單強(qiáng)強(qiáng),陽文龍,李英潔,劉冬成, 孫家柱,張愛民,程西永
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 河南鄭州 450002; 2.植物細(xì)胞與染色體工程國家重點實驗室, 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所, 北京 100101)
WOX(WUSCHEL-relatedhomeobox)家族基因在植物胚胎發(fā)生、干細(xì)胞維護(hù)和根的形成等關(guān)鍵發(fā)育過程中起著重要作用[1],其編碼蛋白是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子,是同源異型結(jié)構(gòu)域(Homeodomain, HD)蛋白Homeobox(HOX)超家族中的一員[2]。典型的HD包括60個氨基酸殘基,組成helix 1 -loop-helix2-turn-helix3的空間結(jié)構(gòu),起到與特異DNA序列結(jié)合的作用[3]。WOX蛋白家族的HD含有65個氨基酸殘基(WUS為66個),屬于含有額外氨基酸殘基的非典型的HD[4],HD下游還含有其他功能元件[5]。系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn),WOX家族可分為3支:WUS支/進(jìn)化支、中間支和古老支,WUS支成員WUS-box起始氨基酸為T-L,古老支和中間支起始氨基酸并不固定[5]。古老支的WOX成員只存在低等植物中,中間支在維管植物中開始出現(xiàn),進(jìn)化支的WOX成員僅存在高等植物中,其含有特異的WUS盒(T-L-X-L-F-P-X-X,其中X代表任何一個氨基酸),表明中間支和進(jìn)化支可能是經(jīng)過古老支成員復(fù)制和分化形成的[6]。自1996年Laux等克隆得到了WUS基因以來,很多物種都已克隆到WOX家族基因;如擬南芥中有15個,水稻中有13個,玉米中有21個被鑒定[7-8]。擬南芥中,WUS支/進(jìn)化支包括WUS和WOX1-WOX7,中間支包括WOX8、WOX9、WOX11和WOX12,古老支包括WOX10、WOX13和WOX14[5]。WUS和WOX5分別在莖尖分生組織(SAM)和根尖分生組織(RAM)的中心細(xì)胞中表達(dá),具有維持干細(xì)胞分裂的功能[3,9-10]。此外,WUS還參與調(diào)控胚珠和花藥的發(fā)育[11-12]。WUS蛋白不僅可以作為抑制因子,而且在調(diào)控AG基因時起到了活化劑的作用[6]。研究表明,WUS/PGA6可能通過促進(jìn)營養(yǎng)生長向胚胎發(fā)生的轉(zhuǎn)變或維持胚胎干細(xì)胞的屬性從而對胚胎發(fā)育起著重要作用[13]。WOX2和WOX8、WOX9均在合子中表達(dá),與胚胎早期頂—基部分的形成相關(guān)[14]。WOX3/PRS1(PRESSED FLOWER1)主要在分生組織的外圍進(jìn)行表達(dá),對營養(yǎng)時期和生殖時期干細(xì)胞的表達(dá)調(diào)控有重要作用[15]。AtWOX4參與SAM和RAM中維管束的形成與發(fā)育[16]。AtWOX5在根尖不活動中心特異表達(dá)[5],主要控制擬南芥RAM的活性[17]。WOX6/PFS2主要在胚珠中表達(dá)并調(diào)節(jié)胚珠的發(fā)育,在珠被和卵細(xì)胞的形成過程中防止細(xì)胞的提前分化[18],WOX6可以影響冷脅迫的應(yīng)答[19]。WOX13、WOX14在根部及花藥表達(dá),并且受到嚴(yán)格調(diào)控,具有防止提前分化的功能[20]。
水稻W(wǎng)OX基因的表達(dá)模式和功能與擬南芥的WOX基因存在一定的差異,如OsWUS主要在幼苗時期的葉原基表達(dá),特別是葉原基頂端,另外也在莖尖分生組織以及花序原基中表達(dá),說明單子葉植物的水稻和雙子葉植物的擬南芥WUS基因的表達(dá)模式出現(xiàn)了分化[21];AtWOX4與微管分生組織發(fā)育相關(guān)[16],但其同源基因OsWOX4在微管豐富的葉片和根中沒有檢測到明顯的表達(dá)信號[22],說明該基因在擬南芥和水稻的功能上存在一定程度的分化。
目前,小麥的WOX基因只克隆到2個成員:TaWOX2和TaWOX5s(包括TaWOX5a,TaWOX5b,TaWOX5c),TaWOX2主要在種子發(fā)育過程中表達(dá),TaWOX5s主要在小麥根和愈傷組織中表達(dá),它們的染色體定位和具體功能還不清楚[23]。烏拉爾圖小麥?zhǔn)瞧胀ㄐ←?A 基因組的原始二倍體供體種,也是普通小麥進(jìn)化的基礎(chǔ)性基因組,對普通小麥的發(fā)展和進(jìn)化起著核心作用[24]。伴隨著小麥 A 基因組測序的完成,烏拉爾圖小麥因為具有基因組相對較小、遺傳背景簡單、遺傳多樣性高等優(yōu)點而成為打破小麥研究瓶頸的新的切入點。因此,本研究以烏拉爾圖小麥為研究對象,以已知的水稻和擬南芥的WOX基因編碼蛋白搜索烏拉爾圖小麥的基因組數(shù)據(jù)庫,獲得候選WOX基因家族的蛋白序列、cDNA序列和DNA序列,對烏拉爾圖小麥中WOX基因進(jìn)行同源克隆,并進(jìn)行生物信息學(xué)分析、組織特異性和非生物逆境脅迫的表達(dá)分析,初步明確烏拉爾圖小麥WOX家族基因的組成類別、系統(tǒng)發(fā)生情況,以及在不同組織和不同逆境脅迫下的表達(dá)特性,以期為深入研究小麥WOX基因家族的結(jié)構(gòu)、功能和表達(dá)調(diào)控模式等提供參考。
供試材料為已進(jìn)行基因組測序的烏拉爾圖小麥(Triticumurartu)材料G1812,將其種植于 22 ℃、16 h光照/8 h黑暗的溫室條件下,生長兩周,取部分葉片用于DNA的提取;其余材料分別做以下處理:100 μmol·L-1ABA處理;置于 4 ℃冰箱進(jìn)行低溫處理;室溫條件下自然脫水處理;用200 mmol·L-1NaCl進(jìn)行高鹽脅迫處理。所有處理均為3 h;以未處理幼苗為對照,3次重復(fù)。采集各處理幼苗的葉片,液氮速凍,置于超低溫冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
2013年9月底,播種烏拉爾圖小麥于中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所北京昌平實驗農(nóng)場;于2014年5月,烏拉爾圖小麥長至抽穗期,采集根、莖、旗葉和幼穗,液氮速凍,保存于超低溫冰箱用于RNA提取。
用CTAB法提取生長2周的烏拉爾圖小麥幼苗葉片的基因組DNA,用紫外分光光度計及0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的濃度和質(zhì)量,將DNA濃度調(diào)整為100 ng·μL-1。以其為模板,用WOX基因特異引物(表1)進(jìn)行PCR,反應(yīng)體系與程序參考LA Taq polymerase說明書,其中循環(huán)數(shù)為40,退火溫度為57 ℃,延伸時間為 2 min 30 s。
PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳分離后,切下目的DNA片段,用TIAN gel DNA Purification Kit(天根,北京)回收目的片段,用pGEM-T Easy載體連接試劑盒(Promega,美國)進(jìn)行連接。連接產(chǎn)物采用熱激法轉(zhuǎn)化大腸桿菌,用菌落PCR篩選含有目的片段的陽性克隆,然后送至北京博邁德基因技術(shù)有限公司進(jìn)行測序。
用RNeasy Plant Mini Kit(QIAGEN,德國)按照試劑盒說明書提取烏拉爾圖小麥材料的總RNA,用紫外分光光度計和1%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA的濃度和完整性。用FastQuant RT Kit (With gDNase)(天根,北京)進(jìn)行cDNA第一鏈的合成,具體操作按試劑盒說明書進(jìn)行。
用DNAMAN Version 8和DNASTAR Lasergene v7.1對測序結(jié)果進(jìn)行序列拼接和比對分析,用NCBI-CDD(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Structure/cdd/docs/cdd_search.html)分析氨基酸序列的保守結(jié)構(gòu)域,用ExPASy-ProtParam tool在線分析工具(http://web.expasy.org/protparam/)分析氨基酸序列的理化性質(zhì),用CBS-TMHMM Server v. 2.0(http://www.cbs.dtu.dk/ services/TMHMM/)進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測,用GenScript-PSORT(https://www.genscript.com/psort.html)進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測,用CBS-SignalP 4.1 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)進(jìn)行信號肽預(yù)測。用GSDS2.0(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)進(jìn)行基因結(jié)構(gòu)分析,用Clustal W(www.ebi.ac.uk/clustalw)或者DNASTAR Lasergene v7.1的Megalign進(jìn)行蛋白序列比對分析,用MEGA6進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。
以上述合成的cDNA為模板,用WOX基因特異引物(表1),以小麥Ta4045(ubiquinol-cytochrome C reductase iron-sulfur subunit)基因為內(nèi)參基因,用實時熒光定量PCR(qRT-PCR)技術(shù)在Roche LightCycler 480 system(Roche,美國)參照LightCycler 480 SYBR Green 1 Master Kit(Roche,美國)說明書進(jìn)行WOX基因的表達(dá) 分析。
表1 WOX基因克隆和定量表達(dá)分析所用引物Table 1 Primers used for WOX gene cloning and qRT-PCR
用已知的水稻和擬南芥WOX基因編碼蛋白序列,搜索小麥二倍體祖先種烏拉爾圖小麥的基因組數(shù)據(jù)庫,獲得候選WOX基因的蛋白序列、cDNA和基因組DNA序列。根據(jù)獲得的候選序列分別設(shè)計特異引物(表1),以烏拉爾圖小麥基因組DNA為模板進(jìn)行PCR,克隆得到6個基因,擴(kuò)增長度分別為3 642、2 042、3 069、2 976、3 354和1 320 bp,包括部分5′和3′UTR和完整的CDS序列。用NCBI-CDD對其編碼氨基酸序列的保守結(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)6個基因的編碼氨基酸都含有與水稻、擬南芥及二穗短柄草高度相似的保守結(jié)構(gòu)域(圖1,圖2),說明從烏拉爾圖小麥中成功克隆得到6個WOX家族基因,分別命名為TuWOX1、TuWOX2、TuWOX3、TuWOX4、TuWOX5和TuWOX3a,并對這6個基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析。
圖1 TuWOX蛋白的氨基酸序列保守結(jié)構(gòu)域Fig.1 Conserved domain of the deduced amino acid sequences of TuWOXs
將6個烏拉爾圖小麥TuWOX基因與水稻的13個WOX基因、擬南芥的15個WOX基因以及二穗短柄草的7個WOX基因同源異型結(jié)構(gòu)域序列進(jìn)行多重比對(圖2),發(fā)現(xiàn)這四種植物WOX基因的同源異型結(jié)構(gòu)域中保守氨基酸位點的分布非常相似。已有研究表明,同源異型結(jié)構(gòu)域中存在著幾個保守的氨基酸位點,例如螺旋1(helixl)中的Q、L和Y,螺旋3(helix3)中的V、W、F、N[25]。在本研究中,我們發(fā)現(xiàn)WOX蛋白同源異型結(jié)構(gòu)域中存在著其他的保守氨基酸殘基,包括螺旋1(helixl)中的R、W、P,螺旋2(helix2)中的P、I和L,螺旋3(helix3)中的Y、F、Q和N,以及轉(zhuǎn)角(turn)中的 G。同時發(fā)現(xiàn),在環(huán)(loop)中存在可變的氨基酸殘基,而之前也有報道說明在一些非典型同源異型結(jié)構(gòu)域蛋白的同源異型結(jié)構(gòu)的環(huán)和轉(zhuǎn)角區(qū)域存在額外的氨基酸殘基[3,26-27]。
理化性質(zhì)分析結(jié)果(表2)表明,6個基因所編碼的蛋白質(zhì)的不穩(wěn)定性指數(shù)和脂溶指數(shù)均大于50,總平均疏水性指數(shù)均為負(fù)值,故而都是不穩(wěn)定的親水性脂溶蛋白,其中TuWOX2和TuWOX3a的等電點大于9,且堿性氨基酸殘基數(shù)遠(yuǎn)大于酸性氨基酸殘基數(shù),為堿性蛋白??缒そY(jié)構(gòu)預(yù)測分析發(fā)現(xiàn),6個蛋白均不存在跨膜結(jié)構(gòu)域,屬于非跨膜蛋白類。亞細(xì)胞定位預(yù)測結(jié)果表明,除TuWOX1定位于線粒體外,其余5個蛋白均定位于核內(nèi)。信號肽預(yù)測結(jié)果表明,6個蛋白均不含信號肽?;蚪Y(jié)構(gòu)分析結(jié)果(圖3)表明,除TuWOX3a沒有內(nèi)含子外,其他5個基因分別含有7、2、1、3和1個內(nèi)含子。
為研究烏拉爾圖小麥WOX基因的進(jìn)化關(guān)系,用MEGA6軟件對6個烏拉爾圖小麥WOX蛋白序列進(jìn)行了N-J (Neighbor-Joining)和L(Maximun-Likehood)兩種方法的系統(tǒng)發(fā)生分析,發(fā)現(xiàn)兩種方法構(gòu)建的進(jìn)化樹在整體上具有非常相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),僅少部分節(jié)點有所區(qū)別。因此,以N-J法構(gòu)建的進(jìn)化樹(圖4)為例進(jìn)行烏拉爾圖小麥WOX基因編碼蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化分析,發(fā)現(xiàn)TuWOX3a、TuWOX2和TuWOX3聚在了一支,TuWOX4和TuWOX5分別聚在了另外兩支,而TuWOX1為單獨一支。前人研究認(rèn)為擬南芥WOX蛋白大致可以分為三個系統(tǒng)進(jìn)化支,分別為包括WUS、WOX1、WOX2、WOX3、WOX4、WOX5、WOX6和WOX7的WUS支,包括WOX8、WOX9、WOX11和WOX12的中間支,以及包括WOX10、WOX13和WOX14的古老支[5-6]。因此,TuWOX3a、TuWOX2和TuWOX3屬于WUS支,TuWOX4屬于古老支,TuWOX5屬于中間支,除了這三個分支外,TuWOX1自成一支,說明在烏拉爾圖小麥中可能出現(xiàn)了不同功能的WOX家族基因。
At:擬南芥;Bd:二穗短柄草;Os:水稻;Tu:烏拉爾圖小麥。
At:Arabidopsisthaliana; Bd:Brachypodiumdistachyon; Os:Oryza sativa; Tu:Triticumurartu.
圖2 WOX蛋白同源異型結(jié)構(gòu)域的比對分析
圖3 TuWOX基因結(jié)構(gòu)分析Fig.3 Structure of TuWOX genes
2.3.1TuWOX基因的組織表達(dá)模式分析
為研究6個TuWOX基因在組織中的表達(dá)模式,本研究設(shè)計了基因特異引物,對烏拉爾圖小麥抽穗期的幼穗、莖、旗葉和根進(jìn)行qRT-PCR。結(jié)果(表3)表明,TuWOX基因在各個組織中均為組成性表達(dá),但在不同組織中的表達(dá)量有差異,其中,TuWOX1、TuWOX3、TuWOX4、TuWOX5和TuWOX3a均在根中表達(dá)量最高,TuWOX2在莖中的表達(dá)量最高,說明其在調(diào)控植物生長的過程中所起到的作用及參與的機(jī)制可能不同。另外,TuWOX4在根、莖、葉、穗中的表達(dá)水平均較高,TuWOX1在根和葉中的表達(dá)水平較高,其余基因在各組織中的表達(dá)量均很低。同時,這6個基因在穗中的相對表達(dá)都較低,表明WOX家族基因可能對穗的生長發(fā)育作用不大,或沒有直接作用。
表3 TuWOX基因在不同組織中的表達(dá)量Table 3 Expression profiles of the TuWOX genes in different tissues
表中同一列數(shù)據(jù)后的不同大寫字母表示不同組織之間的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。
The different captain letters following the values represent the expression difference in different tissues are highly significant (P<0.01).
圖4 烏拉爾圖小麥TuWOX與其他植物的WOX蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.4 Phylogenetic analysis of TuWOXs and WOX proteins from other plants
2.3.2 不同脅迫條件下TuWOX基因的表達(dá) 分析
對烏拉爾圖小麥6個TuWOX基因在ABA、低溫、干旱和高鹽脅迫條件下的表達(dá)水平進(jìn)行了分析,結(jié)果(表4)表明,TuWOX1在低溫脅迫下表達(dá)量有所增加,而在干旱及高鹽條件下表達(dá)量顯著降低;TuWOX2在四種脅迫條件下,表達(dá)量均顯著降低;TuWOX3在低溫和干旱脅迫條件下表達(dá)量都顯著增加;TuWOX4在干旱脅迫下表達(dá)量顯著增加,而在低溫、高鹽及ABA處理下表達(dá)量顯著降低;TuWOX5及TuWOX3a在植株體內(nèi)表達(dá)水平較低,TuWOX5在四種脅迫條件下,表達(dá)量均降低;TuWOX3a在低溫、干旱和高鹽條件下表達(dá)量顯著降低。
表4 TuWOX基因在不同脅迫條件下的表達(dá)模式Table 4 Expression profiles of the TuWOX genes under different stresses
表中同一列數(shù)據(jù)后的不同大寫字母表示不同處理之間的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。
The different captain letters following the values represent the expression difference in different treatments are highly significant(P<0.01).
本研究通過同源克隆,獲得6個烏拉爾圖小麥WOX家族基因,分別命名為TuWOX1、TuWOX2、TuWOX3、TuWOX4、TuWOX5和TuWOX3a。它們都具有一個同源異性結(jié)構(gòu)域,通過同源異性結(jié)構(gòu)域的分析可以確定這6個基因?qū)儆赪OX基因家族。
系統(tǒng)發(fā)育分析表明,TuWOX2與OsWOX4及AtWOX4親緣關(guān)系最近。表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn),TuWOX2在根部的表達(dá)量較高。據(jù)報道,擬南芥AtWOX4基因主要參與SAM與RAM維管束的發(fā)育與形成,并且AtWOX14在調(diào)節(jié)維管細(xì)胞分裂上與AtWOX4具有冗余的功能[28]。突變體研究發(fā)現(xiàn)TDIF-TDR-WOX4信號在擬南芥次生生長過程中的維管分生組織的維持具有重要角色[29]。推測TuWOX2也可能具有類似的功能。
TuWOX3與水稻中親緣關(guān)系最近的是OsWOX9,與擬南芥中AtWOX5、AtWOX7關(guān)系較近,屬于WUS支/進(jìn)化支。擬南芥中WUS支除了AtWOX7沒有WUS盒外,其他都具有WUS盒,在烏拉爾圖小麥中克隆的這6個基因中,TuWOX2、TuWOX3a、TuWOX3屬于WUS支,都具有WUS盒。將這6個基因與小麥中已克隆的TaWOX2和TaWOX5比對分析發(fā)現(xiàn),這6個基因與TaWOX2的親緣關(guān)系較遠(yuǎn),而TuWOX3與TaWOX5同源性最高,氨基酸序列一致性達(dá)98%。TaWOX2主要在種子發(fā)育過程中表達(dá),而TaWOX5主要在根和愈傷組織中表達(dá)[23],TuWOX3在根和莖中的表達(dá)量較高,表明TuWOX3可能具有類似TaWOX5的功能。在擬南芥的發(fā)育中,AtWOX5在根尖不活動中心特異表達(dá)[5],WOX5與WUS在根干細(xì)胞調(diào)節(jié)中的功能可以互相改變[9];玉米(Zeamays)中根的發(fā)育與ZmWOX5基因的表達(dá)密切相關(guān)。玉米基因組中含有兩個WOX5同源基因ZmWOX5A和ZmWOX5B。ZmWOX5B基因在根端靜止中心表達(dá),被認(rèn)為是與擬南芥WOX5基因同源的基因。ZmWOX5B基因最早被發(fā)現(xiàn)在原胚維管化的胚柄細(xì)胞上層的胚的中部區(qū)域表達(dá),而此時,ZmWOX5A基因早已在胚的近軸一側(cè)表達(dá)。在胚胎發(fā)育的后期,ZmWOX5B基因則集中于根的靜止中心處的細(xì)胞中表達(dá)。本研究克隆的烏拉爾圖小麥TuWOX3在根和莖中的表達(dá)量較高,說明TuWOX3有可能在這些組織中具有一定的功能。
TuWOX5與水稻中OsWOX11親緣關(guān)系較近,屬于中間支。水稻OsWOX11基因在SAM和RAM中表達(dá),它的功能是控制不定根的形成,并主要作為一個生長素和細(xì)胞分裂素的響應(yīng)因子[29]。TuWOX5的主要表達(dá)部位是根部,推測TuWOX5可能也起著相似的功能。
TuWOX4與AtWOX13、OsWOX8同屬于古老支,推測在功能上可能也有著相似的作用。在擬南芥中,WOX13和WOX14在主根和側(cè)根以及花藥中表達(dá),它們具有防止提前分化的功能[20],AtWOX13功能缺失突變體表現(xiàn)出胚座框變小的表型[30]。對TuWOX4的表達(dá)模式研究也發(fā)現(xiàn),TuWOX4在根中的表達(dá)量相對其他組織較高。
TuWOX3a與OsWOX2親緣關(guān)系最近,與OsWOX3及AtWOX3屬于同一個子進(jìn)化支,OsWOX2基因主要在水稻幼嫩組織中細(xì)胞分裂旺盛的區(qū)域表達(dá),在發(fā)育早期的胚、莖端分生組織和根端分生組織干細(xì)胞以外區(qū)域、葉原基、莖居間分生組織及幼嫩花器官中均檢測到OsWOX2基因mRNA的大量積累,當(dāng)器官逐漸發(fā)育成熟,OsWOX2基因的表達(dá)水平則逐漸降低。OsWOX2基因抑制表達(dá)影響了水稻植株葉片的形態(tài)發(fā)生,促進(jìn)了水稻莖居間分生組織的活動,且抑制了花器官的正常發(fā)育過程[29]。OsWOX3在分生組織及葉原基中表達(dá),并且調(diào)控葉片的發(fā)育,RNAi干擾的植株葉片呈現(xiàn)卷曲表型,OsWOX3超量表達(dá)的水稻植株中,葉片變寬[31]。TuWOX3a主要在根及葉中表達(dá),推測TuWOX3a對根與葉片的發(fā)育是有一定作用的。
TuWOX1與擬南芥、水稻中所報道的WOX基因親緣關(guān)系較遠(yuǎn),推測TuWOX1可能在小麥中功能出現(xiàn)了較大分化,從TuWOX1在不同組織的表達(dá)分析中可以看出,TuWOX1在根和葉中表達(dá)量較高,而在莖和穗中表達(dá)量較低,表明TuWOX1可能在根與葉中發(fā)揮了一定的作用,其具體功能需要進(jìn)一步的研究。