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    黃瓜CsGPX基因克隆與細(xì)菌性角斑病脅迫下的表達(dá)分析

    2021-04-29 19:33:10孟令波孫婷婷趙倩胡寶忠
    安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年7期
    關(guān)鍵詞:熒光定量PCR基因克隆黃瓜

    孟令波 孫婷婷 趙倩 胡寶忠

    摘要 [目的]克隆CsGPX基因并研究其與黃瓜抗病性的關(guān)系。[方法]采用RT-PCR技術(shù)克隆黃瓜CsGPX基因cDNA序列全長,并對其進(jìn)行生物信息學(xué)分析;采用熒光定量PCR的方法分析CsGPX基因在細(xì)菌性角斑病侵染0~96h下的表達(dá)情況。[結(jié)果]CsGPX基因cDNA序列全長914bp,包含一個(gè)513bp的開放閱讀框,編碼170個(gè)氨基酸,該基因編碼蛋白的相對分子質(zhì)量約為19.02kD,理論等電點(diǎn)是8.66,為親水性蛋白,不具有跨膜結(jié)構(gòu),不含信號肽序列。實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析表明,CsGPX在黃瓜葉中有表達(dá)。在黃瓜細(xì)菌性角斑病菌侵染下,該基因在黃瓜葉中表達(dá)增高,明顯受黃瓜細(xì)菌性角斑病菌的誘導(dǎo)。[結(jié)論]CsGPX基因的分子鑒定為進(jìn)一步解析該基因在黃瓜抗病機(jī)制方面的作用提供重要依據(jù)。

    關(guān)鍵詞 黃瓜;谷胱甘肽過氧化物酶;基因克隆;細(xì)菌性角斑病;熒光定量PCR

    中圖分類號 S.436.421文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

    文章編號0517-6611(2021)07-0099-04

    Abstract[Objective]TocloneCsGPXgeneandstudytherelationshipbetweenCsGPXgeneanddiseaseresistanceofcucumber.[Method]TheCsGPXgenecDNAfulllengthsequencewasclonedbyRT-PCRtechnology.CharacteristicsincludingthephysicochemicalpropertiesandconserveddomainofthededucedCsGPXproteinweredeterminedbyaseriesofbioinformaticstools.qRT-PCRtechnologywasperformedtomeasurethetranscriptlevelsofCsGPXgeneinducedbyP.syringaepv.Lachrymans.[Result]ThefulllengthnucleotidesequenceofCsGPXwas914bp,containingacompleteopenreadingframeof513bpwhichencodedapolypeptideof170aminoacids.Bioinformaticsanalysisoftheaminoacidsequenceshowedthatthemolecularweightofencodedproteinwas19.02kD,andtheoreticalisoelectricpointwas8.66.Thisproteinwasahydrophilicprotein,withouttransmembraneandsignalpeptidesequence.TheexpressionanalysesofthegenebyqRT-PCRshowedthattheCsGPXexpressdinCucumberleaves.InducedbyP.syringaepv.Lachrymans,thetranscriptlevelsofCsGPXincucumberleavesremarkablyincreasedwiththeextensionofinductiontime.[Conclusion]ThisstudylaidafoundationforprovidingimportantbasisforCsGPXgeneondiseaseresistancemechanismofcucumber.

    KeywordsCucumber;Glutathioneperoxidase;Genecloning;Pseudomonassyringaepv.Lachrymans;RealtimefluorescencequantitativePCR

    作者簡介 孟令波(1970—),男,黑龍江哈爾濱人,副教授,博士,從事蔬菜遺傳育種與土壤微生物研究。*通信作者,教授,博士,從事植物學(xué)和植物分子生物學(xué)研究。

    植物是好氧的生物體,在呼吸和光合作用過程中,線粒體、葉綠體和過氧化物酶體均可導(dǎo)致活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)的產(chǎn)生,尤其在外界環(huán)境脅迫下,活性氧含量大大增加[1]。為了避免ROS過量積累所造成的損傷,植物細(xì)胞內(nèi)的防御系統(tǒng)(包括酶促和非酶促解毒系統(tǒng))發(fā)揮了重要的作用。其中,酶促系統(tǒng)主要包括過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、抗壞血酸過氧化物酶和谷胱甘肽過氧化物酶等[2-3]。其中,谷胱甘肽過氧化物酶(glutathioneperoxidase,GPX)是機(jī)體內(nèi)清除活性氧自由基的主要酶類,起到保護(hù)細(xì)胞免受氧化脅迫的作用,具有重要的生理功能[4]。人們對GPX的認(rèn)識最早從動(dòng)物開始,1957年,Mills[5]在提取哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞中的酶試驗(yàn)H2O2反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。由于哺乳動(dòng)物中的GPX利用谷胱甘肽(GSH)為電子供體還原H2O2及有機(jī)氫過氧化物等,故GPX名稱由此而來。相比之下,人們對植物GPX的研究開始較晚。第一個(gè)植物GPX的cDNA最早是從煙草中獲得[6],后來相繼在擬南芥[7]、水稻[8]、番茄[9]、菠菜[10]、小麥[11]、茶樹[12]等植物中分離到GPX基因。近年來,對于植物GPXs的研究主要集中在生物脅迫(感染細(xì)菌、真菌或病毒)和非生物脅迫(如高溫、低溫、干旱、重金屬毒害、耐鹽等)方面。在生物脅迫條件下,RoeckelDrevet等[13]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)向日葵被一種霜霉?。≒lasmoparahalstedii)感染后,GPXs基因的表達(dá)豐度顯著增加;Saidi等[14]研究發(fā)現(xiàn),棗椰樹感染脆葉?。˙rittleleafdisease)后,GPXs基因的表達(dá)水平在患病的根、葉中顯著提高。這些研究結(jié)果表明,在植物應(yīng)對病害脅迫的過程中,GPXs基因可能發(fā)揮作用。

    黃瓜細(xì)菌性角斑病于20世紀(jì)70年代在我國嚴(yán)重暴發(fā),目前已是我國乃至世界上影響黃瓜生長的重要病害之一[15],發(fā)病率在30%~50%,嚴(yán)重時(shí)可使植株中下部葉片全部壞死。目前黃瓜與細(xì)菌性角斑病相互作用的分子機(jī)理仍不清楚。該研究利用黃瓜葉cDNA文庫數(shù)據(jù)獲得了CsGPX編碼區(qū)全長序列,并對該序列進(jìn)行生物信息學(xué)分析,預(yù)測其功能。在此基礎(chǔ)之上,采用qRT-PCR技術(shù)對黃瓜細(xì)菌性角斑病菌不同時(shí)間誘導(dǎo)下CsGPX基因的表達(dá)模式進(jìn)行深入分析,以期為探求黃瓜的抗病機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

    1材料與方法

    1.1材料試驗(yàn)中采用的黃瓜(CucumissativusL.)為抗病品種D0462,由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院培育;細(xì)菌性角斑?。≒seudomonassyringaepv.Lachrymans)由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院惠贈(zèng)。誘導(dǎo)試驗(yàn)在黃瓜3片真葉期開展,用噴霧器將1×108CFU/mL菌懸液均勻噴至葉面密布水珠但不流動(dòng)為可。病原菌誘導(dǎo)0、8、24、48、72、96h后收集葉片,用無菌水沖洗3遍,濾紙吸干,迅速置于液氮中后于-80℃冰箱備用。

    1.2方法

    1.2.1黃瓜總RNA提取。

    采用植物總RNA提取試劑盒提取黃瓜抗病品種D0462總RNA,具體步驟參照說明書進(jìn)行。提取總RNA后采用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測其完整性,并用核酸分析儀檢測RNA的純度和濃度。

    1.2.2CsGPX全長cDNA克隆。

    根據(jù)前期所構(gòu)建的黃瓜葉片cDNA文庫[16],篩選獲得谷胱甘肽過氧化酶GPX基因cDNA全長序列并設(shè)計(jì)引物CF1、CR1(表1),以黃瓜cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)體系(50μL):2×PCRMix25μL,正反引物CF1、CR1(20μmol/L)各1μL,cDNA模板2μL,不足的部分用ddH2O補(bǔ)足。PCR擴(kuò)增條件:94℃預(yù)變性5min;94℃30s、57℃40s、72℃1min,35個(gè)循環(huán);最后72℃延伸10min。將PCR產(chǎn)物送生物公司測序。

    1.2.3序列分析。

    使用NCBI中的開放閱讀框(openreadingframe,ORF)程序查找序列的ORF。分析ORF編碼的氨基酸序列采用ExPASy服務(wù)器上的ProtParamtool軟件(http:∥www.expasy.ch/cgi-bin/protparam)。CsGPX蛋白跨膜區(qū)、信號肽的預(yù)測和分析分別采用TMHMM(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)、Signalp5.0(http:∥www.cds.dtu.dk/services/signal.p/)。通過NCBI中CDD程序(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/)對CsGPX氨基酸序列的保守結(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析。用Netphos3.1server(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos-3.1/)對CsGPX氨基酸序列進(jìn)行潛在磷酸化位點(diǎn)分析。分別用Plant-mPloc(http:∥www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/)和psortprediction(https:∥www.psort.hgc.jp/form.html)對CsGPX進(jìn)行亞細(xì)胞定位分析。利用SOPMA(https:∥npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/sopma.html)對CsGPX氨基酸序列進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)分析,CsGPX三級結(jié)構(gòu)采用SWISS-model(https:∥swissmodel.expasy.org/)預(yù)測。

    1.2.4熒光定量PCR分析。

    采用qRT-PCR方法,對經(jīng)黃瓜細(xì)菌性角斑病菌不同時(shí)間誘導(dǎo)下的CsGPX基因的表達(dá)情況進(jìn)行檢測,分別提取侵染0、8、24、48、72、96h處理的黃瓜葉總RNA,反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,取2μLcDNA為模板,加入SYBRPremixExTaqTM(2×)10μL,具體按寶生物工程大連有限公司說明書操作。在AgilentMx3000P型核酸擴(kuò)增熒光檢測儀上進(jìn)行RT-PCR,用于定量PCR的CsGPX基因的特異性引物(CF-qRT、CR-qRT)及內(nèi)參引物(18S-F、18S-R)見表1。PCR反應(yīng)條件:94℃預(yù)變性30s;94℃12s,56℃30s,72℃30s,40個(gè)循環(huán),讀板溫度為81℃,擴(kuò)增完成后采用2-ΔΔCt進(jìn)行計(jì)算[17]。

    2結(jié)果與分析

    2.1總RNA的提取及檢測

    提取黃瓜葉片總RNA,檢測結(jié)果如圖1所示,28SrRNA的亮度大約是18SrRNA的2倍,說明黃瓜總RNA完整性較好;經(jīng)核酸蛋白檢測儀測得OD260/OD280比值為1.88,介于1.8~2.1,表明提取的RNA純度較高,可用于后續(xù)試驗(yàn)。

    2.2CsGPX基因全長cDNA的獲得

    以黃瓜cDNA為模板,用特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。由圖2可知,在1000bp附近得到1條CsGPX基因的特異片段,與預(yù)期大小相符。PCR產(chǎn)物經(jīng)回收純化、測序后得到長度為914bp的序列。

    2.3CsGPX全長序列分析

    根據(jù)CsGPX全長測序結(jié)果,利用NCBI網(wǎng)站上的ORFFinder進(jìn)行開放閱讀框查找,發(fā)現(xiàn)CsGPX的cDNA序列全長914bp,其中包含513bp的開放閱讀框,23bp的5′非翻譯區(qū)以及378bp的3′非翻譯區(qū),編碼170個(gè)氨基酸,起始密碼子為ATG,終止密碼子為TAA(圖3)。通過與擬南芥的GPXs家族成員比較,發(fā)現(xiàn)有3個(gè)保守程度較高的特征結(jié)構(gòu)域分別為VNVASKCGYT、ILAFPCNQF、KWNFTKFL,同時(shí)這3個(gè)結(jié)構(gòu)域也是GPX的特征性基序。

    2.3.1理化性質(zhì)分析。

    通過Protparam對CsGPX進(jìn)行分析可知其分子式為C858H1341N223O257S4,相對分子質(zhì)量為19.02kD,等電點(diǎn)(pI)為8.66,不穩(wěn)定參數(shù)為24.23,蛋白質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定(標(biāo)準(zhǔn):40以下為穩(wěn)定蛋白)。該蛋白中相對含量較多的氨基酸是Lys(10.0%,17個(gè))、Leu(8.2%,14個(gè))、Thr(7.6%,13個(gè))??偟膸ж?fù)電荷殘基(Asp+Glu)為19,總的帶正電荷殘基(Arg+Lys)為22。親水性平均系數(shù)為-0.369,預(yù)測該蛋白為親水性蛋白,其脂肪系數(shù)為78.00。TMHMM2.0分析顯示CsGPX無跨膜結(jié)構(gòu)域。Signalp5.0分析結(jié)果表明該蛋白無信號肽。將CsGPX與部分?jǐn)M南芥GPXs家族成員的理化性質(zhì)進(jìn)行比較,結(jié)果顯示CsGPX與AtGPX4在編碼氨基酸個(gè)數(shù)、等電點(diǎn)、相對分子質(zhì)量、所帶正負(fù)電荷氨基酸的數(shù)量等方面均較相似(表2),因此可以推斷黃瓜CsGPX與AtGPX4可能具有相似的功能。

    2.3.2保守結(jié)構(gòu)域、磷酸化位點(diǎn)、亞細(xì)胞定位的分析。

    通過NCBI中CDD程序?qū)sGPX氨基酸序列的保守結(jié)構(gòu)域分析結(jié)果(圖4)顯示,該基因所表達(dá)的蛋白質(zhì)具有典型的保守結(jié)構(gòu)域GSH_Peroxidase,屬于硫氧還原蛋白超家族(thioredoxin-likesuperfamily)。用Netphos3.1server對CsGPX氨基酸序列進(jìn)行潛在磷酸化位點(diǎn)分析,預(yù)測結(jié)果顯示,潛在的磷酸化位點(diǎn)位于Ser、Thr和Tyr3個(gè)氨基酸上,其中Ser為8,Thr為6,Tyr為3,共17個(gè)磷酸化位點(diǎn)。分別用PlantmPloc和psortprediction進(jìn)行CsGPX的亞細(xì)胞定位,CsGPX可能在葉綠體、細(xì)胞質(zhì)、線粒體等位置。

    2.3.3蛋白質(zhì)二級、三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測。

    利用SOPMA對CsGPX氨基酸序列進(jìn)行分析,其結(jié)果顯示CsGPX是由無規(guī)則卷曲、α螺旋、β轉(zhuǎn)角、延伸鏈等組成,其中,無規(guī)則卷曲(41.18%)為主要結(jié)構(gòu),無規(guī)則卷曲存在的部位往往與該蛋白質(zhì)分子維持空間構(gòu)象有著重要的聯(lián)系。

    用SWISS-model對CsGPX的三級結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測。由圖5(A)可看出,CsGPX有4個(gè)α螺旋和6個(gè)β折疊,與植物中GPX的經(jīng)典結(jié)構(gòu)一致;圖5(B)中3個(gè)帶黃色標(biāo)記的是半胱氨酸位點(diǎn),通過這個(gè)位置容易與氫過氧化物類的底物相結(jié)合,從而消除機(jī)體內(nèi)過多的活性氧自由基。

    2.4黃瓜CsGPX基因的表達(dá)特性分析

    采用qRT-PCR方法分析經(jīng)黃瓜細(xì)菌性角斑病菌誘導(dǎo)不同時(shí)間的CsGPX基因表達(dá)情況。結(jié)果如圖6所示,該基因在0~96h的表達(dá)水平呈現(xiàn)先升高(0~24h)后降低(24~48h)再升高(48~96h)的變化趨勢。整體看,CsGPX基因受病原菌誘導(dǎo)后(8~96h)的表達(dá)量均高于對照,最高可達(dá)對照表達(dá)量的363.5倍。由此說明,CsGPX基因明顯受黃瓜細(xì)菌性角斑病菌的誘導(dǎo),推測該基因可能參與黃瓜細(xì)菌性病害的防御,在抵御生物脅迫中發(fā)揮作用。

    3討論與結(jié)論

    GPXs是生物體內(nèi)至關(guān)重要的活性氧自由基清除劑,可催化谷胱甘肽(GSH)轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽(GSSG),將有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物,同時(shí)也可以促進(jìn)H2O2的分解,從而保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及功能不遭受損害[18]。與動(dòng)物相比,對植物中GPX的研究起步較晚。有研究表明,GPX氨基酸序列攜帶的是一個(gè)半胱氨酸殘基,替代了動(dòng)物基因組GPX核苷酸UGA終止密碼子處插入的硒代半胱氨酸[19],即植物中的GPX蛋白不含有硒。GPXs常作為植物抗逆指標(biāo),用來反映植物的氧化脅迫傷害程度和評價(jià)該植物的抗逆能力。當(dāng)植物遭受病原菌侵染[13]、高鹽[20]、重金屬[21]、干旱[22]、低溫[23]等不同生物和非生物脅迫時(shí),多數(shù)GPX的表達(dá)及活性會(huì)增強(qiáng)。目前,對植物GPXs的研究多集中在非生物脅迫中的功能作用。如煙草中過量表達(dá)NtGPX基因能夠減少活性氧導(dǎo)致的膜損傷,提高煙草的耐鹽性及抗凍性[24]。番茄中過表達(dá)LePHGPX基因可提高其耐高溫脅迫的能力[25]。而有關(guān)于GPXs在生物脅迫中的功能作用研究相對較少。

    黃瓜細(xì)菌性角斑病是黃瓜的一類重要細(xì)菌性病害,近年來,黃瓜細(xì)菌性角斑病幾乎遍布全國各個(gè)黃瓜產(chǎn)區(qū),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)溫室的黃瓜發(fā)病死亡,發(fā)病率達(dá)100%[26]。目前黃瓜細(xì)菌性角斑病以化學(xué)防治為主,然而化學(xué)防治一方面會(huì)給環(huán)境和人類帶來危害,另一方面還會(huì)引起病原物的抗藥性,加重該病害防治的難度。因此,深入了解寄主植物與病原物的互作關(guān)系可為黃瓜細(xì)菌性角斑病的有效防治提供參考。

    該研究通過對黃瓜CsGPX基因cDNA全長序列進(jìn)行克隆和分析,獲得全長cDNA序列914bp,包含一個(gè)513bp的開放閱讀框,編碼170個(gè)氨基酸,蛋白質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定。通過與擬南芥GPXs比較發(fā)現(xiàn),CsGPX與擬南芥具有相似的典型保守結(jié)構(gòu),無信號肽和跨膜結(jié)構(gòu),共有17個(gè)磷酸化位點(diǎn),一般來說,氨基酸序列中的磷酸化位點(diǎn)越多,該蛋白越可能會(huì)發(fā)揮更多功能[27]。根據(jù)CsGPX的亞細(xì)胞定位可以推測該基因可能與光合作用、生理生化反應(yīng)、能量傳遞、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等有關(guān)。為進(jìn)一步了解CsGPX在黃瓜抗病方面的功能,深入分析細(xì)菌性角斑病菌侵染下黃瓜CsGPX基因的表達(dá)模式,發(fā)現(xiàn)CsGPX的表達(dá)顯著提高,最高可達(dá)對照表達(dá)量的363.5倍,說明該基因明顯受黃瓜細(xì)菌性角斑病菌的誘導(dǎo)。該結(jié)果可為研究CsGPX基因在黃瓜抗病方面的功能以及解析黃瓜與病原物互作網(wǎng)絡(luò)提供重要依據(jù)。

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