徐孝蘭,許忠平,郭小平
(華中農(nóng)業(yè)大學植物與科學技術(shù)學院/作物遺傳改良國家重點實驗室,湖北武漢430070)
油酸屬于單不飽和脂肪酸,高油酸食用油可降低人體血液中有害的低密度脂蛋白,防止動脈硬化[1];避免有害的反式脂肪酸的產(chǎn)生[2];氧化穩(wěn)定性較高,氧化產(chǎn)物少,可延長植物油產(chǎn)品保質(zhì)期[3]。
△12-脂肪酸去飽和酶(△12 Fatty acid desaturase,F(xiàn)AD)是膜結(jié)合蛋白,屬于脂酰脂去飽和酶類,可在單不飽和脂肪酸第12 和13 位碳原子之間引入1個雙鍵,催化油酸向亞油酸的生物轉(zhuǎn)換,是植物產(chǎn)生多不飽和脂肪酸的關(guān)鍵酶[4]。FAD2 屬于△12-脂肪酸去飽和酶中的一種。目前,在棉花中FAD2 基因根據(jù)其位點和表達模式分為4種類型,即FAD2-1,F(xiàn)AD2-2,F(xiàn)AD2-3 和FAD2-4。其中,F(xiàn)AD2-1 在種子中特異表達[5]。近年來,獲得高油酸含量的油料作物成為研究熱點。在大豆上,通過轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶(Transcription activator-like effector nuclease,TALEN)技術(shù)對FAD2-1 兩條同源基因進行誘變,有3個FAD2-1 突變株系可穩(wěn)定遺傳到下一代;在突變純合的植株中,種子的脂肪酸組成發(fā)生顯著變化,油酸從20%增加到80%,亞油酸從50%減少到4%以下[6]。Jiang等[7]利用CRISPR/Cas9 技術(shù)敲除亞麻薺(Camelina sativa)的FAD2 基因,成功提高了亞麻籽油酸含量,將亞麻籽的油酸含量從16%提高到50%以上,亞油酸從16%降低至4%以下,亞麻酸從35%降低至10%以下。棉籽作為棉花生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品,生產(chǎn)量約是纖維的1.6 倍,總產(chǎn)量巨大[8-9]。若能在保證棉花纖維產(chǎn)量和品質(zhì)不受影響,也不增加耕地面積的前提下,提高棉籽中油酸的含量,對改善我國棉籽油的品質(zhì)具有重要意義。本研究選擇控制油酸向亞油酸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵基因GhFAD2-1,構(gòu)建RNA 干擾(RNA interference,RNAi)載體[10],轉(zhuǎn)化棉花,并通過對其后代多年多點種植,驗證遺傳穩(wěn)定性,以期創(chuàng)造能夠穩(wěn)定遺傳的高油酸、低亞油酸棉花種質(zhì)。
1.1.1材料與試劑。以陸地棉(Gossypium hirsutumL.)豫早1號(YZ1)為轉(zhuǎn)化受體。
植物基因組DNA 提取試劑盒、總RNA 提取試劑盒、快速小提質(zhì)粒試劑盒購自天根生化科技(北京)有限公司;限制性內(nèi)切酶購自NEB 公司;TA 連接反應(yīng)試劑購自TRANGEN BIOTECH 公司;常規(guī)PCR 試劑購自TRANGEN BIOTECH 公司;RNA 反轉(zhuǎn)錄試劑購自PROMEGA 公司;qRT-PCR 試劑購自BIO-RAD 公司。脂肪酸提取所用試劑: 色譜級正己烷、甲醇均購自SIGMA公司。PCR 引物由北京擎科生物技術(shù)有限公司合成。
1.1.2菌株與載體。大腸桿菌菌株Top10 和DB3.1 以及農(nóng)桿菌菌株EHA105 由本實驗室提供和保存。TA 克隆載體為pGEM-T Easy;干涉載體為pHellsgate4;載體由本實驗室改造、提供和保存。
1.2.1目的基因檢索。在NCBI 上查找陸地棉FAD2-1(GenBank:HQ259410.1)的序列。
1.2.2目的基因的生物信息學分析。利用ExPASy-ProtParam(https://web.expasy.org/protparam/)預(yù)測目標基因蛋白的理化性質(zhì)。利用TMHMM(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)網(wǎng)站預(yù)測目的基因蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域。利用CDD(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)分析目標基因蛋白的功能結(jié)構(gòu)域。
1.2.3引物設(shè)計。BLAST 比對GhFAD2-1的保守區(qū)域,利用Primer Premier 5 軟件設(shè)計特異性引物,引物長度15~30 bp,GC 含量在40%~60%;合成引物FAD2-1F:5’-ACGTTTCGGGTCGATACTATGA-3’和FAD2-1R:5’-TCGTTGAGAAGAGGTGATGAGC -3’,擴增GhFAD2-1基因部分序列,用于構(gòu)建干涉載體pHellsgate4-FAD2-1。
1.2.4干涉載體的構(gòu)建。取YZ1的30 d 胚珠,于液氮中研磨成粉末,提取RNA,測定濃度與質(zhì)量,反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA。以YZ1的cDNA 為模板,引物FAD2-1F 和FAD2-1R 擴增GhFAD2-1基因部分序列。PCR 體系為:cDNA 模板10 ng、Easy taq 0.2 μL、10×buffer 2 μL、dNTP 0.3 μL、FAD2-1F/FAD2-1R 10 μmol-10.2 μL,ddH2O 補充至總體積20 μL。PCR 反應(yīng)條件為:95 ℃5 min,95 ℃30 s,55 ℃30 s,72 ℃40 s,28個循環(huán)(從第二步開始循環(huán)),72 ℃10 min,15 ℃5 min?;厥债a(chǎn)物,TA 克隆將PCR 片段鏈接至pGEM-T Easy 載體,熱激轉(zhuǎn)化大腸桿菌Top10,經(jīng)陽性鑒定后,挑選陽性克隆送武漢天一輝遠生物科技有限公司測序。擴增片段為381 bp,測序結(jié)果利用BioEdit 和DNAMAN V6 軟件與已知序列進行對比作圖(圖2),挑選正確序列的菌液,提質(zhì)粒。
合成帶有attB 接頭的引物,上游引物B-F:5’-GGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCTTTACGTTTCGGGTCGATACTATGA -3’,下游引物B-R:5’-GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTTTCGTTGAGAAGAGGTGATGAGC-3’,以正確序列的質(zhì)粒為模板進行PCR,獲得所需的含有attB 接頭的目的片段,回收,將目的片段連接到干涉表達載體pHellsgate4 上。連接反應(yīng)體系: 目的片段1.0 μL、pHellsgate 41.0 μL、TE buffer 2.0 μL、BP 酶1.0 μL。將反應(yīng)后的重組載體,轉(zhuǎn)入到大腸桿菌Top10 中,以35s 啟動子堿基序列設(shè)計的引物作為上游引物35s-F:5’-TTGATGTGACATCTCCACTGACGTAA-3’,以YFAD2-1-R 為下游引物鑒定陽性,YFAD2-1-R:5’-ACAAGGAAGGCATTCACAATAAGTAGAGG-3’。PCR 反應(yīng)條件為:95 ℃5 min,95℃30 s,58 ℃30 s,72 ℃40 s,30個循環(huán)(從第二步開始循環(huán)),72 ℃10 min,15 ℃5 min。PCR 陽性的菌液提取質(zhì)粒,分別用XbaⅠ和XhoⅠ單酶切。XhoⅠ/XbaⅠ0.4 μL、BSA 0.5 μL、Cutsmart 4×Buffer 2 μL、BP 質(zhì)粒8 μL,ddH2O 補充至總體積20 μL。酶切驗證完成后獲得RNA 干涉載體。
1.2.5遺傳轉(zhuǎn)化。將上述獲得的RNA 干涉載體質(zhì)粒轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌EHA105,用農(nóng)桿菌侵染YZ1 下胚軸共培養(yǎng)36~48 h,經(jīng)過篩選培養(yǎng)、分化成胚及誘導成苗獲得轉(zhuǎn)基因植株。
1.2.6轉(zhuǎn)基因植株的陽性鑒定。取幼嫩葉片提取DNA,利用2 對引物,NPTⅡ-F:5’-TTGTCACTGAAGCGGGAAGG-3’ 和NPTⅡ-R:5’-CGATACCGTAAAGCACGAGGAA-3’、35s-F 和YFAD2-1R 對轉(zhuǎn)基因植株進行陽性鑒定,擴增出目的條帶的為轉(zhuǎn)基因陽性植株。
1.2.7Southern blotting 檢測。取幼嫩葉片,用植物基因組DNA 提取試劑盒精提棉花DNA,并進行濃度及質(zhì)量檢測,擴增NPTⅡ的部分序列為探針,標記,應(yīng)用地高辛(DIG)試劑盒,對陽性植株進行Southern 雜交,檢測拷貝數(shù)。
1.2.8轉(zhuǎn)基因植株實時熒光定量PCR。取陸地棉“YZ1”T4轉(zhuǎn)基因植株30 d 胚珠的cDNA 進行實時熒光定量PCR 分析。以GhUB7 為內(nèi)標基因,引物為UB7-QRT-F 和UB7-QRT-R。目的基因引物為FAD2-QRT-F:5’-AGGATGCCAGTTGACGGTATAA -3’ 和FAD2-QRT-R:5’-TAGGAGAAGGATCGAAGGAGGG-3’。熒光定量PCR體系為:100×cDNA 7 μL、SybrGreen-mix(BIOBAD 公司)7.5 μL、Primer F/R 10 μmol-10.25 μL。反應(yīng)條件:95 ℃30 s,1個循環(huán);95 ℃5 s,60 ℃35 s,40 循環(huán)。
1.2.9種子含油量與脂肪酸含量測定。將濃硫酸脫絨后的成熟種子晾曬2~3 d,取飽滿的種子用核磁共振分析儀測量含油量。用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)測定種子脂肪酸含量。
1.2.10農(nóng)藝性狀及纖維品質(zhì)考察。在植株吐絮后期測定農(nóng)藝性狀,包括始果枝節(jié)位(自子葉節(jié)起由下而上數(shù)計第一果枝著生節(jié)位數(shù))、果枝數(shù)(自第一果枝節(jié)位(計為1)至植株頂端果枝的數(shù)目)、葉枝數(shù)(自第一葉枝節(jié)位(計為1)至植株頂端之間的葉枝數(shù)目)、有效鈴數(shù)(鈴的直徑大于20 mm)、株高(從子葉節(jié)起至主莖生長點的高度)、平均單鈴籽棉重(隨機取的20個中部吐絮鈴的總籽棉重/20)、平均單鈴皮棉重(隨機取的20個中部吐絮鈴的總皮棉重/20)、衣分(皮棉重量占單位籽棉重量的百分比);每個株系取自交的中部鈴,每份材料準備10 g 皮樣測定纖維品質(zhì),測定包括上半部平均長度、長度整齊度指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強度4個主要指標。
1.2.11數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。利用GraphPad Prism 7.00 軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。
根據(jù)ExPASy-ProtParam 預(yù)測,GhFAD2-1 編碼385個氨基酸,分子量43.99 kD,等電點為8.87。運用TMHMM 預(yù)測FAD2-1的跨膜結(jié)構(gòu)域,它包含6個假定的跨膜結(jié)構(gòu)域(圖1),這與FAD2 屬于膜結(jié)合蛋白相印證[4]。用CDD 在線工具分析FAD2-1蛋白的功能結(jié)構(gòu)域,分析表明,F(xiàn)AD2-1 是一類含有Delta12-FADS-like 保守結(jié)構(gòu)域的蛋白,屬于Membrane-FADS-like superfamily。
圖1 GhFAD2-1 跨膜結(jié)構(gòu)域的預(yù)測Fig.1 Prediction of GhFAD2-1 transmembrane domain
在NCBI 上獲取陸地棉GhFAD2-1(Gen-Bank:HQ259410.1)的序列,設(shè)計特異性引物,PCR 擴增GhFAD2-1的保守片段FAD2-1,381 bp,TA 克隆,送單克隆測序,測序結(jié)果表明該片段與GhFAD2-1(GenBank:HQ259410.1)序列一致。序列比對結(jié)果如圖2。
合成BP 引物,以上步驟克隆得到的FAD2-1為模板進行PCR 反應(yīng),得到帶有BP 接頭的FAD2-1 片段,利用Gateway 技術(shù)將帶有BP 接頭的FAD2-1 序列構(gòu)建入pHellsgate4(kan+)干涉表達載體中,如圖3。載體連接成功后,再進行PCR驗證和雙酶切驗證,獲得GhFAD2-1 干涉載體。
圖2 FAD2-1 保守片段序列比對Fig.2 The alignment of FAD2-1 conservative sequence
圖3 GhFAD2-1 干涉載體構(gòu)建示意圖Fig.3 Schematic diagram of GhFAD2-1 interference vector construction
將GhFAD2-1 干涉載體在棉花上進行遺傳轉(zhuǎn)化,共獲得GhFAD2-1的T0轉(zhuǎn)基因陽性植株16 株,提取轉(zhuǎn)基因T0植株的DNA,進行PCR 陽性檢測,選擇后續(xù)試驗有穩(wěn)定表型的兩個株系FAD-5 和FAD-11 進行展示(圖4),A 為標記基因NPTⅡ鑒定結(jié)果,B 為目的基因鑒定結(jié)果。
圖4 T0 轉(zhuǎn)基因植株陽性檢測Fig.4 Positive detection of T0 generation
選取部分T4植株,以陽性鑒定擴增的NPT-Ⅱ基因部分序列為探針,檢測轉(zhuǎn)基因植株的拷貝數(shù)。Southern Blot 結(jié)果如圖5,F(xiàn)AD-5 為2個拷貝,F(xiàn)AD-11 為3個拷貝。
圖5 轉(zhuǎn)基因植株T4 Southern BlotFig.5 Southern Blot of transgenic plants of T4 generation
取T4轉(zhuǎn)基因植株的30 d 胚珠,于液氮中研磨成粉末,提取RNA,測定濃度與質(zhì)量,反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA,利用實時熒光定量PCR 技術(shù)檢測Gh-FAD2-1的表達量(圖6)。FAD-5 與野生型植株(Wild Type,WT)相比,F(xiàn)AD-11 與陰性對照植株(Null,F(xiàn)AD-11 轉(zhuǎn)基因株系分離的陰性植株)相比,GhFAD2-1基因在胚珠中的表達量顯著低于對照(P<0.01)(后續(xù)野生型植株稱為對照1(CK1);FAD-11的陰性對照植株稱為對照2(CK2)。
圖6 轉(zhuǎn)基因植株表達量Fig.6 Relative expression level of transgenic plants
利用GC-MS 測定轉(zhuǎn)基因株系FAD-5、FAD-11的T2、T3、T4成熟種子的脂肪酸含量,以各個脂肪酸占所有脂肪酸的百分比來表示。結(jié)果如表1,轉(zhuǎn)基因株系FAD-5 與CK1 相比油酸提高25.63 ~40.74 百分點、亞油酸含量降低21.56~36.27 百分點,F(xiàn)AD-11 與CK2 相比油酸含量升高20.9~29.11 百分點,亞油酸含量降低17.67~25.98 百分點。在高世代(T4)種植于武漢(W)地區(qū)的轉(zhuǎn)基因株系FAD-5 將油酸從18.18%提高到58.92%,提高了224.1%,將亞油酸從51.54%降低到15.27%,降低了237.5%。種植于鄂州(E)的轉(zhuǎn)基因植株與武漢具有相似的表型,說明轉(zhuǎn)基因植株高油酸低亞油酸表型較穩(wěn)定,基本不受環(huán)境的影響。綜上所述,F(xiàn)AD-5 和FAD-11與CK1 和CK2 相比油酸含量升高,亞油酸含量下降,并且能夠穩(wěn)定遺傳給下一代。
除了油酸與亞油酸的變化,棕櫚酸的變化也呈現(xiàn)了一定的規(guī)律,F(xiàn)AD-5 和FAD-11 與CK1 和CK2 相比棕櫚酸含量降低。在T3,F(xiàn)AD-5、FAD-11的棕櫚酸分別下降了2.98 百分點、2.70 百分點(P<0.01)。種植于湖北武漢(W)和種植于鄂州(E)的T4,F(xiàn)AD-5、FAD-11的棕櫚酸含量均表現(xiàn)下降(P<0.01)。這與前人的研究所得出的結(jié)論相似[6,11]。
表1 棉花種子脂肪酸相對含量Table 1 Relative content of fatty acids in cotton seeds %
T4轉(zhuǎn)基因植株的百粒重及含油量結(jié)果列于表2,材料分別種植于武漢(W)和鄂州(E)兩個地點。種植于武漢的FAD-5 株系種子含油量和百粒重比CK1 低(P<0.01),F(xiàn)AD-11 含油量高于CK2、百粒重低于CK2(P<0.01)。種植于鄂州的植株,F(xiàn)AD-5的含油量低于CK1(P<0.01),但百粒重與CK1 差別不大;FAD-11的含油量及百粒重與CK2 相差不大。綜上,種植于不同地區(qū)的植株在百粒重及含油量方面沒有顯著的變化規(guī)律,這可能與百粒重及含油量受環(huán)境影響較大有關(guān)。
在棉花吐絮期對分別種植于武漢和鄂州的T4植株進行農(nóng)藝性狀考察,包括始果枝節(jié)位、果枝數(shù)、葉枝數(shù)、有效鈴數(shù)、株高、平均單鈴籽棉重、平均單鈴皮棉重、衣分,測量樣本為每個株系隨機選擇5 株長勢一致的植株。結(jié)果如表3,種植地點對植株的農(nóng)藝性狀有一定的影響,種植于鄂州的植株普遍比種植于武漢的植株高,始果枝節(jié)位大,單鈴籽棉與皮棉輕;但種植于同一地點的植株的整體水平基本一致。種植于武漢的FAD-5 和FAD-11 植株有效鈴數(shù)多于CK1和CK2,種植于鄂州的則相反,但差異未達顯著水平;整體來看,F(xiàn)AD-5 和FAD-11 與CK1 和CK2 相比,所考察的農(nóng)藝性狀沒有顯著的差異,說明在干涉目的基因的情況下不影響植株的農(nóng)藝性狀。
表2 轉(zhuǎn)基因植株種子性狀Table 2 Seed traits of transgenic plants
對分別種植于武漢(W)和鄂州(E)的T4轉(zhuǎn)基因植株進行纖維品質(zhì)測定。每個株系取自交的中部鈴,每份材料準備10 g 皮樣測定纖維品質(zhì),測定包括上半部平均長度、長度整齊度指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強度4個主要指標(表4),轉(zhuǎn)基因植株、陰性植株與WT 纖維屬于中短絨,整齊度較高,馬克隆值屬于C 級,斷裂比強度較低;轉(zhuǎn)基因植株FAD-5 和FAD-11 與CK1 和CK2 間無顯著性差異,說明在提高油酸含量、降低亞油酸含量的情況下,植株的纖維品質(zhì)不受影響。
△12-脂肪酸去飽和酶(FAD)是控制生物體內(nèi)油酸向亞油酸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶,研究FAD2的表達模式及功能對調(diào)控油料作物油酸的積累具有重要的作用。本研究利用RNA 技術(shù),使得轉(zhuǎn)基因棉花FAD2-1基因表達量下降,油酸大量積累,亞油酸大量減少,將油酸含量從18.18%提高到58.92%,亞油酸含量從51.54% 降低到15.27%;這與前人在擬南芥中的研究[12-13]基本一致。在提高種子油酸降低亞油酸含量的同時,硬脂酸含量基本不變;大部分植株的棕櫚酸含量下降,具體生化機理有待進一步研究。
表3 轉(zhuǎn)基因植株農(nóng)藝性狀Table 3 The agronomic traits of transgenic plants
表4 轉(zhuǎn)基因植株纖維品質(zhì)Table 4 Fiber quality of transgenic plants
有研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)AD2的突變或沉默會影響植物的營養(yǎng)生長與生殖生長,如營養(yǎng)體生長緩慢、花蕾死亡、結(jié)實率低、不耐冷等[14],使得產(chǎn)量變低;本研究中,改變了棉花體內(nèi)的脂肪酸組分比例,轉(zhuǎn)基因棉花生長過程中,未見營養(yǎng)生長與生殖生長發(fā)生明顯變化。在改善脂肪酸成分的同時,考察了GhFAD2-1 轉(zhuǎn)基因植株的農(nóng)藝性狀、纖維品質(zhì),發(fā)現(xiàn)在干涉目的基因的情況下不影響棉花植株的農(nóng)藝性狀、纖維品質(zhì)。至于不飽和脂肪酸組分改變與生物和非生物脅迫的關(guān)系值得進一步探索。
本研究利用Southern 雜交技術(shù)來鑒定轉(zhuǎn)基因植株的拷貝數(shù),從結(jié)果來看,轉(zhuǎn)基因株系含2~3個拷貝,可能是由于侵染時菌液的濃度高、侵染的時間過長、共培養(yǎng)時間過長導致的。通常發(fā)生1~2個外源基因整合事件的植株是具有高表達水平的轉(zhuǎn)基因植株,整合拷貝較高會引起轉(zhuǎn)基因的低表達和不穩(wěn)定表達,甚至引起轉(zhuǎn)基因沉默[15]。本研究中,3個拷貝的FAD-11 株系的高油酸低亞油酸表型表現(xiàn)沒有2個拷貝的FAD-5 株系好,可能是由于整合拷貝數(shù)較多對外源基因的表達造成了影響,或者是外源基因在基因組中的整合方式影響了基因的表達。因此有必要將多拷貝轉(zhuǎn)基因品系與野生型受體進行雜交,分離出單拷貝品系,既有利于明確基因干涉的效應(yīng),也有利于在育種中的應(yīng)用。
本研究以陸地棉為模板克隆了GhFAD2-1基因保守序列,cDNA 序列全長381 bp,編碼127個氨基酸;構(gòu)建了GhFAD2-1基因的RNAi載體并利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法在棉花上進行遺傳轉(zhuǎn)化,獲得了后代表型較好的2個株系,分別是2個拷貝的FAD-5 及3個拷貝的FAD-11。通過對GhFAD2-1 轉(zhuǎn)基因植株連續(xù)三代(T2~T4,T4多點種植)脂肪酸的測定,發(fā)現(xiàn)干涉GhFAD2-1 能夠有效改善棉籽油脂肪酸的組成并且能夠?qū)⒏哂退?、低亞油酸的表型穩(wěn)定遺傳給后代;轉(zhuǎn)基因株系可將棉花種子油酸提高224.1%,將亞油酸降低237.5%;同時轉(zhuǎn)基因未對植株的農(nóng)藝性狀、纖維品質(zhì)產(chǎn)生明顯改變。本研究為培育高油酸棉花品種提供一定的幫助。