趙曾強(qiáng) 郭文婷 張析 李瀟玲 張薇
(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,石河子 832000;2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所,石河子 832000)
棉花是紡織業(yè)主要原料,新疆作為我國主要棉花生產(chǎn)基地,2020年種植面積為250.19萬hm2[1],而枯萎病菌(Fusarium oxysporum)引起的棉花發(fā)病面積逐年加劇,培育抗病品種是防治棉花枯萎病最經(jīng)濟(jì)有效的措施,利用基因工程技術(shù)挖掘抗病基因,解析其調(diào)控機(jī)理,對(duì)培育抗病棉花品種具有重要意義[2-3]。
植物中第二大類轉(zhuǎn)錄因子AP2/ERF(ethylene response factor)能夠影響植物多種品質(zhì)特征[4-7],該類家族基因含有典型的60-70個(gè)高度保守的氨基酸殘基組成的AP2/ERF型DNA結(jié)合域[8],根據(jù)保守域數(shù)量該類轉(zhuǎn)錄因子分為4個(gè)亞族AP2、ERF、RAV 和孤單亞族[4,9],而 ERF 亞族只含有一個(gè)保守的AP2/ERF型DNA結(jié)合域,其C-端由18個(gè)氨基酸殘基組成α-螺旋,與其他DNA元件或轉(zhuǎn)錄因子相互作用,N-端由3個(gè)反向平行的β-折疊構(gòu)成的堿性親水區(qū)域[10]。ERF轉(zhuǎn)錄因子是高等植物獨(dú)有的一類轉(zhuǎn)錄因子,位于乙烯信號(hào)傳導(dǎo)通路下游,參與一系列生物脅迫和非生物脅迫事件[4,11-12]。研究表明,擬南芥AtERF4過表達(dá)降低對(duì)枯萎病抗性,但該基因缺失后,其突變體提高對(duì)枯萎病抗性[13],AtERF1[14]、AtORA59[15]過表達(dá)增強(qiáng)植株對(duì)灰霉病抗 性,AtERF1[14]、AtERF2[13]、AtERF14[16]過 表達(dá)增強(qiáng)植株對(duì)枯萎病抗性;煙草NtTsi1[17]、NtERF5[18]、NtOPBP1[19]過表達(dá)分別提高了煙草對(duì)細(xì)菌性斑點(diǎn)病、煙草花葉病毒病和煙草疫病抗性;番茄Pti4、Pti5、TSRF1過表達(dá)分別提高白粉病和細(xì)菌性斑點(diǎn)病、野火病和青枯病抗性[20]??傊鄶?shù)ERF轉(zhuǎn)錄因子過表達(dá)后能夠提高植物抗病性,說明該類轉(zhuǎn)錄因子在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中具有轉(zhuǎn)錄激活特性,在植物抗病性中起關(guān)鍵作用。
除擬南芥、煙草、番茄外,在小麥[21]、大麥[22]、大豆[23]、水稻[24]、苜蓿[25]中均發(fā)現(xiàn)該類轉(zhuǎn)錄因子能夠參與植物對(duì)病原菌的脅迫響應(yīng);棉花GhERF4[26]、GhERF5[27]、GhERF2[28]、GhERF3[28]與 GhERF6[28]均可響應(yīng) ET、ABA、鹽、冷及干旱誘導(dǎo);GbERF1/2[29]在黃萎病菌侵染后其表達(dá)量明顯升高,將其在煙草中過表達(dá)后,轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)一些真菌病害的抵抗能力提高,PR-1b、PR2a和PR4等病程相關(guān)蛋白基因的表達(dá)量均明顯增加[10]。
雖然棉花中關(guān)于ERF轉(zhuǎn)錄因子研究較多,但主要以非生物脅迫為主,而關(guān)于棉花抗病相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因報(bào)道不多,與抗枯萎病相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子基因的報(bào)道更是甚少。
本研究利用前期獲得的枯萎病菌誘導(dǎo)棉花根部基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)[30-31],并從中篩選AP2/ERF家族表達(dá)差異基因?yàn)樘结?,結(jié)合棉花全基因組數(shù)據(jù)庫選取與枯萎病響應(yīng)相關(guān)AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子基因進(jìn)行深入研究,豐富作物抗病基因資源,為農(nóng)作物抗病性狀的遺傳改良奠定基礎(chǔ)。
抗枯萎病陸地棉品種中棉所12、感枯萎病陸地棉品種新陸早7號(hào)、強(qiáng)致病力棉花枯萎病菌菌系F430、大腸桿菌感受態(tài)DH-5α由石河子大學(xué)棉花分子育種實(shí)驗(yàn)室提供,病毒誘導(dǎo)基因沉默(virus induced gene silencing,VIGS)載體由石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院劉慧英老師惠贈(zèng)。
1.2.1 材料種植 選取飽滿的種子播種于蛭石中,待棉苗長出第一片真葉后移至霍格蘭培養(yǎng)液中,于26℃(光照16 h/黑暗8 h)培養(yǎng),棉苗第一片真葉完全展平后用于后續(xù)試驗(yàn)。
1.2.2 枯萎病菌活化 將保存于-80℃的菌種在固體查式培養(yǎng)基劃線26℃暗培養(yǎng)4-5 d后,將其放入液體查式培養(yǎng)基于26℃暗培養(yǎng)一周左右,調(diào)節(jié)孢子數(shù)至1×107個(gè)/mL備用。
1.2.3 材料處理 (1)枯萎病接菌處理:待棉苗第一片真葉完全展開,選取長勢一致的幼苗傷根,棉苗浸泡于孢子濃度為1×107個(gè)/mL的枯萎病菌孢子懸浮液中40 min,而后轉(zhuǎn)入霍格蘭營養(yǎng)液。取未處理棉苗以及處理后1、3、6、12、24和48 h棉花根部組織,同時(shí)設(shè)置平行對(duì)照(mock),即相同生長環(huán)境下清水處理的棉花根部組織,取樣時(shí)間一致。
(2)激素處理:待棉苗第一片真葉完全展開,選取長勢一致的幼苗分別置于含有1 mmol/L ET、50 μmol/L SA、1 mmol/L JA溶液中浸泡40 min,然后,轉(zhuǎn)移至新鮮霍格蘭營養(yǎng)液中,取未處理棉苗以及處理后1、3、6、12、24和48 h棉花根部組織,同時(shí)設(shè)置平行對(duì)照(mock),即相同生長環(huán)境下清水處理的棉花根部組織,取樣時(shí)間一致,樣品經(jīng)液氮冷激后-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.4 棉花總RNA的提取及反轉(zhuǎn)錄 采用EASYspin Plus植物RNA快速提取試劑盒(北京艾德萊生物科技有限公司,中國,目錄號(hào):RN38)提取棉花總RNA,使用TaKaRa公司cDNA第一鏈合成試劑盒(寶日醫(yī)生物技術(shù)(北京)有限公司(TaKaRa中國),中國,目錄號(hào):6110A)進(jìn)行cDNA合成,試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照說明書操作。
1.2.5 GhERF5-4D的克隆及表達(dá)特征分析 以枯萎病菌誘導(dǎo)棉花根部基因表達(dá)譜中獲得的差異表達(dá)基因?yàn)樘结?,結(jié)合棉花數(shù)據(jù)庫,通過序列比對(duì),從陸地棉中獲得基因GhERF5-4D(GhERF5-4D原命名為GhERF1.1,Genbank:MF093148),依據(jù)ORF序列,利用Oligo7軟件分別設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)熒光定量(qPCR)引物和ORF全長引物(表1),利用RT-PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因GhERF5-4D,擴(kuò)增程序?yàn)?4℃ 5 min;94℃ 30 s,59℃ 30 s,72℃ 1 min,30 個(gè)循環(huán) ;72℃10 min,通過系列試驗(yàn)驗(yàn)證后,將獲得的陽性菌株送上海生工進(jìn)行基因測序;利用qRT-PCR方法檢測GhERF5-4D在不同脅迫處理下表達(dá)情況,以GhUBQ7(DQ116411)為內(nèi)參基因,反應(yīng)體系及程序參考全式金公司Trans start Tip Green qPCR Super Mix說明書,試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù),采用2-ΔΔCt法計(jì)算基因相對(duì)表達(dá)量。
1.2.6 VIGS載體構(gòu)建 根據(jù)GhERF5-4D非保守區(qū)設(shè)計(jì)沉默引物GhERF5-4D-CO,采用酶切連接方法進(jìn)行VIGS載體構(gòu)建,將構(gòu)建好的pTRV2-GhERF5-4D-CO重組質(zhì)粒通過電擊法轉(zhuǎn)入根癌農(nóng)桿菌GV3101,菌液PCR篩選鑒定陽性菌株,引物見表1。
1.2.7 農(nóng)桿菌介導(dǎo)的VIGS基因沉默 TRV為雙粒RNA病毒,因此需要二元病毒載體共侵染棉花,分別將含pTRV2-GhCLA1和pTRV2-GhERF5-4D-CO重組質(zhì)粒的農(nóng)桿菌GV3101,挑取單克隆至10 mL LB(含25 mg/L慶大霉素和50 mg/L卡那霉素)液體培養(yǎng)基中,于28℃、180 r/min過夜培養(yǎng)后,將上述菌液按1∶50比例分別加至含終濃度為10 mmol/L的MES和20 μmol/L的乙酰丁香酮150 mL的LB(含25 mg/L慶大霉素和50 mg/L卡那霉素)培養(yǎng)基中,于28℃、180 r/min過夜培養(yǎng);次日離心收集菌體沉淀(5 000 r/min,10 min),用重懸液(10 mmol/L的MES、200 μmol/L的乙酰丁香酮及10 mmol/L的MgCl2)重懸,室溫放置3 h后,將含pTRV2載體、pTRV2-GhCLA1重組質(zhì)粒、pTRV2-GhERF5-4D-CO重組質(zhì)粒菌液分別與含pTRV1載體的菌液等體積混合,用注射器按壓棉花葉子背面侵染,接種后將植株置于光照16 h 25℃/黑暗8 h 20℃培養(yǎng),15 d后基因沉默植株再接種棉花枯萎病菌7號(hào)生理小種F430,檢測沉默株系中抗病相關(guān)基因表達(dá)量情況,抗病相關(guān)基因引物詳見表1,試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù),采用2-ΔΔCt法計(jì)算基因相對(duì)表達(dá)量。
表1 引物列表Table 1 Table of primers
以實(shí)驗(yàn)室前期獲得的枯萎病菌誘導(dǎo)棉花根部基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從中篩選AP2/ERF(ethylene response factor)家族表達(dá)差異基因?yàn)樘结?,結(jié)合棉花數(shù)據(jù)庫,通過序列比對(duì)從陸地棉D(zhuǎn)07染色體上獲得一個(gè)ORF完整且無內(nèi)含子基因GhERF5-4D,根據(jù)此序列設(shè)計(jì)該基因ORF全長引物,以棉花根部cDNA為模板進(jìn)行RT-PCR擴(kuò)增,獲得ORF全長為663 bp,編碼220個(gè)氨基酸(圖1-A-C),利用SMART分析氨基酸編碼區(qū),結(jié)果(圖1-D)顯示,含有一個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域,屬于ERF亞族,編碼蛋白分子量24 910.25 Da,等電點(diǎn)9.30,利用PlantCARE對(duì)GhERF5-4D上游2 000 bp啟動(dòng)子序列分析發(fā)現(xiàn),序列中除啟動(dòng)子核心元件和光響應(yīng)元件外,還包括干旱響應(yīng)元件、乙烯、脫落酸及茉莉酸響應(yīng)元件、MYB結(jié)合位點(diǎn)及MYC識(shí)別位點(diǎn)(圖1-E)。
圖1 GhERF5-4D的PCR擴(kuò)增及序列分析Fig.1 PCR amplification and sequence analysis of GhERF5-4 D gene
枯萎病菌侵染抗感病棉花品種后,運(yùn)用qPCR方法分析GhERF5-4D的表達(dá)特征,抗病品種中,GhERF5-4D在各處理時(shí)間點(diǎn)表達(dá)量均高于mock,其表達(dá)趨勢為先增加后降低,處理12 h時(shí),其表達(dá)量是同時(shí)間點(diǎn)mock處理的2.4倍,為對(duì)照的8.4倍(圖2-A);感病品種中,枯萎病菌處理后,除12 h外,該基因在其它時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)量均低于對(duì)照mock(圖2-B),表達(dá)模式與抗病品種截然不同,推測該基因在棉花抗枯萎病中發(fā)揮著一定作用。
圖2 棉花中枯萎病菌誘導(dǎo)下GhERF5-4D的表達(dá)模式Fig.2 Expression pattern of GhERF5-4 D gene after treat by Fusarium oxysporum in cotton
前期研究顯示GhERF5-4D啟動(dòng)子區(qū)域含有激素響應(yīng)順式元件,通過研究3種激素處理抗病棉花品種并分析其表達(dá)特征,結(jié)果(圖3)顯示,乙烯(ethylene,ET)和茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)處理后,GhERF5-4D上調(diào)表達(dá),且在ET處理3 h時(shí)達(dá)最大值,為同時(shí)期mock的4.2倍,而在MeJA處理6 h時(shí),相對(duì)表達(dá)量達(dá)到峰值,為同時(shí)期mock的1.4倍;水楊酸處理后,各處理時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)量均低于mock,為下調(diào)表達(dá)。
圖3 不同激素處理下GhERF5-4D的表達(dá)模式Fig.3 Expression pattern of GhERF5-4 D gene after the treatment of different hormones
以棉花根部組織cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,干擾片段約400 bp(圖4-A),連接T載體進(jìn)行雙酶切驗(yàn)證(圖4-B),將正確的重組質(zhì)粒與VIGS載體pTRV2進(jìn)行雙酶切(Kpn I和Xba I雙酶切),回收正確片段,利用酶切連接的方法構(gòu)建pTRV2-GhERF5-4D-CO重組質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化大腸桿菌,菌液PCR驗(yàn)證正確后提取質(zhì)粒進(jìn)行雙酶切驗(yàn)證(圖4-C),獲得正確的重組pTRV2-GhERF5-4D-CO載體,采用電擊法轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌GV3101,菌液PCR驗(yàn)證正確后-80℃保存?zhèn)溆茫▓D4-D)。
圖4 pTRV2-GhERF5-4D-CO載體的構(gòu)建Fig.4 Vector construction of pTRV2-GhERF5-4D-CO
以GhCLA1為報(bào)告基因,注射15 d后,棉苗真葉完全白化(圖5-A),表明報(bào)告基因GhERF5-4D已被沉默,該載體可用于棉花中基因功能研究,進(jìn)一步檢測GhERF5-4D的沉默效率,分別提取注射空載與pTRV2-GhERF5-4D-CO棉苗根部組織總RNA,利用qRT-PCR分析該基因的相對(duì)表達(dá)量,結(jié)果(圖5-B)表明,其相對(duì)表達(dá)量均明顯低于對(duì)照,為對(duì)照表達(dá)量的20%。
圖5 GhERF5-4D沉默效率與葉片漂白情況Fig.5 GhERF5-4D gene silencing efficiency and leaf bleaching
以注射空載植株為對(duì)照,對(duì)沉默目的基因的植株進(jìn)行枯萎病菌接菌處理并觀察發(fā)病情況,接菌12 d時(shí),注射空載的棉苗和沉默目的基因的棉苗均出現(xiàn)發(fā)病跡象,但注射空載棉苗下部少量葉片變黃,出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象,而沉默目的基因(pTRV1∶pTRV2-GhERF5-4D-CO)棉苗葉片黃化數(shù)目明顯多于注射空載菌液的棉苗,且上部葉片也出現(xiàn)黃化癥狀(圖6-A);接菌20 d時(shí),棉苗葉片開始失綠發(fā)黃,逐漸變軟,最后呈干枯狀態(tài),而沉默目的基因(pTRV1∶pTRV2-GhERF5-4D-CO)棉苗葉片黃化、干枯以及脫落的數(shù)量明顯高于注射空載菌液的棉苗;分別取子葉節(jié)上端同一部位莖段進(jìn)行病原菌恢復(fù)培養(yǎng),培養(yǎng)20 d時(shí)注射空載棉苗和沉默目的基因(pTRV1∶pTRV2-GhERF5-4D-CO)棉苗均能分離出枯萎病菌,但沉默目的基因(pTRV1∶pTRV2-GhERF5-4D-CO)棉苗分離出的枯萎病菌生長更快,以上結(jié)果說明沉默目的基因的植株與對(duì)照相比對(duì)枯萎病菌耐受性更弱,更易被枯萎病菌侵染,表明GhERF5-4D參與了棉花對(duì)枯萎病菌的抗性響應(yīng)。
圖6 GhERF5-4D沉默后接菌處理Fig.6 GhERF5-4 D gene silencing followed by bacterial treatment
以GhCLA1為報(bào)告基因,待棉苗真葉完全白化時(shí),對(duì)沉默目的基因的棉苗進(jìn)行枯萎病菌接菌處理,取注射空載及沉默目的基因植株接菌6 h根部組織提取總RNA,利用qRT-PCR分析與抗病相關(guān)防衛(wèi)基因的表達(dá)特征,與對(duì)照相比,PR1相對(duì)表達(dá)量變化不明顯,而PR2、PR4、PR5、NPR1、ERF1相對(duì)表達(dá)量均不同程度低于對(duì)照,分別為對(duì)照表達(dá)量的64%、20%、69%、77%和72%,而WRKY70相對(duì)表達(dá)量高于對(duì)照,為對(duì)照的1.38倍(圖7)。
圖7 與抗病相關(guān)防衛(wèi)基因表達(dá)特征分析Fig.7 Expression characteristics of defense genes related to disease resistance
植物在其生長周期內(nèi),無時(shí)無刻遭受生物脅迫和非生物脅迫危害,眾多研究表明轉(zhuǎn)錄因子家族通過調(diào)控乙烯、茉莉酸和水楊酸等次級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在抗病過程中扮演重要的角色[32-33]。ERF轉(zhuǎn)錄因子家族是高等植物獨(dú)有的一類轉(zhuǎn)錄因子,位于乙烯和茉莉酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),能夠調(diào)控下游抗病相關(guān)防衛(wèi)基因(如PR基因)表達(dá),增強(qiáng)植物對(duì)病原菌的抵抗能力[34-35]。
本研究以枯萎病菌誘導(dǎo)棉花基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)為依據(jù)并結(jié)合棉花全基因組數(shù)據(jù)庫,從陸地棉D(zhuǎn)07染色體上獲得1個(gè)ORF完整、含1個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域且無內(nèi)含子的ERF亞族基因GhERF5-4D,qRT-PCR技術(shù)分析該基因在抗感病品種中接種枯萎病菌后表達(dá)特征,結(jié)果顯示,GhERF5-4D在抗感病棉花品種中表達(dá)特征存在明顯差異,抗病品種中該基因上調(diào)表達(dá),感病品種中該基因下調(diào)表達(dá),此結(jié)果與Guo等[36]研究結(jié)果相似,即海島棉中獲得的ERF類轉(zhuǎn)錄因子基因GbERF1-like在抗病感病品種間受黃萎病菌誘導(dǎo)后表達(dá)模式存在差異,表明GhERF5-4D能夠響應(yīng)枯萎病菌侵染,且該基因在棉花抗枯萎病中發(fā)揮著一定作用。
在此結(jié)果基礎(chǔ)上,通過3種激素處理抗病棉花品種并分析GhERF5-4D表達(dá)特征,結(jié)果顯示,乙烯(ET)、茉莉酸甲酯(MeJA)處理后,該基因?yàn)樯险{(diào)表達(dá),而水楊酸處理后,該基因?yàn)橄抡{(diào)表達(dá),表明該基因參與ET、JA和SA三條信號(hào)路徑,且ET、MeJA正調(diào)控GhERF5-4D表達(dá),而SA負(fù)調(diào)控GhERF5-4D表達(dá);研究顯示,多數(shù)與抗病相關(guān)的ERF轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)都受到病原菌以及不同激素誘導(dǎo)[37-38],表明ERF家族基因大多數(shù)受ET、SA和JA等抗病信號(hào)分子所誘導(dǎo),且在作物抗病反應(yīng)中起重要作用[39-41];金莉[42]研究表明GbERF1在擬南芥中響應(yīng)ET和SA信號(hào)通路,ET-SA起協(xié)同作用誘導(dǎo)GbERF1的表達(dá),增加了對(duì)黃萎病的抗性,因此,推測GhERF5-4D能被ET/MeJA協(xié)同誘導(dǎo)GhERF5-4D的表達(dá),增加棉花對(duì)枯萎病抗性。
本研究利用VIGS技術(shù)沉默GhERF5-4D后并進(jìn)行接菌試驗(yàn),結(jié)果表明,與對(duì)照相比,沉默株系更感病,選取接種6 h的根部組織進(jìn)行下游抗病相關(guān)防衛(wèi)基因表達(dá)特征分析,結(jié)果顯示,與對(duì)照相比,PR1的表達(dá)量變化不明顯,但PR2、PR4、PR5、NPR1、ERF1表達(dá)量均在不同程度低于對(duì)照,WRKY70相對(duì)表達(dá)量高于對(duì)照,由此推測GhERF5-4D通過調(diào)控下游 PR2、PR4、PR5、NPR1、WRKY70、ERF1表 達(dá)調(diào)節(jié)棉花對(duì)枯萎病的抗性。前人研究發(fā)現(xiàn),ERF轉(zhuǎn)錄因子基因在植物抗病過程中是通過多數(shù)基因相互協(xié)同,如Moffat等[43]對(duì)擬南芥灰霉菌感病性研究發(fā)現(xiàn),擬南芥ERF5與ERF6的過表達(dá)株系抗病性明顯得到增強(qiáng)。O?ate-Sánche等[16]研究發(fā)現(xiàn),許多轉(zhuǎn)錄因子具有相似的結(jié)合和調(diào)控效力,這導(dǎo)致大量的轉(zhuǎn)錄因子之間存在功能冗余現(xiàn)象。李文正等[44]研究發(fā)現(xiàn),多數(shù)ERF轉(zhuǎn)錄因子基因受到ET、茉莉酸、水楊酸、脫落酸等次級(jí)信號(hào)分子的誘導(dǎo),并且在植物的應(yīng)激反應(yīng)中起著極其重要的作用。
從陸地棉獲得一個(gè)ERF亞族基因GhERF5-4D,ORF為663 bp,編碼220個(gè)氨基酸,啟動(dòng)子序列中包括多個(gè)激素和脅迫響應(yīng)元件,能夠響應(yīng)枯萎病菌與ET、MeJA、SA脅迫,基因沉默后,沉默植株更感病,推測GhERF5-4D可能通過參與乙烯、茉莉酸途徑調(diào)控下游抗病相關(guān)防衛(wèi)基因調(diào)節(jié)棉花對(duì)枯萎病的抗性。