, , , 德剛,3
(1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生物工程研究院,山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550025;2.貴州省山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程2011協(xié)同創(chuàng)新中心, 貴陽,550025;3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 貴陽 550006)
喹啉酸核糖基轉(zhuǎn)移酶(quinolinic acid phosphoribosyltransferase,QPT)是煙堿(nicotine)結(jié)構(gòu)中吡啶環(huán)合成的關(guān)鍵限速酶,不僅可催化喹啉酸形成煙酸單核苷酸(nicotinic acid mononu-cleotide,NAMN),進(jìn)而生成煙酸[1-2],同時(shí)也調(diào)控了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)的從頭合成途徑(de-novo synthesis),在生物體的初生代謝中扮演重要角色[3-4]。QPT催化合成產(chǎn)物NAD可作為生物體內(nèi)多種催化反應(yīng)必不可少的輔酶,在三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle)、電子傳遞(electron transport)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)等過程中也同樣發(fā)揮著重要的作用[5]。目前,植物中QPT基因的研究多集中于其編碼酶參與介導(dǎo)的煙堿生物合成與調(diào)控[6-7]。2000年,Sinclair等首次從普通煙草(Nicotianatabacum)和林煙草(Nicotianasylvestris)中克隆得到QPT基因,發(fā)現(xiàn)打頂和噴施生長(zhǎng)素處理可分別上調(diào)和下調(diào)煙草QPT基因的表達(dá)[6]。之后,Xie等利用RNA干擾技術(shù)(RNA interference,RNAi)干涉QPT基因,獲得了低煙堿含量的轉(zhuǎn)基因煙草植株[7]。另有研究報(bào)道,QPT對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育及初生代謝的調(diào)控也同樣發(fā)揮了重要作用[4]。Khan等的研究表明,煙草中QPT基因下調(diào)不僅降低了煙堿含量,還會(huì)顯著影響煙草的株高、開花數(shù)及總?cè)~綠素含量等形態(tài)及生理指標(biāo)[8]。本研究分別構(gòu)建了以 CaMV(cauliflower mosaic virus)35 S啟動(dòng)子啟動(dòng)QPT超量表達(dá)以及CaMV 35 S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)QPT干涉表達(dá)的植物表達(dá)載體pSH-35 S-QP-T和pSH-35 S-QPTi,分別利用農(nóng)桿菌(Agrobac-teriumtumefaciens)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化法對(duì)煙草進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化。通過測(cè)定和分析各生育期不同轉(zhuǎn)基因煙草的形態(tài)及光合特性參數(shù),研究QPT基因?qū)煵萆L(zhǎng)發(fā)育及光合特征指標(biāo)的影響。為闡明QPT在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的作用及定向培育煙草新種質(zhì)提供參考。
普通煙草(NicotianatobacumL.)栽培品種‘Xanthi’、農(nóng)桿菌(A.tumefaciens)菌株 LBA 4404 和植物表達(dá)載體pSH 737 由本實(shí)驗(yàn)室保存并提供。T4DNA連接酶和DNA Marker 購(gòu)于Takara 生物工程公司;植物DNA提取試劑盒購(gòu)于天根生化科技公司;瓊脂糖、乙醇等購(gòu)于科密歐化學(xué)試劑公司。
1.2.1載體構(gòu)建
超量表達(dá)載體pSH-35 S-QPT 由實(shí)驗(yàn)室保存并提供。QPT干涉表達(dá)元件由上海旭冠生物技術(shù)有限公司合成,參照趙丹等[9]的方法,用BamHⅠ和KpnⅠ雙酶切載體pSH 737 和干涉片段,然后連接轉(zhuǎn)化得到 pSH-35 S-QPTi 載體。pSH-35 S-QPT載體和pSH-35 S-QPTi載體均含有35 S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的GUS∷NPTⅡ 基因作為報(bào)告基因。
1.2.2遺傳轉(zhuǎn)化
通過凍融轉(zhuǎn)化法[10]獲得分別含有pSH-35 S-QPT 和pSH-35 S-QPTi 的工程農(nóng)桿菌,以葉盤法[11]遺傳轉(zhuǎn)化煙草。并將得到的抗性植株幼苗移栽到施有底肥的營(yíng)養(yǎng)土中,后期追肥1次。
1.2.3轉(zhuǎn)基因植株P(guān)CR鑒定
取4~6葉期抗性煙苗的葉片進(jìn)行GUS化學(xué)組織染色,提取GUS染色陽性植株葉片總DNA用于PCR鑒定。檢測(cè)35S-QPT特異片段擴(kuò)增引物:F-QPT:5′-CGCACAATCC-CACTATCCTT-3′;R-QPT:5′-TTAGAGCTTTGCCGACACCT-3′。干涉片段35 S-QPTi特異片段擴(kuò)增引物:F-QPTi:5′-CGCACAATCCCACTATCCTT-3′;R-QPTi:5′-TTCGCCAGTAAGGTCCGTAA-3′。PCR擴(kuò)增體系(20μL):正反向引物(10μmol/L)各加1μL,Premix rTaq10μL,DNA模板1μL,dd H2O 7μL?;靹蚝?,使用System 9700 PCR儀進(jìn)行擴(kuò)增反應(yīng)。條件:94 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min,12 ℃保存。反應(yīng)結(jié)束后,取6μL PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。
1.2.4植株形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定
對(duì)移栽后長(zhǎng)至團(tuán)顆期、旺長(zhǎng)期和開花期的轉(zhuǎn)基因植株的形態(tài)指標(biāo),包括株高、葉片數(shù)、莖圍、腰葉長(zhǎng)和寬及葉面積等指標(biāo)進(jìn)行觀察并記錄。測(cè)定方法按煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)方法(YC/T 142-2010)[12]進(jìn)行。
注:RB為T-DNA右邊界;35 S為CaMV 35 S 啟動(dòng)子;polyA為終止子;LB為T-DNA左邊界。圖1 pSH-35 S-QPT (A)和pSH-35S-QPTi (B)植物表達(dá)載體結(jié)構(gòu)示意圖
注:A~E為煙草遺傳轉(zhuǎn)化過程;F為轉(zhuǎn)基因煙草煙草。圖3 煙草xanthi的遺傳轉(zhuǎn)化
1.2.5光合特性參數(shù)及光響應(yīng)曲線的測(cè)定
光合特性參數(shù)測(cè)定參照張笑寒等[13]的方法,利用Li 6400 XT光合儀在晴天條件測(cè)定移栽30 d左右的轉(zhuǎn)基因煙草及其野生型的凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,GS)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular carbon dioxide concentration,Ci)和蒸騰速率(transpiration rate,Tr)。測(cè)定時(shí)間為09:00—17:00時(shí),每種類型選取3株,每次測(cè)定重復(fù)3次。光響應(yīng)曲線的測(cè)定參照呂典華等[14]的方法,使用儀器配備的紅、藍(lán)光源進(jìn)行測(cè)定。CO2濃度設(shè)置為 400μmol/mol,葉室內(nèi)光強(qiáng)設(shè)置為0,25,50,100,200,400,600,800,1 000,1 500,1 800,2 000μmol/(m2·s)等12個(gè)梯度。
光響應(yīng)曲線測(cè)定結(jié)果使用非直角雙曲線模型按下式進(jìn)行擬合[15]:
Pn(I)=
式中,Pn(I)為凈光合速率;I為光強(qiáng);α為初始斜率;θ為曲線曲率;Pnmax為凈光合速率最大值;Rd為植株的暗呼吸速率。
1.2.6葉綠素含量的測(cè)定
參照高俊鳳等[16]的測(cè)定方法并進(jìn)行部分改動(dòng)。選取所測(cè)樣本植株相同部位的葉片剪成1 mm左右葉絲,稱取葉片0.1 g放置于離心管中,加入體積比為1∶1的丙酮和乙醇混合溶液6 mL,黑暗條件下放置48 h,期間不時(shí)搖動(dòng)離心管直至葉片變白。利用BECKMAN DU 640型分光光度計(jì)測(cè)定浸提液在470,645 nm和663 nm波長(zhǎng)處的吸光值,3次重復(fù)。依據(jù)Arnon公式[17]計(jì)算光合色素濃度。
1.2.7統(tǒng)計(jì)分析
分別使用 Microsoft Excel軟件和SPSS軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的處理和顯著性分析。
對(duì)pSH-35 S-QPT和pSH-35 S-QPTi重組質(zhì)粒載體進(jìn)行PCR驗(yàn)證(圖2)。分別擴(kuò)增得到大小為750 bp和500 bp左右的特異性目的條帶,表明目的基因和干涉元件已成功連接到重組質(zhì)粒上。之后分別將重組質(zhì)粒導(dǎo)入農(nóng)桿菌LBA 4404,篩選陽性菌落用于后續(xù)的煙草遺傳轉(zhuǎn)化。
注:M為DL 2000 maker;C為pSH 737載體PCR鑒定;1為pSH-35 S-QPT載體PCR鑒定;2為pSH-35 S-QPTi載體PCR鑒定;N為陰性對(duì)照。圖2 植物表達(dá)載體pSH-35 S-QPT和pSH-35 S-QPTi 的PCR鑒定
通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的共轉(zhuǎn)化法分別將含有pSH-35 S-QPT和pSH-35 S-QPTi的農(nóng)桿菌菌液對(duì)煙草葉片進(jìn)行侵染。經(jīng)過共培養(yǎng)(圖3 A)和篩選培養(yǎng)(圖3 B)得到愈傷組織(圖3 C)之后,誘導(dǎo)產(chǎn)生抗性芽(圖3 D),將抗性芽轉(zhuǎn)入生根培養(yǎng)基進(jìn)行生根培養(yǎng)(圖3 E),最后將獲得的抗性植株移栽至含有營(yíng)養(yǎng)土的花盆中生長(zhǎng)(圖3 F)。分別提取野生型和轉(zhuǎn)基因煙草的基因組DNA,以QPT基因及其干涉片段的特異性引物分別進(jìn)行PCR擴(kuò)增,在轉(zhuǎn)化株系中分別擴(kuò)增出750 bp和500 bp左右大小的特異性目的條帶(圖4 B和圖4 D)。經(jīng)鑒定,最終分別獲得32株超量表達(dá)QPT基因煙草和31株干涉表達(dá)QPT基因煙草。
注:A、B為轉(zhuǎn)35 S-QPT基因煙草GUS組織化學(xué)染色和PCR鑒定;C、D為轉(zhuǎn)35 S∷QPTi基因煙草GUS組織化學(xué)染色和PCR鑒定;M為DL 5000 Maker;P為陽性對(duì)照;1~5陽性植株;N為陰性對(duì)照。圖4 轉(zhuǎn)基因煙草的鑒定
注:A~C分別為移栽20,40 d與60 d的煙草植株。圖5 轉(zhuǎn)基因與野生型煙草生長(zhǎng)狀況比較
分別對(duì)移栽后3個(gè)時(shí)期:團(tuán)顆期(移栽20 d),旺長(zhǎng)期(40 d)和成熟期(60 d)的轉(zhuǎn)基因煙草及同批繁殖的野生型進(jìn)行株高,莖圍,葉片數(shù),葉長(zhǎng),葉寬和葉面積等形態(tài)性狀測(cè)定(表1、表2和表3)。結(jié)果表明,不同生育期的超量表達(dá)QPT煙草和野生型煙草的各項(xiàng)形態(tài)性狀指標(biāo)差異未達(dá)到顯著水平;但移栽20 d時(shí),干涉表達(dá)QPT煙草的株高、莖圍、葉片數(shù)和葉面積指標(biāo)分別為14.26 cm、17.76 mm、13片和57.57 cm2,均顯著低于野生型植株;移栽40 d時(shí),干涉植株的株高、莖圍、葉片數(shù)分別比野生型低31.77%、27.51%和30.47%,差異均達(dá)到極顯著水平;移栽60 d時(shí),干涉植株的株高、莖圍、葉片數(shù)分別為野生型的71.69%、84.50%和78.63%,均顯著低于野生型植株。同時(shí),干涉煙草植株的花期出現(xiàn)推遲現(xiàn)象,其開花時(shí)間比超量表達(dá)QPT和野生型煙草晚10~15 d,推測(cè)QPT基因的干涉會(huì)影響煙草的生長(zhǎng)發(fā)育及開花期的延遲。
表1轉(zhuǎn)基因煙草和野生型移栽后20 d,40 d和60 d的農(nóng)藝性狀
時(shí)間(d)基因型 株高(cm)莖圍(mm) 葉片數(shù)葉長(zhǎng)(cm)葉寬(cm)葉面積(cm2)WT25.22±1.6128.48±2.3317.60±1.1417.06±0.4011.28±0.79122.25±11.3420QPT25.04±2.6728.17±2.3716.60±1.1417.28±1.3612.02±1.37132.58±24.42QPTi14.26±3.38??17.76±0.64??13.00±2.65??11.94±1.16??7.54±0.96??57.57±12.03??WT63.78±6.7937.00±1.1925.60±3.7821.28±0.8613.70±0.92185.28±19.0740QPT75.06±9.2442.42±4.0225.20±1.1023.96±2.4814.62±1.29222.26±30.33QPTi43.52±2.89??26.82±2.31??17.80±0.84??22.36±0.6514.70±1.78208.74±27.55WT76.30±3.1339.28±0.7926.20±1.7922.58±0.9313.92±1.18199.79±23.3260QPT81.22±7.5742.36±5.4326.80±2.7723.28±1.1615.64±1.35231.55±28.59QPTi54.70±2.46??33.19±1.88??20.60±1.14??23.14±1.4414.42±1.11211.42±16.11
注: N=5;p<0.01(**)。
圖6 轉(zhuǎn)基因煙草和野生型 Pn,Gs,Ci,Tr等光合特征指標(biāo)的日變化
分別對(duì)轉(zhuǎn)基因煙草及野生型光合特性指標(biāo)的日均值進(jìn)行分析。結(jié)果表明,超量表達(dá)QPT煙草與野生型在 Pn、Gs、Ci和Tr等指標(biāo)間的差異均未達(dá)到顯著水平,而干涉表達(dá)QPT煙草的Pn和Gs分別為10.59μmol/(m2·s)和0.266 mmol/(m2·s),均顯著低于野生型。從圖5中可以看出,超量表達(dá)植株和野生型的Pn的日變化均呈雙峰曲線,但是其峰值大小和出現(xiàn)時(shí)間各異。超量表達(dá)植株和野生型的第1個(gè)峰值均出現(xiàn)在12:00時(shí),分別為19.89μmol/(m2·s)和18.95μmol/(m2·s)。超量表達(dá)植株的第二峰值出現(xiàn)在14:00時(shí),為17.45μmol/(m2·s) ,比野生型早2 h。此外,兩者的光合“午休”持續(xù)時(shí)間也有一定的差異,超量表達(dá)植株的Pn在13:00時(shí)出現(xiàn)下降,1 h后即開始回升,比野生型的午休持續(xù)時(shí)間短。而干涉植株的Pn的日變化呈單峰曲線,其Pn在13:00時(shí)達(dá)到峰值12.78μmol/(m2·s)之后,即呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。超表達(dá)QPT和野生型煙草的Gs在 12:00時(shí)均出現(xiàn)下降趨勢(shì),推測(cè)與午間的強(qiáng)光和高溫導(dǎo)致的葉片氣孔關(guān)閉現(xiàn)象有關(guān)[18],但超表達(dá)植株在中午Gs的降幅要低于野生型。而QPT干涉煙草的峰值出現(xiàn)在13:00時(shí)和14:00時(shí),隨后呈下降趨勢(shì)。
由圖7可看出,當(dāng)光強(qiáng)在500μmol/(m2·s)以內(nèi)時(shí),三者的光合速率皆隨光強(qiáng)的增加而迅速增大;當(dāng)光強(qiáng)大于500μmol/(m2·s)時(shí),三者光合速率的增加皆趨于平緩,在達(dá)到各自的光飽和點(diǎn)(LCP)后接近穩(wěn)定。為進(jìn)一步研究植物的補(bǔ)償光強(qiáng)和飽和光強(qiáng),本研究以擬合曲線與直線y=Pnmax交點(diǎn)的x坐標(biāo)為光飽和點(diǎn)(LSP);弱光下的線性方程(Pn≤200μmol/(m2·s))與x坐標(biāo)軸交點(diǎn)的x坐標(biāo)即為光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)。
表2轉(zhuǎn)基因煙草和野生型光合生理日均值比較
基因型凈光合速率[μmol/(m2·s)]氣孔導(dǎo)度[mmol/(m2·s)]胞間CO2濃度[μmol/(m2·s)]蒸騰速率[mmol/(m2·s)]WT14.94±2.890.360±0.06289.81±19.746.91±2.47QPT16.02±3.100.394±0.05284.75±7.148.34±2.65QPTi10.59±1.40??0.266±0.06??282.81±12.996.52±2.52
注:N=3;p<0.01(**)。
表3轉(zhuǎn)基因煙草和野生型光合-光響應(yīng)模型參數(shù)
基因型表觀量子效率暗呼吸速率[μmol/(m2·s)]凈光合速率最大值[μmol/(m2·s)]光補(bǔ)償點(diǎn)[μmol/(m2·s)]光飽和點(diǎn)[μmol/(m2·s)]WT0.072±0.0163.564±1.36019.584±3.69165.864±21.3011432.408±50.296QPT0.073±0.0103.328±0.17121.082±1.43460.319±5.4521456.922±30.828QPTi0.088±0.0223.027±0.78911.699±2.055?62.564±4.8701377.842±10.300
注:N=3;p<0.05(*)。
圖8 轉(zhuǎn)基因煙草和野生型葉綠素和類胡蘿卜素含量
圖7 轉(zhuǎn)基因煙草和野生型擬合光合-光響應(yīng)曲線
從表3可以看出,轉(zhuǎn)基因煙草與野生型的最大凈光合速率之間的差異達(dá)到了顯著水平。其中轉(zhuǎn)35S∷QPTi基因煙草分別比野生型和轉(zhuǎn)35S∷QPT基因煙草低40.26%和44.51%,表明QPT基因干涉煙草對(duì)光合有效輻射的利用和適應(yīng)能力較低。轉(zhuǎn)基因煙草和野生型的表觀量子效率與暗呼吸速率差異均未達(dá)到顯著水平,說明三者的生理活性、光能利用效率并無顯著差異。三者分別達(dá)到光補(bǔ)償點(diǎn)的光照強(qiáng)度排序?yàn)镼PT 轉(zhuǎn)基因煙草及其野生型葉片光合色素含量測(cè)定結(jié)果表明,超量表達(dá)QPT基因煙草的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量分別比野生型高5.68%,16.33%和12.8%,但是其差異均未達(dá)到顯著水平。而干涉表達(dá)QPT基因煙草的葉綠素a含量比野生型低28.93%,類胡蘿卜素含量比野生型低27.2%,均顯著低于野生型。但其葉綠素b含量與野生型的差異未達(dá)到顯著水平。轉(zhuǎn)基因煙草葉片中光合色素含量的變化暗示,QPT基因的干涉可以影響煙草植株中葉綠素a、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素的含量,進(jìn)而影響植株的光合能力。 近年的研究表明,QPT不僅參與煙堿的生物合成與調(diào)控,同時(shí)也是NAD從頭合成途徑中的關(guān)鍵酶[4]。而NAD作為生物體中能量代謝和呼吸代謝的電子受體,參與了細(xì)胞內(nèi)的多種氧化還原反應(yīng)[19]。由此可見,QPT在植物體的初生代謝和次生代謝中都扮演著重要角色[6,20]。同時(shí),QPT通過吡啶核苷酸循環(huán)產(chǎn)生的多種重要衍生物如 NADP,NADPH,NAD和NADH等對(duì)于植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要[5,21]。 本研究以超量表達(dá)QPT和干涉表達(dá)QPT轉(zhuǎn)基因煙草為材料,研究QPT基因?qū)D(zhuǎn)基因植株形態(tài)特征,包括株高、莖圍、葉片數(shù)和葉面積等影響。發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期干涉煙草植株的株高、莖圍、葉片數(shù)等重要農(nóng)藝性狀均顯著低于野生型,其開花時(shí)間也出現(xiàn)了不同程度的延遲,說明QPT基因的干涉不僅影響煙草的正常生長(zhǎng)發(fā)育,還可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)基因煙草植株的開花時(shí)間。Piquemal等[22]和Hashida等[23]的研究表明,煙草和擬南芥中吡啶核苷酸類衍生物含量的下降會(huì)使植株出現(xiàn)矮化和節(jié)間發(fā)育遲緩等異常表型。而在本研究中,通過RNAi技術(shù)介導(dǎo)的QPT基因沉默煙草植株也表現(xiàn)出了相似的性狀,干涉植株的這種形態(tài)生理上的異常是否與其吡啶核苷酸類輔酶含量的變化有一定關(guān)系仍有待進(jìn)一步的研究。另一方面,對(duì)其光合能力進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)干涉植株的Pn和Gs均顯著低于野生型,這與Khan等[8]的研究結(jié)果一致。之后,測(cè)定轉(zhuǎn)基因煙草的光響應(yīng)曲線,發(fā)現(xiàn)干涉植株的最大凈光合速率顯著低于超量表達(dá)QPT基因煙草和野生型對(duì)照,說明干涉植株的C3碳反應(yīng)活性以及電子傳遞效率明顯低于野生型煙草[24]。相比于野生型,干涉煙草植株葉片的光合色素如葉綠素a、胡蘿卜素和總?cè)~綠素的含量也發(fā)生了明顯的降低,但其葉綠素b含量未發(fā)生明顯改變??紤]到光合作用是植物賴以維持生命及積累有機(jī)質(zhì)的重要途徑,而光合能力的水平是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素[25],推測(cè)干涉植株生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制的現(xiàn)象與其光合能力的下降有一定的相關(guān)性。計(jì)劃下一步對(duì)T1代干涉植株的形態(tài)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行觀察和測(cè)定,同時(shí)研究其光合相關(guān)基因的表達(dá)。 本研究發(fā)現(xiàn),煙草QPT基因的干涉表達(dá)可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因煙草植株出現(xiàn)矮化和花期延遲等現(xiàn)象,測(cè)定其光合特性及光合色素含量表明干涉植株的光合能力水平和光合色素含量皆出現(xiàn)顯著下降,為闡明QPT在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的作用及定向培育煙草新種質(zhì)提供一定參考。2.6 轉(zhuǎn)基因煙草葉綠素含量的測(cè)定
3 討論與結(jié)論