BM)和Mo17 × B73(MB).由于許多印跡基因只在種子器官表達(dá)，在營養(yǎng)器官沉默，本試驗(yàn)把種子器官(胚、胚乳)作為實(shí)材，把營養(yǎng)器官(葉片)作為參照.首先檢測(cè)在5個(gè)不同繼代培養(yǎng)時(shí)間(0，3，5，9，12個(gè)月)愈傷組織中10個(gè)玉米MEG的表達(dá)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有4個(gè)MEG出現(xiàn)不同程度的表達(dá)變異.其中，胚乳特異表達(dá)的GRMZM2G147226基因在繼代培養(yǎng)9個(gè)月(BM)和12個(gè)月(BM和MB)的愈傷中出現(xiàn)微弱的激活表達(dá)；胚、胚乳特異表達(dá)的GRMZM2G370991基因在0繼代培養(yǎng)時(shí)間的BM愈傷組織、繼代培養(yǎng)9個(gè)月(MB)和12個(gè)月(BM和MB)的愈傷中出現(xiàn)微弱的激活表達(dá)(見圖1、表3).除了激活表達(dá)，印跡基因的體細(xì)胞克隆表達(dá)變異也出現(xiàn)了基因沉默變異，如在胚、胚乳和葉片中都有表達(dá)的GRMZM2G033413基因，在繼代培養(yǎng)9個(gè)月(MB)和12個(gè)月(BM和MB)的愈傷中出現(xiàn)了基因沉默的現(xiàn)象.GRMZM2G169695基因則在繼代培養(yǎng)3個(gè)月和5個(gè)月的愈傷中出現(xiàn)了基因沉默的現(xiàn)象(見圖1、表3).從正反雜交種之間的變異情況來看，只有2個(gè)基因(GRMZM2G147226和GRMZM2G370991)在個(gè)別年齡的愈傷組織中存在差異.

另外，有6個(gè)MEG未顯示任何變異.其中，具有胚乳或(和)胚特異表達(dá)特性(葉片中不表達(dá))的5個(gè)MEG(GRMZM2G073700，GRMZM2G062650，GRMZM2G118205，GRMZM2G014119和GRMZM2G150134)，在各個(gè)時(shí)期愈傷組織中都沒有任何激活；而GRMZM2G374088基因則在不同器官及不同時(shí)期愈傷組織中都顯示了高表達(dá)(見圖1、表3).

圖1 10個(gè)玉米母本印跡基因(MEG)在不同繼代培養(yǎng)時(shí)間愈傷組織中的表達(dá)結(jié)果

表達(dá)模式愈傷組織有無變異及變異類型母本印跡基因(MEG)父本印跡基因(PEG)胚乳特異表達(dá)有變異,愈傷表達(dá)激活GRMZM2G147226GRMZM2G127160GRMZM2G449489胚、胚乳特異表達(dá)有變異,愈傷表達(dá)激活GRMZM2G370991AC191534.3_FG003GRMZM2G028366胚、胚乳和葉片均表達(dá)有變異,愈傷表達(dá)沉默GRMZM2G033413GRMZM2G169695GRMZM2G006732胚乳特異表達(dá)無變異,愈傷不表達(dá)GRMZM2G073700GRMZM2G062650GRMZM2G091819胚、胚乳特異表達(dá)無變異,愈傷不表達(dá)GRMZM2G118205GRMZM2G014119胚特異表達(dá)無變異,愈傷不表達(dá)GRMZM2G150134胚、胚乳和葉片均表達(dá)無變異,愈傷表達(dá)GRMZM2G374088GRMZM2G138382GRMZM2G103909GRMZM2G447406GRMZM5G845175

2.2 不同繼代培養(yǎng)時(shí)間玉米愈傷組織中父本印跡基因的表達(dá)變異

對(duì)10個(gè)玉米父本印跡基因(PEG)在正反F1雜交種BM和MB 5個(gè)不同繼代培養(yǎng)時(shí)間(0，3，5，9，12個(gè)月)的愈傷組織中表達(dá)情況的分析表明，有50%的PEG出現(xiàn)了不同程度的表達(dá)變異，而且相對(duì)于MEG，PEG的基因表達(dá)變異更加明顯.具體來說，有2個(gè)PEG (GRMZM2G127160和GRMZM2G449489)只在胚乳中特異表達(dá)，而在胚和葉片中不表達(dá)，但是在9個(gè)月和12個(gè)月繼代培養(yǎng)的愈傷組織中都有少量激活表達(dá)(見圖2、表3)；2個(gè)胚和胚乳特異表達(dá)的PEG(AC191534.3_FG003和GRMZM2G028366)分別在5個(gè)月MB和9，12個(gè)月繼代培養(yǎng)的愈傷組織中出現(xiàn)了明顯的激活表達(dá)(見圖2、表3)；在胚、胚乳和葉片中都有表達(dá)的基因GRMZM2G006732在不同時(shí)期的愈傷組織中均出現(xiàn)了基因沉默，或表達(dá)極其微弱(見圖2、表3).

在無變異的5個(gè)PEG中，只有GRMZM2G091819屬胚乳特異表達(dá)基因，另外4個(gè)PEG(GRMZM2G138382，GRMZM2G103909，GRMZM2G447406和GRMZM5G845175)在不同器官及不同時(shí)期的愈傷中都有表達(dá)，尤其是GRMZM2G447406和GRMZM5G845175基因在不同器官及不同時(shí)期愈傷組織中均有相似的較高表達(dá)(見圖2、表3).

3 討論

在近年來常用的mRNA含量測(cè)定技術(shù)中，雖然熒光實(shí)時(shí)定量PCR方法的應(yīng)用越來越廣泛，但事實(shí)上，如果只需評(píng)估樣品之間基因表達(dá)水平的相對(duì)差異，半定量RT-PCR(semi quantitative reverse transcription PCR，SqRT-PCR)技術(shù)則完全可以滿足實(shí)驗(yàn)要求.與經(jīng)典的檢測(cè)基因的表達(dá)方法如Northern印跡、RNA酶保護(hù)分析等相比，半定量RT-PCR法具有專一性好、快速簡便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn).尤其是在需要檢測(cè)不同器官之間表達(dá)差異顯著的基因時(shí)，比起熒光實(shí)時(shí)定量PCR方法，半定量RT-PCR方法能夠更直觀地顯示基因表達(dá)是否存在器官特異性，以及是否發(fā)生激活或沉默.本實(shí)驗(yàn)的研究目的是為了檢測(cè)玉米印跡基因在不同培養(yǎng)時(shí)間的愈傷組織中的表達(dá)變異，而印跡基因在不同組織之間表達(dá)差異顯著，所以本研究采用了半定量RT-PCR方法分析了基因表達(dá).

本文的研究結(jié)果表明，玉米印跡基因的表達(dá)變異在繼代培養(yǎng)9個(gè)月和12個(gè)月時(shí)明顯增加，這與前人的研究結(jié)果相似.薛美鳳等[13]報(bào)道，愈傷組織的培養(yǎng)時(shí)間是造成體細(xì)胞克隆變異和再生植株表型變異的一個(gè)重要原因，隨著胚性愈傷組織選擇培養(yǎng)時(shí)間的延長和繼代次數(shù)的增多，愈傷細(xì)胞感受的脅迫越來越強(qiáng)，體細(xì)胞胚變異頻率逐漸升高.

圖2 10個(gè)玉米父本印跡基因(PEG)在不同繼代培養(yǎng)時(shí)間愈傷組織中的表達(dá)結(jié)果

從基因功能注釋來看，在發(fā)生表達(dá)變異的4個(gè)MEG中，有2個(gè)MEG(GRMZM2G370991和GRMZM2G033413)分別被注釋為EIN2(乙烯不敏感2)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和脫落酸不敏感類似蛋白(見表2).乙烯和脫落酸是兩種“逆境激素”，在植物遇到逆境脅迫時(shí)含量增加，以便植物抵抗不良的環(huán)境條件.愈傷細(xì)胞經(jīng)歷離體培養(yǎng)和植物激素等化學(xué)物質(zhì)刺激的“強(qiáng)脅迫”，可能激活與抗逆激素相關(guān)的編碼基因，這也說明玉米印跡基因除了在種子發(fā)育過程中起重要作用以外，在抗脅迫過程中也可能起一定作用.

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