李靜雯,厚毅清,陳 軍,朱天地
(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)研究所,蘭州 730070)
維持胞內(nèi)離子和pH穩(wěn)態(tài)對(duì)細(xì)胞的活動(dòng)和功能至關(guān)重要[1-2]。已有研究表明,植物Na+、 K+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(NHX)對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡和調(diào)節(jié)pH平衡具有重要作用,并在各種細(xì)胞過程中扮演重要角色,包括逆境響應(yīng)、膜微囊運(yùn)輸、蛋白存貯、細(xì)胞生長、滲透調(diào)節(jié)、Na+和 K+離子運(yùn)輸及生長與發(fā)育等生理生化過程[3-7]。NHX是一類跨膜反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,屬于一價(jià)陽離子/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(cation/proton antiporter,CPA)基因家族中的CPA1亞家族,生化活性是將Na+或K+與質(zhì)子(H+)進(jìn)行跨膜反向轉(zhuǎn)運(yùn),在酵母、細(xì)菌、植物和動(dòng)物等生物體內(nèi)廣泛存在[8-9]。
植物NHX基因家族分為三類,即質(zhì)膜NHXs,液胞NHXs和內(nèi)膜NHXs。模式植物擬南芥中NHX基因家族包含8個(gè)成員,其中質(zhì)膜NHXs(AtNHX7/SOS1、AtNHX8)、液胞NHXs(AtNHX1-4)研究的相對(duì)較早,且對(duì)AtNHX7/SOS1的調(diào)節(jié)機(jī)制研究最為清楚[10-15]。擬南芥內(nèi)膜AtNHX5和AtNHX6基因編碼的反向轉(zhuǎn)運(yùn)體定位在高爾基、反面高爾基體管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(TGN)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)和液胞前體(PVC)[4,16-17]。有研究表明,AtNHX5既能抑制酵母突變體nhx1對(duì)潮霉素和鹽脅迫的敏感性,又能增加對(duì)Li+的耐受性,在擬南芥中內(nèi)膜NHXs調(diào)節(jié)胞內(nèi)和內(nèi)膜系統(tǒng)內(nèi)的pH及離子平衡[16],影響囊泡運(yùn)輸和蛋白存貯[18-20],并通過調(diào)節(jié)生長素影響植株生長和發(fā)育[3-4],這些結(jié)果說明,與擬南芥質(zhì)膜和液胞NHXs而言,內(nèi)膜NHXs具有獨(dú)立功能,是NHX家族的重要組成部分。目前對(duì)擬南芥AtNHX5的亞細(xì)胞定位、功能已進(jìn)行初步研究,但對(duì)其啟動(dòng)子及組織表達(dá)模式的研究較少,基于此,本研究克隆AtNHX5基因啟動(dòng)子并進(jìn)行序列分析,通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的花序浸染法轉(zhuǎn)化擬南芥,并利用GUS染色檢測(cè)研究AtNHX5基因在植株不同組織中的表達(dá)特性。 以期探明AtNHX5在擬南芥幼苗和成株各組織內(nèi)的表達(dá)強(qiáng)弱情況,為進(jìn)一步探尋AtNHX5在離子轉(zhuǎn)運(yùn)和pH調(diào)節(jié)中的作用和調(diào)控機(jī)制提供依據(jù)。
野生型擬南芥(Arabidopsisthaliana)為Col-0 。所用植物材料生長室溫21 ℃,光強(qiáng)100 μmol/(m2·s),光周期為16 h/8 h(光照/黑暗),相對(duì)濕度50 %± 10 %。無菌材料培養(yǎng),先用φ=20 %的次氯酸鈉將種子表面消毒13 min,再用無菌蒸餾水漂洗6次,然后點(diǎn)種在含有10 g/L瓊脂,pH 5.8的MS固體培養(yǎng)基中,置于4 ℃冷藏箱中暗處春化3 d后轉(zhuǎn)入溫室萌發(fā)生長。需完成整個(gè)生長周期的材料,在萌發(fā)生長7 d后移入營養(yǎng)土內(nèi),置于溫室內(nèi)培養(yǎng)。
所用大腸桿菌DH5α和農(nóng)桿菌GV3101,均由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所遺傳工程實(shí)驗(yàn)室保存提供。所用植物表達(dá)載體為pCAMBIA1391。
試驗(yàn)所用各引物序列見表1,引物序列利用軟件Primer Premier 5設(shè)計(jì)。
表1 試驗(yàn)所用引物序列Table 1 Primers used in experiment
注:引物PRNHX5-F和PRNH5-R下劃線序列分別為SalⅠ和EcoRⅠ酶切位點(diǎn)。
Note:Underline sequences of PRNHX5-F and PRNH5-R wereSalⅠ andEcoRⅠrestricyion sites,respectively.
以野生型擬南芥Col-0為材料,用生工植物基因組提取試劑盒從中提取擬南芥基因組DNA。根據(jù)TAIR網(wǎng)站公布的擬南芥基因組數(shù)據(jù),選取AtNHX5基因開放閱讀框(ORF)上游1 807 bp啟動(dòng)子序列,運(yùn)用引物設(shè)計(jì)軟件Primer Premier 5設(shè)計(jì)特異性引物PRNHX5-F和PRNHX5-R,并根據(jù)表達(dá)載體和啟動(dòng)子序列內(nèi)酶切位點(diǎn)在引物5′端分別添加SalⅠ和EcoRⅠ酶切位點(diǎn)及保護(hù)堿基,引物序列由華大基因公司合成。以獲得的擬南芥基因組DNA為模板,用高保真酶進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增后的PCR產(chǎn)物經(jīng)10 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后切膠回收并純化。
利用PlantCARE(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)在線軟件對(duì)AtNHX5基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)前1 807 bp的啟動(dòng)子序列進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)順式作用元件。
用NEB的SalⅠ和EcoRⅠ限制性內(nèi)切酶分別雙酶切表達(dá)載體pCAMBIA1391質(zhì)粒和PCR產(chǎn)物,并回收目的片段。利用promage公司T4連接酶將回收的PCR目的產(chǎn)物構(gòu)建到表達(dá)載體pCAMBIA1391上并轉(zhuǎn)入大腸桿菌擴(kuò)增,獲得GUS(β-半乳糖苷酶)表達(dá)載體pCAMBIA1391-proNHX5-GUS。經(jīng)PCR擴(kuò)增、酶切及測(cè)序鑒定正確的表達(dá)載體轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌GV3101。農(nóng)桿菌在YEP固體培養(yǎng)基培養(yǎng),YEP培養(yǎng)基成分為: 5 g/L牛肉膏,1 g/L酵母提取物,5 g/L蛋白胨,5 g/L蔗糖,4 g/L MgSO4·7H2O,15 g/L瓊脂,pH 7.4。通過PCR鑒定獲得轉(zhuǎn)入成功的農(nóng)桿菌菌株,并通過花序浸染法轉(zhuǎn)染到野生型擬南芥中[21]。轉(zhuǎn)基因材料在含有50 mg/L的潮霉素(Hygromycin B)的MS培養(yǎng)板上進(jìn)行篩選,選用啟動(dòng)子測(cè)序所用正向引物C-PRNHX5-F2和GUS基因內(nèi)特異反向引物GUS-R對(duì)抗性篩選獲得株系進(jìn)行PCR鑒定,以便確定所選株系中存在融合目的基因序列。獲得的第3代轉(zhuǎn)基因植株的3個(gè)獨(dú)立的純合體株系用于GUS染色分析。
選用生長在MS培養(yǎng)基上的整株幼苗和盆栽成熟植株的不同組織進(jìn)行GUS組織化學(xué)檢測(cè)分析。選取的材料浸透在染色液(100 mmol/L 磷酸緩沖液, pH 7.0,1.9 mmol/L 5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-葡萄糖苷酸, 0.5 mmol/L 鐵氰化鉀, 0.5 mmol/L亞鐵氰化鉀,φ=0.1% Triton X-100,10 mmol/L EDTA 和φ=20 %甲醇)中,于37 ℃過夜染色后去掉染色液,加入φ=70 %乙醇用于脫去葉綠素。去凈葉綠素的材料在體視顯微鏡下觀察照相。
根據(jù)已知擬南芥基因組序列信息,設(shè)計(jì)帶有特異酶切位點(diǎn)和保護(hù)堿基的引物,正向擴(kuò)增引物PRNHX5-F含有SalⅠ酶切位點(diǎn),反向擴(kuò)增引物PRNHX5-R含有EcoRⅠ酶切位點(diǎn),以擬南芥Col-0基因組DNA為模板,采用高保真酶進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR產(chǎn)物大小為1 825 bp。將擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行核酸電泳檢測(cè),結(jié)果表明擴(kuò)增條帶符合預(yù)期大小(圖1)。
對(duì)proNHX5分析發(fā)現(xiàn),序列中除了包含啟動(dòng)子典型的核心元件TATA-box和CAAT-box等外,還包含AE-box、Box 4、GA-motif、GT1-motif、TCT-motif光響應(yīng)元件;ABA響應(yīng)元件ABRE;茉莉酸甲酯響應(yīng)元件CGTGA-motif和TGACG-motif;生長素響應(yīng)元件TGA-element;分生組織表達(dá)調(diào)控元件CAT-box;厭氧誘導(dǎo)的必須調(diào)控元件ARE和防御與應(yīng)激相關(guān)元件TC-rich repeats(表2)。
M.DNA marker D2000; proNHX5.AtNHX5啟動(dòng)子序列AtNHX5promoter sequence
圖1AtNHX5基因啟動(dòng)子的克隆
Fig.1 Clone ofAtNHX5gene promoter
表2 AtNHX5啟動(dòng)子區(qū)域順式作用元件預(yù)測(cè)Table 2 Prediction of cis-acting elements in promoter of AtNHX5
如圖2-A,為了研究AtNHX5基因啟動(dòng)子的活性和組織表達(dá)模式,將啟動(dòng)子擴(kuò)增產(chǎn)物proNHX5和植物表達(dá)載體pCAMBIA1391分別用NEB的SalⅠ和EcoRⅠ雙酶切后連接,經(jīng)菌落PCR和質(zhì)粒酶切驗(yàn)證獲得正確的重組質(zhì)粒pCAMBIA1391-proNHX5-GUS。DH5α菌落PCR擴(kuò)增產(chǎn)物大小為1 825 bp,與預(yù)期結(jié)果相一致(圖2-B)。由于在構(gòu)建中連接部位為SalⅠ和EcoRⅠ酶切位點(diǎn),重組成功的質(zhì)粒單酶切后電泳應(yīng)有一條大小為12 454 bp的目的條帶,而雙酶切后電泳應(yīng)有一條大小分別為10 641 bp的線性質(zhì)粒條帶和一條1 813 bp與proNHX5幾乎一致的序列條帶,酶切試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期,說明AtNHX5啟動(dòng)子成功克隆到pCAMBIA1391載體中(圖2-C)。通過進(jìn)一步測(cè)序驗(yàn)證,證實(shí)測(cè)序序列結(jié)果與數(shù)據(jù)庫序列一致。
A:pCAMBIA1391-proNHX5-GUS表達(dá)載體構(gòu)建示意圖 Map of construction of pCAMBIA1391-proNHX5-GUS expression vector;B:pCAMBIA1391-proNHX5-GUS表達(dá)載體的PCR分析 PCR analysis of pCAMBIA1391-proNHX5-GUS vector;M.DNA marker D2000;+.proNHX5啟動(dòng)子序列AtNHX5promoter sequence; 1~5.載體轉(zhuǎn)化大腸桿菌菌液PCR產(chǎn)物 PCR product of fusion expression vector transformed intoE.coliDH5α;-.陰性對(duì)照 Negative control;C:pCAMBIA1391-proNHX5-GUS表達(dá)載體酶切鑒定 Identification of promoter analysis vector pCAMBIA1391-proNHX5-GUS by digestion;M.DNA marker D15000;S1.EcoRI單酶切 Single-digestion products byEcoRI;S2.SalI和EcoRI雙酶切 Double-digestion products byEcoRI andSalⅠ;+.proNHX5啟動(dòng)子序列AtNHX5promoter sequence
圖2AtNHX5啟動(dòng)子載體構(gòu)建
Fig.2 Vector construction ofAtNHX5promoter
將測(cè)序正確的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101,在含有Rif和Kan抗生素的YEP固體培養(yǎng)基上篩選,挑取單菌落,通過菌落PCR篩選,能夠擴(kuò)增出與proNHX5啟動(dòng)子克隆序列大小一致的條帶為成功導(dǎo)入表達(dá)載體的陽性菌株 (圖3)。獲得的陽性農(nóng)桿菌通過花序浸染法轉(zhuǎn)化擬南芥Col-0,將得到的T0代種子經(jīng)消毒后播種于含有潮霉素的MS培養(yǎng)基中進(jìn)行篩選,具有抗性的植株經(jīng)PCR檢測(cè)為陽性的單株收獲種子并加代,獲得T3代純合轉(zhuǎn)基因株系(圖4)。
M.DNA marker D2000;+.陽性對(duì)照 Positive control;1~8.載體轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌菌液PCR產(chǎn)物 PCR product of expression vector transformed intoE.coliDH5α; -.陰性對(duì)照 Negative control
圖3 農(nóng)桿菌菌液PCR鑒定
Fig.3 PCR detection of agrobacterium tumefaciens
M.DNA marker D2000;+.陽性質(zhì)粒對(duì)照 Positive control; 1~7.轉(zhuǎn)基因植株 Transgenic fusionArabidopsis; -.野生型對(duì)照 Wild type
圖4 轉(zhuǎn)基因擬南芥植株的PCR
Fig.4 PCR analysis of transgenicArabidopsis
為檢測(cè)基因的組織表達(dá)模式,分別選取培養(yǎng)基上萌發(fā)生長1 d、2 d、3 d、6 d、9 d、12 d的整株轉(zhuǎn)基因擬南芥幼苗和盆栽生長45 d植株的莖、葉、花和果莢進(jìn)行GUS組織化學(xué)染色。試驗(yàn)證明,3個(gè)獨(dú)立的純合轉(zhuǎn)基因株系有著相似的表達(dá)模式。結(jié)果顯示,由AtNHX5基因的啟動(dòng)子控制的GUS表達(dá)活性,在植株整個(gè)發(fā)育過程中一直都有表達(dá)(圖5和圖6)。萌發(fā)1 d到3 d的幼苗中,GUS活性在子葉和下胚軸中廣泛表達(dá),而種皮和胚根中未見表達(dá)(圖5-A-圖5-C)。隨著幼苗生長,子葉和莖中GUS仍廣泛表達(dá),且子葉和莖中微管系統(tǒng)的GUS表達(dá)最為顯著,真葉中僅局部檢測(cè)到GUS表達(dá),生長6 d、9 d和12 d 的轉(zhuǎn)基因植株根中也只有局部區(qū)域檢測(cè)到微弱GUS表達(dá)(圖5-D-圖5-F)。成熟植株中,莖中有明顯的GUS表達(dá)(圖6-A和圖6-D)。在成熟葉片中,有的檢測(cè)不到GUS的表達(dá),有的僅葉尖局部檢測(cè)到GUS表達(dá)(圖6-B)。在花中,柱頭、花柱、花柄和花瓣的微管中檢測(cè)到GUS明顯表達(dá),花瓣部分區(qū)域微弱表達(dá),而在花序頂端花苞未見GUS表達(dá)(圖6-D)。在未成熟果莢中,GUS主要表達(dá)在果柄、果莢頂端和基部,早期幼嫩果莢表皮也有弱的表達(dá),隨著果莢發(fā)育,果莢表皮將檢測(cè)不到GUS表達(dá)(圖6-C和圖6-D)。接近成熟果莢中,只有果柄有很微弱的GUS表達(dá),果莢頂端和基部未見GUS表達(dá)(圖6-C)。
A~F.生長1 d、2 d、3 d、6 d、9 d、12 d的轉(zhuǎn)基因植株 Arabidopsis seedlings of 1 d 2 d,3 d,6 d,9 d,12 d
A.莖 Stem;B.葉 Leaf;C.果莢 Silique;D.花序與果莢 Inflorescences and sulique;E.花 Flower
植物基因表達(dá)調(diào)控過程主要有DNA水平調(diào)控、染色體水平調(diào)控、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、翻譯調(diào)控和翻譯后調(diào)控,在這些調(diào)控方式中,轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是最為主要的。啟動(dòng)子是位于結(jié)構(gòu)基因上游的DNA序列,不僅決定基因轉(zhuǎn)錄方向和RNA聚合酶類型,還是轉(zhuǎn)錄水平上基因表達(dá)調(diào)控的中心[22]。在啟動(dòng)子區(qū)域,有很多在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控過程中具有重要作用的順式作用元件,參與調(diào)控下游基因表達(dá),從而調(diào)節(jié)生長發(fā)育和抵抗外界環(huán)境脅迫[23]。在啟動(dòng)子的核心啟動(dòng)子區(qū)域通常包含TATA-box和CAAT-box元件,也是啟動(dòng)子的特征序列。通過對(duì)AtNHX5基因開放閱讀框上游序列分析,發(fā)現(xiàn)該序列中具有多個(gè)TATA-box和CAAT-box核心啟動(dòng)子元件,說明其具有典型啟動(dòng)子特征。
啟動(dòng)子除了具有典型的核心啟動(dòng)子元件外,還有眾多與基因功能相關(guān)的調(diào)節(jié)元件或結(jié)合位點(diǎn)。因此,在相近基因的啟動(dòng)子序列中,應(yīng)該存在很多一致的順式作用元件。李紅婷等[24]克隆分析醋栗番茄NHX4基因啟動(dòng)子發(fā)現(xiàn),在啟動(dòng)子序列內(nèi)含有多個(gè)與激素、逆境誘導(dǎo)相關(guān)元件和光反應(yīng)相關(guān)元件。鄒蘭等[25]克隆的鹽生草HgNHX1基因啟動(dòng)子中包含多個(gè)與非生物脅迫、植物激素誘導(dǎo)及光應(yīng)答元件。本研究也得到類似結(jié)果,在AtNHX5基因啟動(dòng)子序列內(nèi)發(fā)現(xiàn)多個(gè)光響應(yīng)元件和激素、逆境誘導(dǎo)相關(guān)元件,另外,還發(fā)現(xiàn)分生組織表達(dá)調(diào)控元件(表2)。這些結(jié)果預(yù)示著AtNHX5基因的表達(dá)可能受到逆境脅迫、激素及光等信號(hào)的調(diào)控。有研究表明,AtNHX5作為重要的內(nèi)膜Na+,K+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體,在應(yīng)對(duì)鹽脅迫、水分脅迫和鉀營養(yǎng)代謝中具有重要作用[16,26-28],同時(shí),最新研究顯示擬南芥內(nèi)膜反向轉(zhuǎn)運(yùn)體參與生長素介導(dǎo)的生長與發(fā)育[3-4],這都與啟動(dòng)子分析結(jié)果中的調(diào)節(jié)元件功能相一致,也預(yù)示著AtNHX5很可能在光響應(yīng)、分生組織表達(dá)和茉莉酸調(diào)控中的作用還未被發(fā)現(xiàn),值得進(jìn)一步研究。
利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化擬南芥,對(duì)獲得的純合體株系進(jìn)行GUS組織化學(xué)染色,發(fā)現(xiàn)proNHX5正確啟動(dòng)GUS基因表達(dá),說明克隆的proNHX5序列具有啟動(dòng)子活性。Bassil等[17]用熒光實(shí)時(shí)定量PCR(RT-qPCR)分析表明,AtNHX5和AtNHX6基因在擬南芥生長發(fā)育的各個(gè)階段的很多組織內(nèi)均有表達(dá),包括花、花芽、莖、蓮座葉、根和果莢,且不同組織存在表達(dá)差異,有報(bào)道對(duì)AtNHX6基因啟動(dòng)子進(jìn)行分析,也得到類似結(jié)果[29]。本研究通過對(duì)幼苗期不同生長時(shí)間的植株GUS染色發(fā)現(xiàn),proNHX5不僅正確啟動(dòng)GUS基因表達(dá),而且使GUS在不同生長時(shí)間幼苗各個(gè)部位的表達(dá)強(qiáng)弱存在差異。在幼苗期,子葉和莖中從萌發(fā)第1天開始就有GUS表達(dá),而根中早期并未檢測(cè)到GUS表達(dá),直到生長到的第6天,根中有些部位才開始檢測(cè)到GUS表達(dá)(圖5)。生長6 d、9 d、12 d的幼苗中發(fā)現(xiàn),在莖頂端分生組織處有較強(qiáng)的GUS表達(dá),且在第6天左右真葉開始長出,隨著植株生長,真葉中GUS表達(dá)區(qū)域和強(qiáng)度逐漸變小和減弱,到成株時(shí)只在葉尖檢測(cè)到微弱的GUS表達(dá)。前面啟動(dòng)子分析也發(fā)現(xiàn),在proNHX5序列里內(nèi)有分生組織表達(dá)調(diào)控元件存在,這正好與GUS在莖頂端分生組織強(qiáng)表達(dá)相一致,這也暗示根中出現(xiàn)GUS表達(dá)的部位很可能也與分生組織有關(guān)。雖然在根尖和側(cè)根中未檢測(cè)到GUS表達(dá),但有報(bào)道顯示,與AtNHX5高度同源且功能冗余的內(nèi)膜反向轉(zhuǎn)運(yùn)體的另一個(gè)成員AtNHX6的啟動(dòng)子在根尖和側(cè)根原基部位驅(qū)動(dòng)GUS強(qiáng)表達(dá)[3,29- 30],這可能是導(dǎo)致proNHX5驅(qū)動(dòng)GUS表達(dá)在根中一些分生組織極不明顯的原因。在成株中,莖中仍具有明顯的GUS表達(dá),而花中GUS表達(dá)隨著生長發(fā)育發(fā)生變化,花序頂端花中未檢測(cè)到GUS表達(dá),而發(fā)育成熟花中具有明顯的GUS表達(dá),尤其雌蕊柱頭、花柱和花瓣微管組織中。果莢中GUS也隨果莢生長發(fā)育表現(xiàn)表達(dá)部位和強(qiáng)度差異,隨著果莢發(fā)育從開始的果柄、果皮、果莢頂端和基部中明顯GUS表達(dá)到僅在果柄有微弱表達(dá)。整個(gè)GUS染色結(jié)果顯示,在擬南芥整個(gè)生長過程中,proNHX5驅(qū)動(dòng)的GUS表達(dá)具有明顯的時(shí)空特異性,預(yù)示著AtNHX5基因在擬南芥中也具有相同的表達(dá)模式,表明AtNHX5在擬南芥生長發(fā)育各個(gè)階段都發(fā)揮著重要作用。