代培紅,胡子曜,李秀青,雷建峰,劉 超,劉曉東,李 月*
(1新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/教育部棉花工程研究中心/農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830052)
【研究意義】棉花(Gossypium hirsutumL)是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物,易受到病蟲害的危害,特別是黃萎病菌,嚴(yán)重影響其正常生長發(fā)育、制約纖維品質(zhì)和產(chǎn)量(Wang et al.,2020)。目前最有效的黃萎病菌防控措施是選育抗病棉花品種,但由于陸地棉資源比較匱乏,采用傳統(tǒng)方法選育抗病品種難度較大。因此,越來越多的研究人員借助轉(zhuǎn)錄組學(xué)、遺傳學(xué)、基因組學(xué)等技術(shù)開展相關(guān)分子育種工作。轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)相關(guān)防御相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,并與其他調(diào)控因子的相互作用,在植物抵御病原體中扮演重要角色。MYB轉(zhuǎn)錄因子是植物中最大的一類轉(zhuǎn)錄因子家族,可通過調(diào)控抗逆相關(guān)基因的表達(dá),參與抗病原體攻擊的防御(朱英潔等,2021)。因此,開展棉花黃萎病相關(guān)的MYB轉(zhuǎn)錄因子基因克隆及功能分析,對篩選并培育棉花抗病新品種具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】自Paz-Ares等(1987)從玉米中鑒定出第一個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子ZmMYBC1后,大量MYB家族基因從不同植物中相繼被克隆出來,研究發(fā)現(xiàn)該家族基因在植物的新陳代謝、生長發(fā)育及抵御各種逆境脅迫中均發(fā)揮重要的調(diào)控作用。Ramírez等(2011)研究發(fā)現(xiàn),AtMYB46負(fù)調(diào)節(jié)擬南芥抵抗灰霉病,是灰霉病菌的敏感調(diào)節(jié)因子。Meng等(2018)研究發(fā)現(xiàn),抑制蘋果MdMYB39L基因表達(dá)后,雄蕊的發(fā)育和花粉管的生長受到顯著抑制。Zhao等(2018)研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥中過表達(dá)小麥TaMYB80基因后降低了轉(zhuǎn)基因植株對高溫和干旱脅迫的敏感性。Zhao等(2019)研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥中過表達(dá)小麥TaMYB31基因后增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因植株的耐旱性。Wu等(2019)研究發(fā)現(xiàn),玉米ZmMYB3R基因通過調(diào)控脫落酸(ABA)信號通路介導(dǎo)植株的抗旱及耐鹽響應(yīng)。Geng等(2020)研究發(fā)現(xiàn),擬南芥MYB轉(zhuǎn)錄因子MYB20、MYB42、MYB43和MYB85通過調(diào)節(jié)次生細(xì)胞壁形成過程中苯丙氨酸和木質(zhì)素的生物合成介導(dǎo)植株的生長發(fā)育。Zhu等(2020)研究發(fā)現(xiàn),菊花CmMYB8基因通過抑制木質(zhì)素和類黃酮合成,在菊花的生長發(fā)育中發(fā)揮負(fù)向調(diào)節(jié)的作用。Zhang等(2020)研究發(fā)現(xiàn),番茄MYB15轉(zhuǎn)錄因子通過參與介導(dǎo)CBF途徑,正向調(diào)節(jié)番茄的耐寒性。Yao等(2022)克隆海棠MbMYB108基因,將MbMYB108基因轉(zhuǎn)入擬南芥后,其耐旱性和耐寒性大幅度提高。Hussain等(2021)從番紅花中鑒定出一種R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子(CstMYB14),其調(diào)節(jié)類胡蘿卜素的活性氧響應(yīng)生物合成,進(jìn)而通過清除活性氧賦予應(yīng)激耐受性。目前,已從陸地棉中共鑒定出812個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子,其中有45個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子功能被報(bào)道(朱英潔等,2021),其中GbMBY5(Chen et al.,2015)、GhRAX3(丁震乾等,2015)、GaMYB85(Butt et al.,2017)、Gh-MYB44(Hasan et al.,2019)和GhMYBPA1(張安紅等,2020)等通過參與不同信號通路的調(diào)控,介導(dǎo)棉花抵御非生物脅迫的應(yīng)激反應(yīng)?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前對于陸地棉MYB轉(zhuǎn)錄因子功能研究主要集中在調(diào)控棉花的生長發(fā)育、纖維伸長、次生壁合成、花青素合成及抗非生物逆境反應(yīng)等方面(朱英潔等,2021),但對于其參與棉花抵御黃萎病菌侵染的相關(guān)報(bào)道較少,該類轉(zhuǎn)錄因子在棉花抗黃萎病中的生物學(xué)功能尚不明確?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過前期轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)篩選得到1個(gè)響應(yīng)黃萎病菌侵染的MYB家族基因GhMYB6,對其進(jìn)行克隆鑒定及生物信息學(xué)分析,并利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默(Virus-Induced gene silencing,VIGS)技術(shù)初步驗(yàn)證其生物學(xué)功能,為研究MYB轉(zhuǎn)錄因子在棉花抗黃萎病反應(yīng)中的分子機(jī)制及棉花黃萎病相關(guān)基因的篩選提供參考。
供試棉花材料為陸地棉(TM-1),其種子由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室保存;VIGS載體中的TRV:RNA1(輔助載體)、TRV:RNA2(陰性對照)、TRV:GhCLA1(陽性對照)和病原菌大麗輪枝菌菌株V991均由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃全生研究員惠贈。陽性對照中的GhCLA1基因與葉綠體發(fā)育相關(guān),利用VIGS技術(shù)干擾了該基因的正常表達(dá)后,棉花葉片出現(xiàn)白化現(xiàn)象。DNA測序及各類引物合成均由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。pEASY Blunt-Zero克隆載體、FastPfuFly DNA聚合酶等均購于北京全式金生物技術(shù)有限公司;限制性內(nèi)切酶KpnⅠ和EcoRⅠ購于賽默飛世爾科技公司。主要儀器設(shè)備:恒溫培養(yǎng)振蕩器(ZWY-2102C,上海智城分析儀器制造有限公司)、PCR儀(Eppendorf,德國)、5424R高速冷凍低溫離心機(jī)(Eppendorf,德國)。
1.2.1 棉花培育及種植 陸地棉TM-1種子經(jīng)硫酸脫絨后,用30%的H2O2溶液浸泡、無菌水沖洗、浸泡露白、28 ℃培養(yǎng)、胚根長至2~3 cm時(shí)種入土里,繼續(xù)培養(yǎng)。待棉花兩片真葉平展時(shí)進(jìn)行接菌處理,具體方法參照胡子曜等(2021)文獻(xiàn)。
1.2.2 黃萎病菌培養(yǎng)及接菌處理 參照Li 等(2021)方法將大麗輪枝菌V991進(jìn)行接菌處理,Czapek’s培養(yǎng)基處理作為對照組(CK),分別在不同時(shí)間點(diǎn)0、6、12、24、48和72 h取根部組織,3個(gè)生物學(xué)重復(fù),置于液氮備用。
1.2.3 總RNA提取及cDNA合成 利用植物總RNA提取試劑盒提取棉花根部總RNA,通過1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測其完整性,反轉(zhuǎn)錄成cDNA第一鏈,備用。
1.2.4GhMYB6基因克隆 通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析,獲得GhMYB6基因序列,并在NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索,獲得其登錄號:XM_016832094。根據(jù)該基因的開放閱讀框(ORF)序列設(shè)計(jì)引物,引物序列如表1。參照胡子曜等(2021)的方法,以cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)體系25.0μL:100 ng/μL cDNA 2.0μL,10 mmoL/L dNTPs 2.0 μL,10 μmoL/L正、反向引物 各1.0 μL,F(xiàn)astPfuFlyDNA 聚 合 酶(1.0 U/μL)1.0 μL,5×PCR Buffer 5.0 μL,ddH2O補(bǔ)足至25.0 μL。擴(kuò)增程序參照胡子曜等(2021)的方法,擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)電泳檢測后,回收目的基因片段,并與克隆載體pEASY Blunt-Zero連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞。挑取陽性單克隆質(zhì)粒送上海生工生物有限公司進(jìn)行測序。
1.2.5 生物信息學(xué)分析 采用NCBI數(shù)據(jù)庫查找GhMYB6基因的最大ORF,通過在線軟件ExPASy分析GhMYB6 蛋白的理化性質(zhì);利用PSIPRED 和SWISS-MODEL預(yù)測GhMYB6蛋白的二、三級結(jié)構(gòu);PSORTⅡ預(yù)測GhMYB6蛋白的亞細(xì)胞定位分析;利用SMART預(yù)測GhMYB6蛋白的結(jié)構(gòu)域。查找并下載雷蒙德氏棉、擬南芥、亞洲棉等物種的同源蛋白序列,利用MEGA 11.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹。
1.2.6 黃萎病菌侵染下GhMYB6基因的表達(dá)模式分析 以cDNA為模板,利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qRT-PCR)檢測GhMYB6基因在黃萎病菌誘導(dǎo)下的表達(dá)模式,每個(gè)樣本均設(shè)3個(gè)技術(shù)重復(fù)。以棉花管家基因GhUBQ7(袁偉等,2012)為內(nèi)參,根據(jù)內(nèi)參基因Ct值,利用2-ΔΔCt方法計(jì)算棉花GhMYB6基因的相對表達(dá)量(Kenneth et al.,2001)。GhMYB6基因和GhUBQ7基因的熒光定量引物q-GhMYB6和q-GhUBQ7如表1所示。
1.2.7GhMYB6基因的VIGS載體構(gòu)建 根據(jù)Gh-MYB6基因的ORF序列,設(shè)計(jì)靶序列258 bp(抑制目的基因表達(dá))及擴(kuò)增引物CM-GhMYB6(表1),并在其5'端加EcoRⅠ和KpnⅠ的酶切位點(diǎn),以cDNA為模板進(jìn)行目標(biāo)片段克隆及測序,并將上述測序正確的質(zhì)粒和TRV:RNA2載體分別經(jīng)EcoRⅠ和KpnⅠ酶切后回收,將目的基因與TRV:RNA2載體連接獲得TRV:GhMYB6載體,然后轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)酶切鑒定正確后,轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101感受態(tài)細(xì)胞。
1.2.8 農(nóng)桿菌介導(dǎo)的VIGS侵染棉花及沉默效率檢測 把VIGS載體中的TRV:GhCLA1(陽性對照)、TRV:RNA1(輔助載體)、TRV:RNA2(陰性對照)和重組載體TRV:GhMYB6轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌后,選取子葉展開,真葉未露,生長情況一致的棉花幼苗,參照Li等(2021)方法進(jìn)行侵染。侵染2周左右,當(dāng)陽性對照植株真葉出現(xiàn)顯著的白化現(xiàn)象時(shí),分別采集試驗(yàn)組、陰性對照及陽性對照的根部和真葉取樣。利用qRT-PCR對基因的沉默效率進(jìn)行檢測。陽性對照GhCLA1基因的熒光定量引物為q-GhCLA1(表1)。
表1 供試引物序列信息Table 1 Primer sequence information used in the experiment
1.2.9 黃萎病菌接種處理及抗性鑒定 參照Li等(2021)的方法,將黃萎病菌接種于生長狀況一致的GhMYB6沉默植株和陰性對照植株。在接種黃萎病菌18 d后記錄表型差異,并進(jìn)行病情指數(shù)統(tǒng)計(jì)、莖段恢復(fù)培養(yǎng)及剖桿檢測試驗(yàn)(沈吉麗等,2020;Li et al.,2021)。
GhMYB6基因PCR產(chǎn)物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測,結(jié)果如圖1所示。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物大小與預(yù)期結(jié)果(258 bp)一致,條帶單一,其測序結(jié)果與參考序列(XM_01683 2094)完全一致,表明成功獲得GhMYB6基因。
圖1 GhMYB6基因ORF的PCR產(chǎn)物電泳檢測結(jié)果Fig.1 Electrophoretic detection of PCR products of GhMYB6 gene ORF
GhMYB6基因ORF編碼85個(gè)氨基酸殘基,理論等電點(diǎn)(pI)為9.34,脂肪系數(shù)為73.41,平均疏水性為-0.793,相對分子質(zhì)量為9.86 kD,不穩(wěn)定指數(shù)為73.41,說明該蛋白為親水性、堿性的非穩(wěn)定蛋白;該蛋白無跨膜結(jié)構(gòu),無信號肽,且定位于細(xì)胞核,與轉(zhuǎn)錄因子特征相符;該蛋白在第11~63氨基酸處含有1個(gè)SANT結(jié)構(gòu)域(圖2)。二級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果(圖3-A)顯示,GhMYB6蛋白含有42個(gè)α-螺旋和43個(gè)無規(guī)則卷曲,分別占比49.4%和50.6%。利用SWISS-MODEL預(yù)測GhMYB6蛋白的三級結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn)GhMYB6蛋白的三級結(jié)構(gòu)與二級結(jié)構(gòu)特征完全符合(圖3-B)。
圖2 GhMYB6蛋白的結(jié)構(gòu)域預(yù)測結(jié)果Fig.2 Prediction of GhMYB6 protein domain
圖3 GhMYB6蛋白的二、三級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果Fig.3 Secondary and tertiary structure prediction of GhMYB6 protein
選取不同植物的同源序列,采用MEGA 11.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹,結(jié)果顯示GhMYB6蛋白與雷蒙德氏棉GrMYB6聚在同一小分支上,說明二者的親緣關(guān)系較近(圖4)。
圖4 基于不同植物MYB氨基酸序列相似性構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹Fig.4 Phylogenetic tree based on MYB amino acid sequence similarity in different plants
利用大麗輪枝菌V991接種侵染棉花TM-1,分別在0、6、12、24、48和72 h時(shí)取棉花根部樣品并提取總RNA,反轉(zhuǎn)錄合成cDNA第一鏈,以其為模板進(jìn)行qRT-PCR檢測,結(jié)果(圖5)顯示,GhMYB6基因在V991侵染后6和12 h時(shí)相對表達(dá)量較CK極顯著下調(diào)(P<0.01,下同),在72 h顯著上調(diào)(P<0.05,下同),24和48 h時(shí)與CK無顯著差異(P>0.05,下同),推測GhMYB6基因在棉花抵御黃萎病菌響應(yīng)中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。
圖5 黃萎病菌侵染下GhMYB6基因的表達(dá)模式Fig.5 Expression pattern of GhMYB6 gene infected with Verticillium wilt
利用引物CM-GhMYB6-F和CM-GhMYB6-R,通過PCR擴(kuò)增抑制GhMYB6基因表達(dá)的靶序列(CMGhMYB6),結(jié)果(圖6-A)顯示,擴(kuò)增條帶大小約300 bp,與預(yù)期大小一致,其測序結(jié)果與目標(biāo)序列一致。對TRV:GhMYB6載體進(jìn)行雙酶切鑒定,結(jié)果如圖6-B所示,雙酶切產(chǎn)物中存在2條帶,分別是約300 bp的目標(biāo)條帶和大于8000 bp的載體條帶,初步表明GhMYB6基因的VIGS載體構(gòu)建成功。
圖6 GhMYB6的VIGS載體構(gòu)建Fig.6 Construction of VIGS vector of GhMYB6
將農(nóng)桿菌菌液侵染棉花子葉,接種大約2周后發(fā)現(xiàn),與未轉(zhuǎn)入TRV載體的陰性對照植株(TRV:00)相比,接種TRV:GhCLA1農(nóng)桿菌(陽性對照)的植株葉片出現(xiàn)明顯的白化現(xiàn)象(圖7-A)。利用qRT-PCR檢測陽性對照GhCLA1和目的基因GhMYB6在根部和真葉中的相對表達(dá)量,結(jié)果顯示,GhCLA1和GhMYB6基因已被有效沉默(圖7-B和圖7-C),表明本研究所用TRV-VIGS體系能在植株體內(nèi)正常工作,成功獲得GhMYB6基因的沉默植株。
圖7 GhMYB6基因的沉默效率檢測結(jié)果Fig.7 Detection results of silencing efficiency of GhMYB6 gene
選取長勢一致的GhMYB6基因沉默植株和陰性對照植株TRV:00侵染黃萎病菌,18 d后記錄其表型差異,并進(jìn)行病情指數(shù)統(tǒng)計(jì)、莖段恢復(fù)培養(yǎng)及剖稈檢測試驗(yàn),結(jié)果如圖8所示。與陰性對照植株TRV:00相比,GhMYB6基因沉默植株萎蔫程度和葉片黃化更嚴(yán)重(圖8-A),病情指數(shù)顯著升高(圖8-B),莖稈的褐變程度更嚴(yán)重(圖8-C),且莖段在培養(yǎng)基上生長的真菌菌絲數(shù)量明顯增多(圖8-D)。綜上所述,Gh-MYB6是棉花抗黃萎病反應(yīng)的一個(gè)正調(diào)控因子,抑制GhMYB6基因表達(dá)后,增強(qiáng)了棉花對黃萎病菌的敏感性。
圖8 GhMYB6基因沉默植株的抗病性鑒定Fig.8 Disease resistance identification of GhMYB6 gene silencing plants
本研究通過前期轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)篩選得到1個(gè)響應(yīng)黃萎病菌侵染的MYB家族基因GhMYB6,因其與雷蒙德氏棉GrMYB6基因具有較高的核苷酸序列相似性(100%),將其命名為GhMYB6,其ORF長度為258 bp,編碼85個(gè)氨基酸殘基,相對分子質(zhì)量為9.86 kD,定位于細(xì)胞核,為堿性、親水性的非跨膜蛋白,無信號肽。MYB轉(zhuǎn)錄因子家族的N端含有MYB結(jié)構(gòu)域,具有高度保守性。棉花GhMYB146(倪志勇等,2016)和澳洲堅(jiān)果MiMYB1(王文林等,2020)蛋白N端均有2個(gè)高度保守結(jié)構(gòu)域SANT。而本研究克隆的GhMYB6基因所編碼蛋白N端只有1個(gè)高度保守結(jié)構(gòu)域SANT,位于第11~63個(gè)氨基酸殘基,與倪志勇等(2016)、王文林等(2020)的結(jié)果存在差異,推測其可能屬于不同的亞家族。本研究發(fā)現(xiàn)GhMYB6基因定位于細(xì)胞核,與倪志勇等(2016)、王文林等(2020)研究結(jié)果一致,符合轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)棉花TM-1接種大麗輪枝菌V991后,結(jié)果發(fā)現(xiàn)GhMYB6基因在V991侵染后在6和12 h時(shí)的相對表達(dá)量較CK極顯著下調(diào),72 h時(shí)顯著上調(diào),24和48 h時(shí)均與CK無顯著差異,整體表現(xiàn)出先下調(diào)后上調(diào)的變化趨勢,與棉花GhMYB12(李菲等,2014)的研究結(jié)果一致,表明GhMYB6基因響應(yīng)黃萎病菌V991侵染,推測其可能在棉花黃萎病菌防御中發(fā)揮一定的功能。
轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)相關(guān)防御基因的轉(zhuǎn)錄與其他調(diào)控因子相互作用,在植物抵御病原體響應(yīng)中扮演重要角色(Tsuda and Somssich,2015)。目前對于棉花MYB轉(zhuǎn)錄因子參與棉花抵御黃萎病菌響應(yīng)的相關(guān)報(bào)道較少。Cheng等(2016)研究發(fā)現(xiàn),GhMYB108可與鈣調(diào)素類似蛋白GhCML11發(fā)生互作從而形成一個(gè)正反饋環(huán),正向介導(dǎo)棉花抵御大麗輪枝菌侵染反應(yīng);沈吉麗等(2020)研究發(fā)現(xiàn),GhMYB43通過負(fù)調(diào)控木質(zhì)素的生物合成和及茉莉酸信號通路相關(guān)基因的表達(dá),在棉花抗黃萎病反應(yīng)中作為一個(gè)負(fù)調(diào)控因子;Liu等(2021)研究發(fā)現(xiàn),GhMYB36轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控植物中病程相關(guān)蛋白1(Pathogensis-related protein 1,PR1)基因的表達(dá),增強(qiáng)了棉花對黃萎病菌的抗性和干旱的耐受性。序列比對結(jié)果顯示,本研究克隆獲得的GhMYB6基因所編碼的蛋白序列與上述前人研究中的蛋白序列均存在一定差異,表明GhMYB6是一個(gè)新的棉花MYB轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因,進(jìn)一步豐富了棉花MYB家族轉(zhuǎn)錄因子在抗黃萎病中生物學(xué)功能。另外,與陰性對照植株TRV:00相比,GhMYB6基因沉默植株萎蔫程度和葉片黃化更嚴(yán)重,病情指數(shù)顯著升高,莖稈的褐變程度更嚴(yán)重,莖段在培養(yǎng)基上生長的真菌菌絲數(shù)量明顯增多,說明GhMYB6基因棉花抗黃萎病響應(yīng)中發(fā)揮了重要的正向調(diào)節(jié)作用,與沈吉麗等(2020)研究的GhMYB43在棉花抗黃萎病響應(yīng)中作為一個(gè)負(fù)調(diào)控因子的功能相反,與GhMYB12(李菲等,2014)、GhMYB108(Cheng等,2016)及GhODO1(Zhu et al.,2022)正向介導(dǎo)棉花抵御大麗輪枝菌侵染反應(yīng)的功能一致,推測MYB家族基因功能具有多樣性。本研究通過反向遺傳學(xué)的方法,初步證明了GhMYB6是一個(gè)理想的棉花抵御黃萎病菌入侵的正向調(diào)節(jié)基因,為后續(xù)利用基因組編輯技術(shù)創(chuàng)制突變體材料提供了新的靶向選擇,同時(shí)也為培育棉花抗病新種質(zhì)提供了一定的理論基礎(chǔ),但該基因的調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。
GhMYB6基因響應(yīng)黃萎病菌V991侵染,當(dāng)抑制GhMYB6基因表達(dá)后,棉花對黃萎病菌的敏感性增強(qiáng),抗性明顯降低,推測GhMYB6是棉花抗黃萎病防御的一個(gè)正向調(diào)節(jié)因子。