謝 冰,詹小旭,羅延宏,劉斌祥,孔凡磊,袁繼超
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611130;2.四川省煙草公司宜賓市公司,四川 宜賓 611130)
青枯病(Tobacco bacterial wilt)是世界上最具破壞性的土壤傳播病害之一,對(duì)馬鈴薯、番茄和煙草等重要經(jīng)濟(jì)作物造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[10-11]。目前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要采用農(nóng)藥(化學(xué)農(nóng)藥和生物制劑)灌根等方法防治青枯病。但是由于青枯病具有復(fù)雜的組成類(lèi)群和基因多樣性、存在著VBNC狀態(tài)以及多樣的傳播方式,傳統(tǒng)的化學(xué)防治很難達(dá)到理想的防控效果[12-13],而用抗病品種作為砧木是減少由青枯病造成損失的控制方法之一。為了揭示砧木Y87提高煙草接穗HD對(duì)青枯菌抗性的機(jī)制,本研究首先測(cè)定HD/Y87和HD/HD苯丙氨酸解氨酶(PAL)酶活性的變化,然后利用轉(zhuǎn)錄組對(duì)HD/Y87和HD/HD的基因表達(dá)規(guī)律進(jìn)行分析。
2015-2017年在宜賓煙草科技示范園、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院進(jìn)行不同嫁接組合及烤煙品種對(duì)煙草青枯病的抗性鑒定。
1.2.1 嫁接苗構(gòu)建 試驗(yàn)嫁接苗為:紅花大金元(易感青枯病,HD)作為接穗,云煙87(高抗青枯病,Y87)或HD作為砧木,接穗和砧木按濕潤(rùn)育苗技術(shù)規(guī)程育苗,接穗品種按正常的育苗時(shí)令播種,砧木比接穗早播種10 d;待砧木長(zhǎng)至7葉、接穗長(zhǎng)至6葉1心,采用劈接加生料帶纏繞法,選取砧木,平切去頂芽,并在平切面中部向下垂直切開(kāi)1.0~1.5 cm;同時(shí)選取接穗,從生長(zhǎng)點(diǎn)向下3 cm左右處切去,從兩邊切長(zhǎng)度1 cm左右的平滑楔形,插入砧木切口內(nèi),用生料帶纏繞好后放回濕潤(rùn)盤(pán)內(nèi),及時(shí)遮陰保濕,嫁接苗長(zhǎng)出1片新葉后即可移栽。
1.2.2 PAL活性的測(cè)定 分別取移栽返青后的嫁接苗第1,3,6,9天新鮮葉片,取約0.15 g葉片,切碎,放入預(yù)冷的研缽中,加適量的硼酸緩沖液(200 mmol/L pH值 8.8 含10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯吡咯烷酮,1 mmol/L乙二胺四乙酸 和5 mmol/L β-巰基乙醇)在冰浴環(huán)境研磨成勻漿,以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速冷凍離心10 min,低溫下保存?zhèn)溆?沉淀用1 mL 硼酸緩沖液提取2次,將全部上清液轉(zhuǎn)入容量瓶,定容至5 mL。以L-苯丙氨酸為底物,反應(yīng)條件為37 ℃,1 h,0.2 mol/L pH 值8.8 硼酸緩沖液為反應(yīng)環(huán)境,酶活性以每小時(shí)內(nèi)吸光值變化0.1 為1 個(gè)活性單位,PAL 酶活性表示為U/g,每樣品重復(fù)測(cè)3次[14]。
1.2.3 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序 取5株健康旺盛葉片,分別標(biāo)記為HB (HD/Y87)和HH (HD/HD),每處理2個(gè)生物學(xué)重復(fù)。根據(jù)TRIzol?Reagent (InvitrogenTM) 試劑盒說(shuō)明,提取樣品總RNA,并用DNase Ⅰ消化基因組DNA,經(jīng)質(zhì)檢合格后,用帶有Oligo(dT)的磁珠富集真核生物mRNA;加入打斷試劑,在Thermomixer中將mRNA打斷成150~200 nt的短片段,以短片段mRNA為模板,用6堿基隨機(jī)引物(Random hexamers)合成一鏈;然后配制二鏈合成反應(yīng)體系合成二鏈cDNA,并利用試劑盒純化雙鏈cDNA;純化后的cDNA先進(jìn)行黏性末端修復(fù),隨后在cDNA的3′末端加上堿基A并連接接頭,最后進(jìn)行片段大小選擇和PCR擴(kuò)增;構(gòu)建好的文庫(kù)用Agilent 2100 Bioanalyzer和ABI StepOnePlus Real-Time PCR System質(zhì)檢合格后,使用Illumina HiSeqTM 4000測(cè)序。
1.2.4 轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與參考基因組序列比對(duì) 通過(guò)去除含有接頭的Reads及低質(zhì)量的Reads(包括去除N的比例大于10%的Reads;去除質(zhì)量值Q≤10的堿基數(shù)占整條Read的50%以上的Reads),得到高質(zhì)量的Clean Reads,然后將高質(zhì)量的Clean Reads上傳NCBI SRA database。利用TopHat2[15]將Clean Reads與煙草參考基因組進(jìn)行序列比對(duì),獲取在參考基因組或基因上的位置信息,以及測(cè)序樣品特有的序列特征信息。
1.2.5 基因表達(dá)量分析 使用Cufflinks軟件的Cuffquant和Cuffnorm組件,對(duì)樣品中Mapped Reads的數(shù)目和轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度進(jìn)行歸一化,通過(guò)Mapped Reads在基因上的位置信息,對(duì)轉(zhuǎn)錄本和基因的表達(dá)水平進(jìn)行定量,Cuffquant和Cuffnorm采用FPKM[16](Fragments Per Kilobase of transcript per Million fragments mapped)作為衡量轉(zhuǎn)錄本或基因表達(dá)水平的指標(biāo),FPKM計(jì)算公式如下:
公式中,總外顯子讀數(shù)表示比對(duì)到某一轉(zhuǎn)錄本上的片段數(shù)目,即雙端Reads數(shù)目;定位的讀數(shù)(百萬(wàn))表示比對(duì)到轉(zhuǎn)錄本上的片段總數(shù),以106為單位;外顯子長(zhǎng)度(kb)表示轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度,以103個(gè)堿基為單位。
1.2.6 差異表達(dá)分析 將Fold Change(差異倍數(shù),兩樣品(組)間表達(dá)量的比值)≥2且FDR(錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率,通過(guò)對(duì)差異顯著性P值(P-value)進(jìn)行校正得到的)<0.01作為篩選標(biāo)準(zhǔn)。利用DESeq[17]進(jìn)行樣品組間的差異表達(dá)分析,獲得2個(gè)生物學(xué)條件之間的差異表達(dá)基因集,利用Blast程序?qū)⒉町惐磉_(dá)基因富集到GO和KEEG數(shù)據(jù)庫(kù),從而注釋差異表達(dá)基因。
由圖1可以看出,在不同取樣時(shí)間,Y87作為砧木的嫁接苗HD/Y87葉片的PAL活性(12.10~15.71 U/g)均高于HD作為砧木的嫁接苗HD/HD的(8.60~10.78 U/g),兩者差異顯著,隨著取樣時(shí)間的增加2種嫁接苗的PAL活性均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。
條形柱表示PAL活性(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)。根據(jù)Duncan′s的多范圍測(cè)試,條形柱上方的不同字母(a、b)表示存在顯著差異(P<0.05)。Bars mean PAL enzyme activity (mean±s).Different letters (a, b) above bars indicate significant differences (P<0.05) according to Duncan′s multiple range test.
2.2.1 轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù) 由表1可知,4個(gè)待測(cè)樣品分別得到48 414 474~48 697 874條Clean Reads,Q20為97.43%~97.80%,Q30為93.46%~94.35%,GC含量在43.26%~44.23%,測(cè)序質(zhì)量和重復(fù)性符合要求;將4個(gè)待測(cè)樣品的Clean Reads分別比對(duì)到煙草基因組得到24 769 974~25 217 318 Mapped Reads,Mapped Reads數(shù)目和所占百分比差異不顯著;
表1 RNA-seq數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Summary of RNA-seq data
4個(gè)樣品Mapped Reads在煙草基因基因組的分布大體一致(圖2),但HB與HH表達(dá)的基因數(shù)目在38 272~40 938,檢測(cè)到SNP和Indel位點(diǎn)數(shù)分別為97 271~127 597和4 440~6 452;HB發(fā)生的選擇性剪切事件數(shù)(32 884)高于HH(25 162),且HB不同選擇性剪切類(lèi)型的事件數(shù)和發(fā)生基因上的選擇性基因剪切事件數(shù)均高于HH(圖3-4)。
圖2 Reads在染色體上的分布統(tǒng)計(jì)Fig.2 Distribution statistics of Reads on chromosomes
A3SS.可變轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn);A5SS.可變轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn);MXE.可變外顯子;RI.內(nèi)含子保留;SE.外顯子跳躍。All events.樣品中可變剪切事件。圖4同。
圖4 樣品HH的選擇性剪切數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Selective shear quantity statistics of samples HH
2.2.2 基因表達(dá)量PCA分析 2個(gè)HB嫁接苗品系(HB-1和HB-2)的基因表達(dá)水平(相關(guān)指數(shù)為0.898 2~0.971 9)明顯高于HH品系(相關(guān)指數(shù)為0.731 7~0.789 3)(圖5)。PCA主成分分析顯示,未接種青枯菌嫁接苗品系HB-1、HB-2與接種青枯菌嫁接苗品系HH-1、HH-2的基因表達(dá)量分別在主成分PC1變量上呈現(xiàn)顯著的聚類(lèi)關(guān)系,PC1的貢獻(xiàn)度(93.9%)遠(yuǎn)大于PC2的貢獻(xiàn)度(5.6%),說(shuō)明組內(nèi)的聚類(lèi)關(guān)系明顯高于組間的聚類(lèi)關(guān)系(圖6)。
顏色越深,相關(guān)性就越大。The darker the color is, the greater the correlation is.
圖6 4個(gè)樣本間基因表達(dá)量的主成分分析圖Fig.6 Principal component analysis of gene expression amounts between four samples
2.2.3 差異表達(dá)基因統(tǒng)計(jì) 通過(guò)對(duì)HB和HH2組間基因表達(dá)量的比較,得到3 904條差異基因,其中3 096條基因上調(diào),占所有差異基因的比例是79.3%;808條基因下調(diào),占所有差異基因的比例20.7%。對(duì)4個(gè)樣本的差異基因聚類(lèi)分析得知,HB 2個(gè)樣本之間相關(guān)性分別高于它們與HH 2個(gè)樣本之間的相關(guān)性(圖7)。
2.2.4 差異表達(dá)基因GO注釋 差異表達(dá)基因在生物過(guò)程、細(xì)胞成分、分子功能等3種途徑中均有富集。在生物過(guò)程中,差異表達(dá)基因在代謝過(guò)程、細(xì)胞轉(zhuǎn)化、單一的生物過(guò)程、定位等途徑均有富集,分別有1 358,1 195,750,276條;在分子功能中,差異表達(dá)基因在結(jié)合、酶催化反應(yīng)、結(jié)構(gòu)分子活性、細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)活性、核酸轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性、分子功能調(diào)控等途徑均有富集,分別有1 452,1 212,199,133,64,47條;在細(xì)胞成分中,差異表達(dá)基因在細(xì)胞、細(xì)胞組分、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、高分子復(fù)合物等途徑均有富集,分別有646,646,454,438,419條(圖8)。
列表示樣本,行表示基因;顏色越紅,基因表達(dá)越高,反之,顏色越綠。
2.2.5 差異表達(dá)基因KEEG富集 在3 904條差異基因中,共有451條基因富集在KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)(圖9),分別富集在碳水化合物代謝、能量代謝、核酸代謝、氨基酸代謝等途徑;在這些途徑中,富集在碳水化合物代謝數(shù)目最多,達(dá)92條。
在差異表達(dá)基因中,3條編碼苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanine ammonia-lyase, PAL)基因、 5條多酚氧化酶(Polyphenoloxidase, PPO)基因、5條編碼Myb 家族轉(zhuǎn)錄因子基因、2條編碼病程相關(guān)蛋白(Pathogenesis-related protein, PR)基因、6條編碼生長(zhǎng)素應(yīng)答因子(Auxin response factor,ARF)基因和3條編碼乙烯-響應(yīng)元件結(jié)合因子(Ethylene responsive transcription factor, ERF)基因的表達(dá)量均上調(diào)(表2)。
1.代謝過(guò)程;2.細(xì)胞轉(zhuǎn)化;3.單一的生物過(guò)程;4.定位;5.生物調(diào)控;6.生物途徑的調(diào)控;7.細(xì)胞組分的起源;8.相應(yīng)外界刺激;9.信號(hào)傳導(dǎo);10.生物過(guò)程負(fù)調(diào)控;11.生物過(guò)程正調(diào)控;12.多種生物過(guò)程;13.生物附著;14.生長(zhǎng);15.繁殖;16.繁殖過(guò)程;17.發(fā)育過(guò)程;18.多細(xì)胞組分過(guò)程;19.細(xì)胞;20.細(xì)胞組分;21.細(xì)胞器;22.細(xì)胞膜;23.高分子復(fù)合物;24.細(xì)胞膜組分;25.細(xì)胞器組分;26.胞外區(qū);27.超分子纖維;28.膜包圍的空腔;29.膜外的基質(zhì);30.結(jié)合;31.酶催化反應(yīng);32.結(jié)構(gòu)分子活性;33.細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)活性;34.核酸轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性;35.分子功能調(diào)控器;36.電子傳導(dǎo)活性;37.抗氧化活性;38.信號(hào)傳感器活性;39.轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性;40.儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);41.分子傳感器;42.分子伴侶。
圖9 4個(gè)樣本間差異表達(dá)基因KEGG注釋圖Fig.9 KEGG terms of differentially expressed genes among four samples
表2 抗病相關(guān)基因表達(dá)量及注釋表Tab.2 Candidate gene expression and annotation
表2(續(xù))
Kunwar等[6]將抗青枯病番茄砧木,嫁接到敏感接穗,顯著減少了根感染青枯病的概率,這些研究表明,利用抗性材料作為砧木可以顯著提高接穗的抗病性;這是因?yàn)榭剐云贩N作為砧木能夠提高接穗的多種保護(hù)酶(如PPO、PAL)酶活[18]。本研究也發(fā)現(xiàn)HD/Y87 PAL酶活性顯著高于自接苗HD/HD;馮壯志[19]在研究番茄抗青枯病生理機(jī)制發(fā)現(xiàn)PAL與番茄對(duì)青枯病的抗性存在顯著的關(guān)聯(lián),通過(guò)噴施40 mg/L殼聚糖克顯著提升PAL和PPO酶活顯著提升,減輕青枯病病情;嚴(yán)澤生[20]也發(fā)現(xiàn)相比苦瓜自根苗,嫁接苗的PAL和PPO酶活顯著增加;這些研究表明,PAL、PPO在嫁接苗抵抗青枯病菌侵染的防衛(wèi)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[18]。
通過(guò)HD/Y87和HD/HD之間的高通量比較轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn),相比于自接苗HD/HD,HD/Y87中Nitab4.5_0008883g0010.1、Nitab4.5_0000754g0260.1及Nitab4.5_0000071g0170.1等PAL基因,以及Nitab4.5_0000907g0080.1、Nitab4.5_0000907g0090.1、Nitab4.5_0002200g0010.1、Nitab4.5_0002482g0070.1及Nitab4.5_0003171g0010.1等PPO基因均上調(diào),類(lèi)似的基因在接種青枯菌后HD/Y87和HD/HD之間的比較轉(zhuǎn)錄組也有發(fā)現(xiàn),類(lèi)似的結(jié)果同樣被Ishihara等[21]報(bào)道;許多研究已經(jīng)證實(shí)多酚氧化酶基因、木質(zhì)素合成關(guān)鍵基因的上調(diào)在抗病反應(yīng)中起重要作用,形成較多的酚酸類(lèi)物質(zhì)和木質(zhì)素,加固機(jī)械屏障,增強(qiáng)抵御能力,減輕病菌對(duì)組織細(xì)胞的傷害[22]。PAL是木質(zhì)素的關(guān)鍵酶,被逆境誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)后,相應(yīng)的酶活性明顯增強(qiáng),提高木質(zhì)素含量,從而使作物獲得病害抗性[18, 23-24];而嫁接等處理促使酚類(lèi)物質(zhì)、木質(zhì)素的積累,如接種青枯病菌后嫁接辣椒的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)活性均高于對(duì)照組,通過(guò)增強(qiáng)次生代謝相關(guān)酶活性加速辣椒根系的次生代謝,從而形成較多的酚酸類(lèi)物質(zhì)和木質(zhì)素,增強(qiáng)作物病菌對(duì)抵御能力[25]。同時(shí)一些MYB家族轉(zhuǎn)錄因子成員可以通過(guò)調(diào)控靶基因的表達(dá)來(lái)調(diào)控植物體內(nèi)次生代謝物質(zhì)的合成,保護(hù)作物抵御生物和非生物脅迫,如ATMYB12和ATMYB11調(diào)控番茄和煙草中黃酮類(lèi)化合物和咖啡酰奎寧酸的生物合成,ATMYB11的組成表達(dá)增強(qiáng)了苯丙醇生物合成途徑中基因的表達(dá),導(dǎo)致煙草和番茄植株中類(lèi)黃酮和綠原酸的積累[26-27];MYB轉(zhuǎn)錄因子AtMYB58和AtMYB63在水稻次生壁形成過(guò)程中能夠激活木質(zhì)素生物合成關(guān)鍵基因[28]。本研究也發(fā)現(xiàn)Nitab4.5_0004118g0080.1、Nitab4.5_0007287g0010.1、Nitab4.5_0007139g0020.1、Nitab4.5_0003845g0050.1及Nitab4.5_0000008g0850.1等多種MYB轉(zhuǎn)錄因子顯著上調(diào)。
在HD/Y87葉片中不僅木質(zhì)素合成關(guān)鍵酶PAL和酚類(lèi)合成關(guān)鍵酶PPO等基因表達(dá)量增加,同時(shí)乙烯-響應(yīng)元件結(jié)合因子(ERF)Nitab4.5_0002236g0020.1、Nitab4.5_0002211g0030.1、Nitab4.5_0004161g0090.1和病程相關(guān)蛋白(PR)Nitab4.5_0000090g0160.1和Nitab4.5_0002022g0020.1等基因表達(dá)量增加,李秀鈺等[29]在研究病程相關(guān)蛋白與馬鈴薯抗病的相關(guān)性時(shí)發(fā)現(xiàn)StPR1在馬鈴薯的抗病過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用,病程相關(guān)蛋白作為作物抵御生物脅迫重要的抗性基因,在細(xì)胞壁松弛時(shí)或者在受到機(jī)械損害的組織中抵御細(xì)菌和真菌等病原物的侵害,它可以被多種因素誘導(dǎo),例如病原菌侵染和機(jī)械損傷[30]。Nisha等[31]發(fā)現(xiàn)荊條的水和甲醇提取物能夠誘導(dǎo)病程相關(guān)蛋白等的產(chǎn)生,從而有效防控水稻白葉枯?。煌跗G艷等[32]以對(duì)根結(jié)線蟲(chóng)抗性黃瓜作為嫁接砧木,接種后苯丙烷類(lèi)代謝和病程相關(guān)蛋白活性均升高。在很多PR基因的啟動(dòng)子中檢測(cè)出GCC盒、W盒以及AS反應(yīng)元件如As-1等重要的順式作用元件,這些元件被ERF(乙烯-響應(yīng)元件結(jié)合因子AP2/EREBP)蛋白質(zhì)結(jié)合,它是新的植物轉(zhuǎn)錄因子,共享一個(gè)保守的58~59個(gè)酸性結(jié)構(gòu)域即ERF結(jié)構(gòu)域,AP2/EREBP蛋白在植物生長(zhǎng)、發(fā)育以及生物(包括病原菌侵染)和非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[33]。
姜夕雷[34]在通過(guò)轉(zhuǎn)錄組研究不同砧木(八棱海棠和M9)對(duì)接穗(煙富3)蘋(píng)果組織發(fā)育的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)不同嫁接組合莖頂端葉片中IAA 含量顯著發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致多種生長(zhǎng)素應(yīng)答因子基因表達(dá)量發(fā)生變化;同時(shí)本研究也發(fā)現(xiàn)HD/Y87葉片中Nitab4.5_0011529g0020.1、Nitab4.5_0001988g0030.1、Nitab4.5_0007665g0050.1、Nitab4.5_0000650g0030.1、Nitab4.5_0001535g0030.1、Nitab4.5_0000315g0090.1等多種生長(zhǎng)素響應(yīng)因子顯著上調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)嫁接可以促進(jìn)植物內(nèi)源激素運(yùn)輸,從而誘導(dǎo)嫁接苗的基因表達(dá)模式發(fā)生變化[35-36];嫁接可通過(guò)改變嫁接苗內(nèi)源激素含量而增強(qiáng)其對(duì)逆境脅迫的耐受性[37],陽(yáng)燕娟等[38]和譚明明等[39]發(fā)現(xiàn)逆境脅迫下,嫁接苗通過(guò)改變根系、莖及葉片中吲哚-3-乙酸IAA、赤霉素GA3和脫落酸ABA等內(nèi)源激素的含量,從而提升了嫁接苗對(duì)逆境的耐受能力;劉業(yè)霞[40]發(fā)現(xiàn)接種青枯菌后辣椒嫁接苗葉片中的內(nèi)源激素含量顯著增高;而MYB轉(zhuǎn)錄因子(TF)家族的成員通過(guò)MYB應(yīng)答元件(MRE)參與生長(zhǎng)素相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄控制[41];Li等[42]研究發(fā)現(xiàn),R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子和TCP3相互作用,參與對(duì)生長(zhǎng)素的負(fù)響應(yīng)?;诖?MYB家族轉(zhuǎn)錄因子和ERF轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)表達(dá)可能是由于在嫁接苗促進(jìn)內(nèi)源激素的傳遞,而這些轉(zhuǎn)錄因子參與對(duì)PAL、PPO和病程相關(guān)蛋白(PR)等抗性基因的調(diào)控。因此,青枯菌抗性品種Y87作為砧木能夠提高接穗HD PAL活性和多種抗性基因(包含木質(zhì)素、多酚及病程相關(guān)蛋白)表達(dá)量,從而提高接穗紅大金元對(duì)青枯菌等病害抗性,為研究嫁接提升烤煙青枯菌抗性的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。