陳培雯,張 立,陳學(xué)進(jìn),李新崢,李慶飛*
(1 河南科技學(xué)院 園藝園林學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;2 河南省園藝植物資源利用與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心,河南新鄉(xiāng) 453003)
病程相關(guān)基因非表達(dá)子(nonexpressor of pathogenesis related genes1,NPR1)是植物系統(tǒng)獲得性抗性防御反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控因子,最早發(fā)現(xiàn)于擬南芥突變體中,并以其突變體npr1的表型命名[1-4]。NPR1蛋白包含典型的錨蛋白重復(fù)序列(ankyrin repeats,簡稱ANK)結(jié)構(gòu)域和BTB /POZ(broad-complex,tramtrack,and bric-a-brac /poxvirus and zinc-Finger)結(jié)構(gòu)域,其結(jié)構(gòu)域與蛋白和蛋白之間的互作密切相關(guān)。擬南芥NPR1的ANK結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)其與Basic Domain/Leucine Zipper轉(zhuǎn)錄因子TGA的相互作用,在ANK突變體中無法形成NPR1-TGA復(fù)合體,且不能誘導(dǎo)病程相關(guān)基因(PR)的形成,其共激活需要BTB/POZ結(jié)構(gòu)域和C端半胱氨酸的氧化[5-7]。NPR1通過BTB/POZ結(jié)構(gòu)域與乙烯受體蛋白(ethylene insensitive3,EIN3)相互作用,干擾EIN3與靶基因啟動(dòng)子的結(jié)合,從而阻礙頂端彎鉤的形成[8]。N端的BTB/POZ結(jié)構(gòu)域可與C端的反式激活結(jié)構(gòu)相互作用抑制其功能,而NPR1與SA的結(jié)合可通過構(gòu)象變化破壞這種相互作用[9]。
誘導(dǎo)抗性響應(yīng)在植物防御系統(tǒng)中起著重要的作用。NPR1是系統(tǒng)獲得性抗性(SAR)信號(hào)傳導(dǎo)途徑上的關(guān)鍵調(diào)控因子,是調(diào)節(jié)植物的抗病性的重要基因[10]。SAR的誘導(dǎo)物促進(jìn)NPR1在Ser11/Ser15殘基上的磷酸化,然后促進(jìn)其被cullin3為基礎(chǔ)的泛素連接酶補(bǔ)充。磷酸化的NPR1的轉(zhuǎn)換是完全誘導(dǎo)靶基因和SAR建立所必需的[11]。蠟狀芽孢桿菌AR156通過激活SAR來增強(qiáng)擬南芥的抗病能力,AR156誘導(dǎo)的SAR依賴于NPR1和SA信號(hào)通路[12]。水楊酸(SA)是植物免疫所需的一種防御激素。擬南芥的NPR1和NPR3/NPR4先前被證明可以結(jié)合SA,這3種蛋白都是SA受體。NPR1為轉(zhuǎn)錄共激活因子,而NPR3/NPR4被認(rèn)為是促進(jìn)NPR1降解的E3連接酶,其在SA誘導(dǎo)的防御基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起著相反的作用[13]。NPR1基因參與了多種植物病菌的防御調(diào)控。香蕉NPR1家族成員MaNPR4 及MaNPR11的表達(dá)量隨著枯萎病菌的侵染時(shí)間延長而不斷增加[14]。在擬南芥中,超量表達(dá)AtNPR1基因可以增強(qiáng)植株對(duì)霜霉病菌(peronosporaparasitica)和丁香假單胞菌(pseudomonassyringae)的抗性[15]。擬南芥AtNPR1基因在其他作物中也被證實(shí)可以增加植株抗病性,AtNPR1轉(zhuǎn)基因番茄不僅對(duì)番茄花葉病毒產(chǎn)生抗性,還對(duì)多種真菌性和細(xì)菌性病害表現(xiàn)出廣譜抗性[16];AtNPR1轉(zhuǎn)基因胡蘿卜對(duì)核盤霉等病菌的抗性均明顯提高[17];轉(zhuǎn)基因油菜表現(xiàn)出對(duì)丁香假單胞菌的抗性[18]。
除此之外,NPR1家族成員基因還參與了植物花和果實(shí)的發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn),2個(gè)NPR1-like基因BOP1和BOP2可以調(diào)控葉片和花的不對(duì)稱生長,其雙突變體出現(xiàn)多葉葉柄,花器官脫落,和被苞片包住的不對(duì)稱花[19]。油桐3個(gè)NPR1 家族基因在其雌花、雄花、兩性花中都顯著差異表達(dá),且在雄花中表達(dá)量最高,推測(cè)油桐的3個(gè)NPR1 家族基因(VfNPR1/3/5)參與了花、果實(shí)發(fā)育和根系系統(tǒng)獲得性抗性信號(hào)途徑[20]。
南瓜是葫蘆科南瓜屬一年生蔓性草本植物[21],具有易成活、營養(yǎng)價(jià)值高、產(chǎn)量大的特點(diǎn),在世界各地均有種植[22]。中國南瓜(Cucurbitamoschata)是最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的栽培種,可炒食、蒸食,果肉和種子中含有較高的多糖、β-胡蘿卜素、果膠等保健成分,在降血糖、降血脂、增強(qiáng)機(jī)體免疫等方面具有明顯作用[23]。因此,南瓜是一種具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值的蔬菜作物。前期課題組研究發(fā)現(xiàn),CmNPR1在南瓜雌蕊敗育(表現(xiàn)為柱頭不同程度的缺失)材料中顯著下調(diào)表達(dá),推測(cè)該基因?qū)δ瞎洗苹òl(fā)育具有重要作用。本研究對(duì)中國南瓜CmNPR1基因進(jìn)行表達(dá)模式分析、基因克隆、生物信息學(xué)分析以及亞細(xì)胞定位,為進(jìn)一步研究南瓜CmNPR1基因的生物學(xué)功能提供重要的參考依據(jù)。
試驗(yàn)所用植物材料為中國南瓜自交系‘3-1’,種植于新鄉(xiāng)市新東農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)田,采用常規(guī)方法進(jìn)行栽培管理。在植株盛花期,取不同發(fā)育時(shí)期的雌花、雄花(縱徑0.5、1.0和2.0 cm),選取葉片、幼嫩雌花、雄花(肉眼能區(qū)分花不同結(jié)構(gòu)的最幼嫩時(shí)期,縱徑0.5~1.0 cm)解剖為雌花萼片、柱頭和子房,雄花萼片和雄蕊,取樣后立即放入液氮中冷凍,存儲(chǔ)于-80 ℃超低溫冰箱,用于后續(xù)檢測(cè)CmNPR1基因在花不同發(fā)育時(shí)期和花不同結(jié)構(gòu)中的表達(dá)水平以及用于后續(xù)基因克隆實(shí)驗(yàn)。
1.2.1 中國南瓜CmNPR1基因的克隆采用TaKaRa公司MiniBEST Plant RNA Extraction Kit試劑盒提取南瓜雌花的總RNA,根據(jù) TaKaRa公司PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒進(jìn)行一鏈cDNA的合成。利用中國南瓜基因組數(shù)據(jù)庫(http://cucurbitgenomics.org/organism/9)中同源基因的CDS序列,設(shè)計(jì)基因特異引物,并送往鄭州生工生物工程有限公司合成,引物序列信息見表1。以合成的cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR產(chǎn)物用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),回收目的基因片段。然后,將其連接至pMD19-T載體,轉(zhuǎn)化到大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞,選取陽性單克隆菌液送鄭州生工生物工程有限公司測(cè)序。
1.2.2CmNPR1的生物信息學(xué)分析利用ExPASy ProParam tool(https://web.expasy.org/protparam/)預(yù)測(cè)蛋白的理化性質(zhì),利用NCBI-CDS(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)預(yù)測(cè)蛋白的保守結(jié)構(gòu)域,利用Net Phos3.1 Serve(http://www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos/)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)磷酸化位點(diǎn),利用NPS@:SOPMA(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma.html)在線工具預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu),利用TMHMM Server V2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)在線工具進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)分析,利用SignalP 4.0 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP-4.0/)在線工具預(yù)測(cè)信號(hào)肽,利用NCBI blast(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)進(jìn)行基因序列同源性比對(duì)分析,利用DNAMAN 6.0軟件進(jìn)行多序列比對(duì)分析,MEGA7.0構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。
1.2.3CmNPR1基因在植株不同結(jié)構(gòu)中的表達(dá)采用TaKaRa公司MiniBEST Plant RNA Extraction Kit試劑盒分別提取不同發(fā)育時(shí)期的雌花、雄花(縱徑0.5、1.0和2.0 cm),葉片和花不同結(jié)構(gòu)的總RNA,采用PrimeScriptTMRT Master Mix(Perfect Real Time)試劑盒進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。利用Primer Premier 5.0 軟件設(shè)計(jì)CmNPR1和內(nèi)參β-Actin7基因的熒光定量引物,送鄭州生工生物技術(shù)有限公司進(jìn)行合成,引物序列信息見表1。按照TaKaRa公司的TB Green?Premix Ex TaqTMⅡ(Tli RNaseH Plus)熒光染料說明書進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR,反應(yīng)設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù),采用2-ΔΔCt法計(jì)算目標(biāo)基因的相對(duì)表達(dá)量[24]。
表1 引物序列表
1.2.4 CmNPR1亞細(xì)胞位置的預(yù)測(cè)及定位首先利用在線軟件WoLF PSORT Prediction和Plant-mPLoc server對(duì)CmNPR1蛋白進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)分析。其次,構(gòu)建GFP融合表達(dá)載體轉(zhuǎn)化擬南芥原生質(zhì)體,確定CmNPR1蛋白表達(dá)的亞細(xì)胞位置。采用酶切連接法,將CmNPR1基因CDS片段(去掉終止密碼子)連入帶有GFP標(biāo)簽的pBWA(V)HS-ccdb-GLosgfp載體,構(gòu)建目的基因及GFP融合表達(dá)載體。挑取陽性融合載體的菌斑,搖菌,提取質(zhì)粒DNA以備轉(zhuǎn)化。
制備擬南芥原生質(zhì)體并轉(zhuǎn)化:選取25 ℃培養(yǎng)7~15 d的擬南芥愈傷組織,稱取5~10 g,磨碎。在組織中加入5~10 mL酶解液,以全部浸泡組織為宜。28 ℃,緩慢震蕩酶解5~6 h,用40 μm濾網(wǎng)過濾原生質(zhì)體,然后用大離心管50×g離心10 min,去上清,用預(yù)冷W5溶液10 mL洗滌2次,每次50×g,離心5 min,可見管底渾濁沉淀。根據(jù)需要加入500 μL的MMG溶液懸浮。鏡檢:40倍鏡下,檢測(cè)原生質(zhì)體。取200 μL原生質(zhì)體懸液加入10 μL的質(zhì)粒DNA(最好500 ng以上),取與DNA和原生質(zhì)體體積相等的PEG溶液,500 ng以上的純化質(zhì)粒進(jìn)行輕柔均勻混合。室溫靜置30 min。用1 mL W5稀釋原生質(zhì)體?;旌暇鶆蚪K止反應(yīng)。100×g離心5 min收集原生質(zhì)體,去上清。加入1 mL W5溶液洗1~2次。最后,加入1 mL W5溶液,移至2 mL離心管中,28 ℃暗培養(yǎng)24~48 h,激光共聚焦顯微鏡觀察。其中,酶解液、W5溶液、MMG溶液參照Yoo等[25]進(jìn)行配制。
以南瓜雌花組織RNA反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA為模板,用CmNPR1基因特異引物CmNPR1-F和CmNPR1-R進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳,電泳結(jié)果如圖1,可見唯一特異條帶,CmNPR1基因的CDS全長為1 442 bp。
M. DL2000; 1. CmNPR1圖1 CmNPR1的PCR擴(kuò)增Fig.1 PCR product of CmNPR1
經(jīng)預(yù)測(cè)CmNPR1蛋白由480個(gè)氨基酸組成,分子式為C2254H3628N646O698S24,總原子數(shù)7 250,相對(duì)分子量為51.71 kD,等電點(diǎn)值為5.88,正電荷殘基(精氨酸+賴氨酸)39個(gè),負(fù)電荷殘基(天冬氨酸+谷氨酸)52個(gè),脂肪氨基酸系數(shù) 95.50,平均親水性-0.047,不穩(wěn)定系數(shù)49.65,說明該蛋白屬于不穩(wěn)定性親水蛋白質(zhì)。磷酸化是蛋白翻譯后最重要的修飾之一。NetPhos 3.1 server預(yù)測(cè)顯示,CmNPR1有76個(gè)磷酸化位點(diǎn),其中絲氨酸49個(gè),蘇氨酸21個(gè),酪氨酸6個(gè)。利用NPS@:SOPMA預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),CmNPR1含有45.83%的α-螺旋,41.67%的無規(guī)則卷曲,7.92%的延伸鏈,4.58%的β-轉(zhuǎn)角,其中α-螺旋比例最高(圖2,A)。以已知蛋白結(jié)構(gòu)DARPin-DARPin (PDB ID:5leb.1.A)為模板,采用SWISS MODEL建模,得到CmNPR1的三維結(jié)構(gòu),如圖2,B。SignalP 4.0 server和TMHMM分析顯示,CmNPR1蛋白無信號(hào)肽(圖3,A)和跨膜結(jié)構(gòu)(圖3,B)。CmNPR1保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,CmNPR1氨基酸序列含有一個(gè)BTB-POZ(8-174位氨基酸)保守結(jié)構(gòu)域,一個(gè)DUF3420(209-265位氨基酸)和一個(gè)錨蛋白重復(fù)序列Ank-2(272-353位氨基酸)特異位點(diǎn)(圖4)。
A. 二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)(a. α-螺旋;b. β-轉(zhuǎn)角;c. 延伸鏈;d. 無規(guī)則卷曲);B. 三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)圖2 CmNPR1蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)A. Prediction of the secondary structure (a. α-helix; b. β-turn; c. Extended strand; d. Random coil); B. Prediction of the tertiary structureFig.2 Prediction of the secondary and tertiary structures of CmNPR1
A. 信號(hào)肽預(yù)測(cè);B. 跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)圖3 CmNPR1蛋白的信號(hào)肽及跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)A. Prediction of the signal peptide;B. Prediction of the transmembrane domainFig.3 Prediction of the signal peptide and transmembrane domain of CmNPR1
圖4 CmNPR1蛋白保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)Fig.4 Prediction of conserved domains of CmNPR1
同源比對(duì)結(jié)果顯示,CmNPR1氨基酸序列與中國南瓜數(shù)據(jù)庫中基因XP_022932990.1的氨基酸序列一致性最高,達(dá)到96.67%,其次與美洲南瓜(Cucurbitapepo, XP_023554537.1)、印度南瓜(Cucurbitamaxima,XP_022967689.1)、冬瓜(Benincasahispida,XP_038883416.1)和黃瓜(Cucumissativus, XP_004150250.1)等葫蘆科作物的氨基酸序列一致性較高,分別為96.05%、95.63%、86.00%和86.44%(圖5),與其他科作物相似性較低。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果與同源序列比對(duì)結(jié)果相似,中國南瓜CmNPR1與美洲南瓜NPR1親緣關(guān)系最近,其次親緣關(guān)系較近的為印度南瓜、冬瓜和黃瓜等同科作物,與黃木薯、橡膠樹、栗、中??Х?、香櫻桃咖啡和小果咖啡等其他科屬作物親緣關(guān)系較遠(yuǎn)(圖6)。
圖5 CmNPR1蛋白與其他同源作物的氨基酸多序列比對(duì)分析Fig.5 Multiple sequence alignment analysis of CmNPR1 protein with homologous proteins of other plants
圖6 中國南瓜與其他作物NPR1蛋白的進(jìn)化分析結(jié)果Fig.6 Phylogenetic analysis results of NPR1 in Cucurbita moschata and other plants
利用熒光定量PCR技術(shù),分析CmNPR1基因在南瓜雌花、雄花不同發(fā)育時(shí)期及花不同結(jié)構(gòu)中的表達(dá)水平發(fā)現(xiàn),CmNPR1基因在不同發(fā)育時(shí)期(縱徑0.5、1.0和 2.0 cm)的雌花和雄花中都有表達(dá),其中在所取最幼嫩的雌花或雄花(0.5 cm時(shí)期)中表達(dá)量最高,該時(shí)期是花分化為花不同結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵時(shí)期,其表達(dá)量顯著高于1.0 cm和2.0 cm時(shí)期,說明隨著雌花和雄花的發(fā)育,該基因表達(dá)量逐漸降低(圖7,A)。對(duì)該基因在雌花和雄花不同結(jié)構(gòu)中的表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),CmNPR1基因在雌花柱頭中的表達(dá)量最高,其次是雄花萼片、雌花萼片、雄蕊、葉片和子房。其中,柱頭中表達(dá)量是雄蕊中表達(dá)量的15倍,是葉片中表達(dá)量的47倍(圖7,B);推測(cè)CmNPR1在南瓜花發(fā)育過程中具有重要作用。
不同小寫字母表示基因表達(dá)存在顯著差異(P<0.05)圖7 花發(fā)育不同時(shí)期及不同結(jié)構(gòu)組織中CmNPR1的表達(dá)Different normal letters indicate significant difference in gene expression (P<0.05)Fig.7 Expression levels of CmNPR1 in different developmental stages and different structures of flowers and leaves
在線軟件WoLF PSORT Prediction和Plant-mPLoc server亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果顯示CmNPR1蛋白位于葉綠體、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、質(zhì)體的可能性較大。為了確定CmNPR1蛋白的亞細(xì)胞位置,構(gòu)建了CmNPR1-GFP融合蛋白表達(dá)載體,在激光共聚焦顯微鏡下觀察顯示,CmNPR1-GFP融合蛋白在葉綠體未見明顯熒光,根據(jù)熒光所在位置判斷CmNPR1可能位于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核(圖8)。
圖8 CmNPR1的亞細(xì)胞定位Fig.8 Subcellular localization of CmNPR1
南瓜是世界廣泛種植的蔬菜作物之一[26]。研究表明NPR1基因在植物花和果實(shí)的發(fā)育[19-20]、晝夜節(jié)律穩(wěn)態(tài)[27]以及抗凍性[28]等方面具有重要的調(diào)控作用,是SAR途徑中的關(guān)鍵調(diào)控因子,幾乎參與植物的整個(gè)生命周期[29]。本研究克隆南瓜CmNPR1基因,并對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn), NPR1在各物種中具有高度保守性,含錨蛋白重復(fù)和BTB/POZ兩個(gè)蛋白互作結(jié)構(gòu)域,這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域和蛋白與蛋白的相互作用緊密相關(guān),對(duì)NPR1基因發(fā)揮其功能至關(guān)重要[2,6-9]。本研究中保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),CmNPR1蛋白具有一個(gè)BTB/POZ保守結(jié)構(gòu)域和一個(gè)錨蛋白重復(fù)序列(ANK),本研究結(jié)果與陳觀水等[30]對(duì)甘薯等7種植物NPR1蛋白預(yù)測(cè)結(jié)果相似。同源序列比對(duì)和系統(tǒng)進(jìn)化樹分析顯示,CmNPR1與同為葫蘆科作物的美洲南瓜、印度南瓜、冬瓜和黃瓜的NPR1一致性較高,說明該蛋白在進(jìn)化過程中比較保守。了解蛋白的亞細(xì)胞定位有助于系統(tǒng)探究該基因的功能及其所在亞細(xì)胞位置和參與的代謝活動(dòng)。NPR1蛋白的核轉(zhuǎn)運(yùn)是其發(fā)揮調(diào)控作用的重要步驟,在沒有病原體攻擊的情況下,核NPR1蛋白不斷地被蛋白酶從細(xì)胞核中清除,抑制了其共激活活性[11]。本研究結(jié)果顯示CmNPR1蛋白位于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中,說明CmNPR1可能在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中行使功能,這與蘋果中MdNPR1蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的結(jié)果一致[31]。推測(cè)CmNPR1蛋白位于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核兩個(gè)細(xì)胞位置可能和NPR1蛋白的核轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。
多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)NPR1家族成員可能參與了植物花和果實(shí)的發(fā)育[19-20]。在蘋果中,研究發(fā)現(xiàn)MdNPR7、MdNPR8均在花中表達(dá)量最高,且在莖,葉片及種子中表達(dá)量較低[31]。ZmNPR1在玉米各組織中均有表達(dá),其中在雌穗中的表達(dá)量較高[32]。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)南瓜CmNPR1基因在南瓜雌蕊敗育材料中顯著下調(diào)表達(dá)[33]。為探究該基因在南瓜花發(fā)育中的作用,本研究分析了該基因在雌雄花不同發(fā)育時(shí)期、不同結(jié)構(gòu)中的表達(dá),結(jié)果顯示,該基因在最小花發(fā)育時(shí)期和雌蕊柱頭中的表達(dá)量最高。該研究結(jié)果與玉米[32]中ZmNPR1的研究結(jié)果具有一致性,推測(cè)CmNPR1基因可能對(duì)南瓜雌花尤其是雌蕊的發(fā)育具有重要作用。但該基因在南瓜花發(fā)育方面的功能還需要進(jìn)一步進(jìn)行功能分析。本研究中CmNPR1基因CDS的獲得和生物信息學(xué)分析及其在雌雄花不同發(fā)育時(shí)期、不同結(jié)構(gòu)中的表達(dá)分析結(jié)果為深入研究該基因在南瓜花發(fā)育中的功能奠定了研究基礎(chǔ)。