王 企,陳利娜,夏小叢,敬 丹,李好先,駱 翔,曹尚銀
(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 鄭州果樹研究所,河南 鄭州 450009)
核桃(JuglansregiaL.)為胡桃科(Juglandaceae)胡桃屬(Juglans)植物,是重要的木本油料樹種,是世界著名的“四大干果”之一,因其較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益,受到廣大消費(fèi)者的喜愛,在全球范圍內(nèi)廣泛種植[1-2]。核桃原產(chǎn)于我國(guó)華北、西北地區(qū),中南地區(qū)大部,華東地區(qū)北部以及四川和西藏東南等地區(qū)[3]。多數(shù)核桃品種具有雌雄異熟特性,先開雌花的稱為“雌先型”;先開雄花的稱為“雄先型”;雌雄同時(shí)開花的稱為“雌雄同熟型”[4]。雌雄異熟的開花進(jìn)程使得核桃的授粉率低,坐果率不高,質(zhì)量和產(chǎn)量下降。要想解決這一問題,就要從研究核桃開花機(jī)制上著手。相關(guān)研究表明,FLOWERINGLOCUST(FT)基因能夠在植物開花光周期反應(yīng)過(guò)程中控制植物的開花時(shí)間,是調(diào)節(jié)植物成花的重要基因之一[5],屬于PBEP家族基因的一員。FT基因編碼約含175氨基酸殘基的小分子量蛋白,稱為成花素[6]。FT蛋白的序列及結(jié)構(gòu)在不同植物種之間具有較高的保守性,其主要功能是調(diào)節(jié)植物成花[7]。對(duì)擬南芥(Arabidopsisthaliana)等模式植物開花的研究發(fā)現(xiàn),擬南芥FT基因是一個(gè)決定開花時(shí)間的基因,由光周期誘導(dǎo)的CO(CONSTANS)直接轉(zhuǎn)錄激活表達(dá),并在轉(zhuǎn)錄因子FLOWERINGLOCUSD(FD)的共同作用下激活開花特性基因AP1和LEAFY的表達(dá),促進(jìn)花的形成,在植物花發(fā)育中發(fā)揮著重要作用[8]。擬南芥中FT的超表達(dá)可使開花時(shí)間顯著提前,其編碼基因突變引起FT表達(dá)量降低則使開花時(shí)間推遲[9-10]。目前,已從多種植物如小麥[11]、雷竹[12]、荔枝[13]、山葡萄[14]、蘋果[15]、小黑楊[16]、小葉楊[17]、桑樹[18]、山核桃[19]、冬棗[20]、白樺[21]等中分離出FT的同源基因,并通過(guò)轉(zhuǎn)基因證明FT基因過(guò)量表達(dá)可促進(jìn)植物提早開花,其功能失活則會(huì)推遲開花[22]。但目前尚未有核桃FT基因的相關(guān)報(bào)道。本研究基于核桃花芽形態(tài)觀察,以兩個(gè)核桃品種(雌先型品種‘極早豐’、雄先型品種‘新早豐’)的3個(gè)時(shí)期(2月6日、3月21日、4月7日)的雌、雄花芽為試驗(yàn)材料,對(duì)核桃JrFT基因進(jìn)行了克隆研究與表達(dá)分析,旨在進(jìn)一步了解核桃雌雄異熟成花的分子機(jī)制,為研究核桃開花機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。
供試材料為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所新鄉(xiāng)實(shí)驗(yàn)基地干果實(shí)驗(yàn)田的兩個(gè)核桃品種(雌先型品種‘極早豐’、雄先型品種‘新早豐’)7年生植株,進(jìn)行常規(guī)管理栽培。從核桃參考基因組[23]下載核桃JrFT基因序列,設(shè)計(jì)引物,進(jìn)行熒光定量RT-PCR,并擴(kuò)增CDS序列。
1.2.1 總RNA提取及反轉(zhuǎn)錄cDNA 根據(jù)外部形態(tài)觀察,選擇雌先型品種‘極早豐’與雄先型品種‘新早豐’2月6日、3月21日及4月7日的雌、雄花芽為試材,用CTAB法[24]分別提取兩個(gè)核桃品種不同時(shí)期雌、雄花芽的總RNA,使用分光光度計(jì)檢測(cè)濃度及跑電泳檢測(cè)純度。用全式金反轉(zhuǎn)錄試劑盒將提取的RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA。以核桃18SrRNA作為內(nèi)參基因[25],設(shè)計(jì)引物(表1),進(jìn)行PCR擴(kuò)增,以檢驗(yàn)cDNA的質(zhì)量。
表1 引物設(shè)計(jì)及序列
注: N表示內(nèi)參引物; F表示上游引物; R表示下游引物; Y表示熒光定量PCR引物; K表示基因克隆引物。下劃線所標(biāo)區(qū)域表示雙酶切位點(diǎn)。
1.2.2 熒光定量PCR 對(duì)核桃雌先型品種‘極早豐’、雄先型品種‘新早豐’2月6日、3月21日及4月7日的雌、雄花芽JrFT基因的相對(duì)表達(dá)量進(jìn)行分析。使用Roche熒光定量試劑盒進(jìn)行熒光定量RT-PCR,分析3個(gè)不同時(shí)期核桃JrFT基因在兩個(gè)核桃品種雌、雄花芽中的差異表達(dá)。熒光定量RT-PCR及基因擴(kuò)增引物使用NCBI Primer Blast及Vector NTI軟件設(shè)計(jì),引物交由河南尚亞生物科技有限公司合成。計(jì)算方法采用2-ΔΔCT法[26]。使用SPSS軟件分析差異顯著性。
1.2.3 目的片段的擴(kuò)增與檢測(cè) 選擇JrFT基因作為目的基因進(jìn)行克隆。采用TransStart FastPfu Fly DNA Polymerase試劑盒及PCR擴(kuò)增技術(shù)擴(kuò)增JrFT基因, PCR反應(yīng)體系和反應(yīng)條件分別見表2和表3。使用2000 bp的DNA Marker與PCR產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行跑電泳,檢測(cè)是否擴(kuò)增得到目的條帶。
1.2.4 目的片段的回收與重組 使用天根普通瓊脂糖凝膠回收試劑盒進(jìn)行目的片段膠回收?;厥蘸笫褂萌浇餻EASY-Blunt Zero Cloning Kit將產(chǎn)物與T載體連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞。涂布在含有卡那霉素(kanamycin,10 μg/μL,50 μL/100 mL)的LB固體培養(yǎng)基平板上,涂板后放于37 ℃培養(yǎng)箱過(guò)夜培養(yǎng)。用10 μL槍頭挑取10個(gè)白色單克隆菌落,接于裝有750 μL含有卡那霉素的LB液體培養(yǎng)基的離心管中,放于37 ℃搖床上以225 r/min培養(yǎng)12 h;經(jīng)菌液PCR擴(kuò)增和電泳檢測(cè)后,選擇陽(yáng)性克隆送河南尚亞生物技術(shù)有限公司進(jìn)行測(cè)序。
表2 PCR反應(yīng)體系
表3 PCR反應(yīng)條件
1.2.5 目的片段測(cè)序分析及表達(dá)載體構(gòu)建 測(cè)序委托河南尚亞生物技術(shù)有限公司完成。挑選測(cè)序正確的菌液提取質(zhì)粒,將質(zhì)粒與PBI121-GUS空載體同時(shí)進(jìn)行雙酶切(Xba-Ⅰ與Sma-Ⅰ雙酶切);酶切后電泳驗(yàn)證條帶,用T4連接酶連接,放于PCR儀中在25 ℃下連接10 min;轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞,在37 ℃培養(yǎng)箱過(guò)夜培養(yǎng)菌落;挑菌后搖菌,菌液經(jīng)PCR后,選擇陽(yáng)性菌液測(cè)序。挑選測(cè)序正確的菌液提取質(zhì)粒,電泳驗(yàn)證條帶后,轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101,放于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24~36 h。挑選單克隆菌落于含有卡那霉素的LB液體培養(yǎng)基中,在28 ℃搖床上過(guò)夜搖菌,菌液渾濁后,以35S為上游引物做菌液PCR,跑電泳驗(yàn)證表達(dá)載體構(gòu)建成功與否。
1.2.6 目的片段的生物信息分析 利用NCBI BLAST對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行檢索,使用DNAMAN 8.0進(jìn)行序列分析和氨基酸翻譯,在NCBI上下載21種植物的FT同源基因及其所編碼的氨基酸序列,在Tair (http://www.arabidopsis.org)上下載擬南芥所有6個(gè)PEBP家族蛋白氨基酸序列,使用MEGA 7.0進(jìn)行多序列比對(duì)以及構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹;利用ProtParam在線軟件(http://web.expasy.org/protparam/)對(duì)21種植物的FT蛋白進(jìn)行分析,同時(shí)通過(guò)Protscale在線軟件(http://web.expasy.org/protscale/)分析核桃FT蛋白的親水性。
由圖2可知,JrFT基因在普通核桃雌先型‘極早豐’與雄先型‘新早豐’雌、雄花中均有表達(dá),在本試驗(yàn)的3個(gè)取樣時(shí)期,兩個(gè)核桃品種JrFT基因在雌、雄花芽中的表達(dá)模式相同,JrFT基因在雌先型品種‘極早豐’和雄先型品種‘新早豐’雌、雄花芽中的表達(dá)量有所差異。
在2月6日(時(shí)期Ⅰ),雄先型品種‘新早豐’雌花芽中JrFT基因的表達(dá)量極顯著(P<0.01)高于雌先型品種‘極早豐’的(圖1A),是雌先型品種‘極早豐’雄花芽的23倍;同樣JrFT基因在雄花芽的表達(dá)量與雌花芽中相似,雄先型品種‘新早豐’雄花芽中JrFT基因的表達(dá)量極顯著(P<0.01)高于雌先型品種‘極早豐’的(圖1B),是‘極早豐’雌花芽的60倍。
在3月21日(時(shí)期Ⅱ)與4月7日(時(shí)期Ⅲ),JrFT基因在兩個(gè)品種核桃雌、雄花芽中的表達(dá)量差異不大(圖1A~圖1B)。在這兩個(gè)時(shí)期,對(duì)雌花芽來(lái)說(shuō),JrFT基因在雌先型品種‘極早豐’雌花芽的表達(dá)量稍高于雄先型品種‘新早豐’,但并沒有出現(xiàn)顯著差異(圖1A)。對(duì)雄花芽來(lái)說(shuō),JrFT基因在雄先型品種‘新早豐’雄花芽的表達(dá)量稍高于雌先型品種‘極早豐’,但未出現(xiàn)顯著差異(圖1B)。
PCR產(chǎn)物經(jīng)跑電泳后,將其放于紫外分光光度儀與2000 bp的marker對(duì)比,發(fā)現(xiàn)得到了500 bp左右的特異性譜帶,且譜帶很亮(圖2A)。連接T載體轉(zhuǎn)化后,挑取單克隆進(jìn)行菌液PCR,跑電泳發(fā)現(xiàn)得到約500 bp的特異性譜帶(圖2B)。測(cè)序正確后提取質(zhì)粒,與PBI121-GUS載體同時(shí)進(jìn)行X-ba Ⅰ及S-ma Ⅰ雙酶位點(diǎn)酶切,電泳驗(yàn)證得到500 bp左右的條帶(圖2C)。回收質(zhì)粒后與PBI121-GUS載體連接,15000 bp的marker跑電泳得到明顯的條帶(圖2D)。轉(zhuǎn)化GV3101農(nóng)桿菌,菌液PCR后電泳得到500 bp左右的條帶(圖2E)。
A、B分別為兩個(gè)核桃品種的雌、雄花芽;時(shí)期Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別代表取樣日期為2月6日、3月20日及4月7日;“**”表示顯著性差異(P<0.01)。
圖1 兩個(gè)核桃品種雌、雄花芽JrFT基因在3個(gè)時(shí)期的表達(dá)量
2.3.1 序列分析 測(cè)序結(jié)果表明,從核桃花芽中克隆獲得的片段長(zhǎng)度為525 bp,編碼174個(gè)氨基酸(圖3)。在NCBI上進(jìn)行BLAST,發(fā)現(xiàn)該片段與其他多種植物FT同源基因的相似性在80%以上(圖4)。通過(guò)DNAMAN 8.0對(duì)多個(gè)物種的FT蛋白氨基酸序列進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)均含有1個(gè)高度保守的PEBP蛋白結(jié)構(gòu)域(圖5)。其中,克隆目的片段預(yù)測(cè)編碼氨基酸序列與擬南芥FT蛋白氨基酸序列的相似性為75.74%,由此確認(rèn)克隆所得片段為FT基因在核桃中的同源基因,并命名為JrFT基因。序列比對(duì)分析發(fā)現(xiàn),核桃JrFT蛋白氨基酸序列與歐洲栓皮櫟QsFT蛋白氨基酸序列的相似性為93.06%,與光皮樺BlFT蛋白和歐洲山毛櫸FsFT蛋白氨基酸序列的相似性均為91.33%,與白樺BpFT蛋白氨基酸序列的相似性為90.75%,與黑楊PnFT蛋白氨基酸序列的相似性為88.44%,與胡楊PeFT蛋白氨基酸序列的相似性為84.39%,與擬南芥AtFT蛋白氨基酸序列的相似性為75.74%。
A為核桃花芽JrFT基因特異片段擴(kuò)增產(chǎn)物電泳圖;B為T載體轉(zhuǎn)化菌液PCR電泳圖;C為雙酶切產(chǎn)物電泳圖;D為表達(dá)PBI121-GUS載體電泳圖;E為農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化菌液電泳圖;M1為2000 bp DNA marker;M2為15000 bp DNA marker。
圖2 構(gòu)建表達(dá)載體的電泳圖
2.3.2 基因系統(tǒng)進(jìn)化分析 將核桃JrFT基因編碼的氨基酸序列與擬南芥PEBP家族基因編碼的氨基酸序列進(jìn)行序列進(jìn)化分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)核桃JrFT蛋白與擬南芥FT和TSF基因的親緣性最近(圖6)。同時(shí)與其他植物FT基因編碼的氨基酸序列進(jìn)行序列進(jìn)化分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)核桃JrFT蛋白與歐洲栓皮櫟QsFT蛋白的親緣性最近,與棗ZjFT蛋白、哥倫比亞錦葵HuFT蛋白、光皮樺BlFT蛋白及白樺BpFT蛋白的親緣關(guān)系較近(圖7)。
核桃JrFT基因共編碼174個(gè)氨基酸,如圖8所示,纈氨酸(V)、精氨酸(R)和甘氨酸(L)在JrFT基因編碼的氨基酸中所占比例居前3位,分別達(dá)10.9%、9.8%和8.6%。JrFT蛋白的等電點(diǎn)為6.73,分子量為19576.13,含有19個(gè)帶負(fù)電荷的氨基酸殘基數(shù)(Asp+Glu)、19個(gè)帶正電荷的氨基酸殘基數(shù)(Arg+Lys),其分子式為C872H1350N250O255S5,總原子數(shù)為2732。當(dāng)全部Cys形成為胱氨酸時(shí),其消光系數(shù)為1.101;當(dāng)不能形成胱氨酸時(shí)其消光系數(shù)為1.095。其親水性總平均值為-0.328。
圖3 核桃JrFT的CDS全長(zhǎng)以及所編碼的氨基酸序列
圖4 核桃JrFT與其它FT同源基因編碼的氨基酸序列比對(duì)
圖5 核桃JrFT蛋白結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)
其余20種植物FT蛋白的不穩(wěn)定指數(shù)、脂肪族氨基酸指數(shù)和親水性總平均值如表4所示,其中龍眼的脂肪族氨基酸指數(shù)最低,為72.70;水稻的脂肪族氨基酸指數(shù)最高,為87.26;核桃的脂肪族氨基酸指數(shù)居中位。不穩(wěn)定指數(shù)最低的是核桃,最高的是擬南芥,表明核桃與其他植物相比較為穩(wěn)定。本研究中多種植物FT蛋白的親水性總平均值為負(fù)值,其中菠蘿的親水性最低,而黑楊的親水性最高,核桃位居中位。上述結(jié)果均表明植物FT蛋白為親水性的脂溶性蛋白質(zhì)。
通過(guò)Hphob./Kyte&Doolittle方法對(duì)核桃JrFT基因編碼蛋白序列的疏水性進(jìn)行分析,結(jié)果如圖9所示,該蛋白為親水性蛋白,與理化性質(zhì)中的預(yù)測(cè)結(jié)果一致。第156個(gè)氨基酸(V)的得分最高,為1.884;第141個(gè)氨基酸(F)的得分最低,為-2.422;大多數(shù)氨基酸的得分為負(fù)值。上述結(jié)果表明核桃JrFT基因編碼的多肽鏈為親水性蛋白。
圖6 核桃JrFT與擬南芥PEBP家族蛋白氨基酸序列進(jìn)化分析
圖7 核桃JrFT與其它植物FT蛋白氨基酸序列進(jìn)化分析
圖8 核桃JrFT基因編碼蛋白氨基酸的組成成分
現(xiàn)有的研究結(jié)果表明FT基因在植物開花過(guò)程中起著重要作用。FT基因作為高等植物開花信號(hào)調(diào)控中一個(gè)重要的整合因子,它通過(guò)調(diào)控花原基特異性基因的表達(dá)來(lái)啟動(dòng)花原基的分化。目前,對(duì)于核桃屬植物雌雄異熟開花機(jī)制的研究不夠深入,僅進(jìn)行了核桃或山核桃一些開花基因同源基因如MADs-box[27-28]、LEAFY[29-32]、AP1[33]、FLC[34-35]等的初步研究。本研究利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)研究了核桃JrFT基因在2個(gè)普通核桃品種不同時(shí)期雌、雄花中的差異表達(dá),結(jié)果表明,核桃JrFT基因在普通核桃雄先型與雌先型品種3個(gè)時(shí)期的雌、雄花中均有表達(dá),且表達(dá)量有明顯的差異。此研究結(jié)果與溫騰健等[36]在新疆核桃上的研究結(jié)果一致。
表4 不同植物FT蛋白的信息
圖9 核桃JrFT蛋白的疏/親水性分析結(jié)果
JrFT基因在核桃雌先型品種‘極早豐’與雄先型品種‘新早豐’的雌、雄花中都有表達(dá),且表達(dá)量有所差異,表明JrFT基因在核桃開花過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。這與徐維華等[37]研究山葡萄得出的結(jié)果“VvFT基因在山葡萄雌花和雄花中都有表達(dá)”一致。在本研究中,在2月6日,JrFT基因在雄先型品種‘新早豐’雌、雄花芽中的表達(dá)量均高于雌先型品種‘極早豐’,鑒于雌先型品種‘極早豐’的雌花先于雄先型品種‘新早豐’開放,而雄先型品種‘新早豐’的雄花先于雌先型品種‘極早豐’開放,可能JrFT基因在開始階段對(duì)核桃雌花開放具有一定的抑制作用,可能在核桃花發(fā)育過(guò)程中對(duì)雄花具有更明顯的促進(jìn)作用。陳芳芳等在山核桃CcFT基因的研究中指出該基因可能在誘導(dǎo)雄花芽的形成中起關(guān)鍵作用;山核桃于4月上旬開始展葉后,葉片接受光信號(hào)可能引起CO的表達(dá),并促進(jìn)FT的表達(dá),從而啟動(dòng)雄花芽的分化[19]。本研究發(fā)現(xiàn),在3月21日與4月7日,JrFT基因在雄先型品種‘新早豐’雌花芽中的表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2月6日在雌花芽中的表達(dá)量,這可能說(shuō)明JrFT基因在雌花芽后續(xù)開放過(guò)程中的抑制作用逐漸減小。相較于雄先型品種‘新早豐’,雌先型品種‘極早豐’在3個(gè)時(shí)期的JrFT表達(dá)量均很低,可能其雌花芽受到JrFT基因的抑制作用小,因此雌花先于雄先型‘新早豐’開放。而對(duì)于3月21日與4月7日的雄花芽,雌先型品種‘極早豐’JrFT的表達(dá)量稍高于雄先型‘新早豐’,可能JrFT逐漸開始表達(dá),從而促進(jìn)了雄花芽的開放。
克隆所獲得的核桃JrFT基因序列經(jīng)過(guò)測(cè)序及生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn),與其他植物的FT同源基因具有極高的相似性,與多種木本植物FT同源基因的相似性達(dá)到80%以上,說(shuō)明該基因的保守性較高,即可通過(guò)較高同源性的基因推導(dǎo)該基因的功能。同時(shí)核桃JrFT蛋白和其他植物FT蛋白在氨基酸序列和蛋白結(jié)構(gòu)上具有高度的相似性,其中與幾個(gè)木本植物FT蛋白的同源性高達(dá)90%以上。這一結(jié)果與陳芳芳等[19]在對(duì)山核桃CcFT基因的克隆與分析中得出的結(jié)論一致。
用NCBI Conserved domains CD-Search對(duì)核桃JrFT蛋白氨基酸序列的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)其含有高度保守的PEBP蛋白結(jié)構(gòu)域。與擬南芥6個(gè)PEBP家族蛋白氨基酸序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),核桃JrFT蛋白與擬南芥FT與TSF蛋白的親緣關(guān)系最近。多物種FT蛋白氨基酸序列系統(tǒng)發(fā)育樹結(jié)果表明,核桃JrFT蛋白與歐洲栓皮櫟QsFT蛋白的親緣關(guān)系最近,與棗ZjFT蛋白的親緣關(guān)系較近,與擬南芥FT等蛋白的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。通過(guò)觀察核桃JrFT轉(zhuǎn)化模式植物擬南芥的表型能初步驗(yàn)證JrFT基因的功能。朱燕宇[17]通過(guò)將小葉楊PsFT基因轉(zhuǎn)化擬南芥和煙草,發(fā)現(xiàn)PsFT基因能使擬南芥和煙草提早開花。丁峰[13]通過(guò)將荔枝LcFT基因轉(zhuǎn)化煙草,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草顯著提早開花。
FT基因在整個(gè)植物開花調(diào)控路徑中起著至關(guān)重要的作用,同時(shí)也密切影響著其他開花基因。但到目前為止,核桃JrFT基因在核桃開花進(jìn)程中對(duì)于雌、雄花芽具體如何行使功能,還未能有一個(gè)準(zhǔn)確的定論,仍需進(jìn)一步的探究。
本研究克隆獲得的核桃JrFT基因的CDS序列長(zhǎng)度為525 bp,編碼174個(gè)氨基酸,含有高度保守的PEBP蛋白結(jié)構(gòu)域,其編碼產(chǎn)物為一種親水性的脂溶性蛋白質(zhì),且與其他植物FT同源蛋白相似性高。JrFT基因在核桃雌先型與雄先型雌、雄花芽中都有表達(dá),但表達(dá)模式不同。在同一時(shí)期JrFT基因在核桃雌先型與雄先型雌、雄花芽中的表達(dá)量有所差異。在研究的3個(gè)時(shí)期(2月6日、3月21日及4月7日),JrFT基因在雌花芽中的表達(dá)模式是雄先型品種先高于雌先型品種,然后低于雌先型品種;在雄花芽中的表達(dá)模式是雄先型品種一直高于雌先型品種。因此JrFT基因可能在核桃開花進(jìn)程中起到關(guān)鍵作用,且可能對(duì)雄花開放有一定的促進(jìn)作用。