王錦鋒
(隴東學(xué)院 農(nóng)林科技學(xué)院,甘肅慶陽(yáng) 745000)
SHI-relatedsequence(SRS)作為植物激素反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子,亦稱短節(jié)間(SHI)基因家族[1],可通過(guò)控制GA和生長(zhǎng)素的反應(yīng)或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)調(diào)節(jié)植株的生長(zhǎng)或發(fā)育,編碼一類具有2個(gè)不同保守區(qū)域的植物特異性轉(zhuǎn)錄因子[2],分別為RING結(jié)構(gòu)域和IGGH結(jié)構(gòu)域[3]。RING結(jié)構(gòu)域編碼C-X2-C-X7-C-X-H-X2-C-X2-C-X7-C-X2-H[4],鋅指結(jié)構(gòu)域(C3H2C3或C3HC4)是一大類與RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)底物結(jié)合后可發(fā)揮作用的環(huán)狀結(jié)構(gòu)域,參與細(xì)胞許多生理生化過(guò)程[5]。另一個(gè)區(qū)域稱為IGGH結(jié)構(gòu)域,是SRS基因家族的特異結(jié)構(gòu)域[6],其功能目前未知,需要進(jìn)一步研究。
研究發(fā)現(xiàn),許多SRS家族成員通過(guò)調(diào)節(jié)激素合成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)或反應(yīng)來(lái)影響植物器官的發(fā)育。例如,STY1蛋白上調(diào)生長(zhǎng)素生物合成,而SHI則通過(guò)轉(zhuǎn)錄控制作為GA反應(yīng)的抑制因子[2]。此外,SHI通過(guò)GA調(diào)控大麥糊粉細(xì)胞中a-淀粉酶的表達(dá),表明SHI可以負(fù)調(diào)控異源物種中的GA反應(yīng)。另外,當(dāng)SRS7基因過(guò)表達(dá)時(shí),茉莉酸(JA)信號(hào)中斷,花藥開(kāi)裂延遲[7]。對(duì)SRS家族基因突變植物進(jìn)行廣泛研究表明,SRS轉(zhuǎn)錄因子可控制植物多種發(fā)育過(guò)程,如根的形成[8]、葉的發(fā)育[9]、花的誘導(dǎo)、花的發(fā)育[10]和光形態(tài)[11],突變會(huì)影響雌蕊發(fā)育、花的雌性生殖結(jié)構(gòu)以及花輪的葉片發(fā)育和器官特性。最近的一項(xiàng)研究表明,SRS5通過(guò)直接結(jié)合光形態(tài)建成促進(jìn)基因的啟動(dòng)子來(lái)促進(jìn)光形態(tài)建成[11]。SRS基因參與植物器官發(fā)育的研究在其他植物中也有報(bào)道。例如,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SRS轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)玉米生長(zhǎng)素信號(hào)調(diào)節(jié)大麥(HordeumvulgareL.)的激素、花序模式[12]和根系發(fā)育[13]。SRS轉(zhuǎn)錄因子控制生長(zhǎng)素的生物合成,進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)[14],并塑造水稻(OryzasativaL.)的植物結(jié)構(gòu)[15]。
AtSRS基因家族表達(dá)模式及系統(tǒng)發(fā)育,已進(jìn)行了全基因組鑒定和功能分析,相比之下,對(duì)蘋果(MalusdomesticaBorkh.)SRS基因家族(MdSRS)的研究少之又少。蘋果是世界性果品,其產(chǎn)量和品質(zhì)易受環(huán)境影響,特別是干旱、鹽和激素等非生物脅迫已成為影響蘋果生長(zhǎng)發(fā)育的最主要問(wèn)題之一[16]。本研究鑒定了蘋果的SRS基因,明確各個(gè)基因的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系、理化性質(zhì)、Motif預(yù)測(cè)、亞細(xì)胞定位及在不同脅迫后的表達(dá)水平,并研究了其在蘋果對(duì)各種刺激反應(yīng)中的潛在功能,這些研究結(jié)果將為蘋果育種提供參考。
選取生長(zhǎng)狀態(tài)良好、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的3周齡‘長(zhǎng)富’蘋果組培苗作為試驗(yàn)材料,用10% PEG6000、1 mmol·L-1ABA和150 mmol·L-1NaCl分別模擬干旱脅迫、激素脅迫和鹽脅迫,收集處理(0、12、24、48和72 h)后的葉片。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),錫箔紙包裹標(biāo)記,液氮速凍后保存于-80 ℃保存?zhèn)溆?,用于后續(xù)的定量反轉(zhuǎn)錄PCR (quantitative reverse transcription PCR,qRT-PCR)分析。
1.2.1MdSRS家族成員鑒定與理化性質(zhì)分析蘋果SRS家族基因的蛋白質(zhì)序列通過(guò)蘋果基因組數(shù)據(jù)(https://iris:angers.inra.fr/gddh13/)獲得,擬南芥SRS蛋白數(shù)據(jù)從TAIR(https://www.arabidopsis.org)獲得。從Pfam(http://pfam.xfam.org/)網(wǎng)站下載隱馬爾可夫模型,通過(guò)在線軟件SMART(https://smart.embl-heide-lberg.de/)對(duì)初步篩選得到的候選基因家族進(jìn)行結(jié)構(gòu)域驗(yàn)證,最終篩選得到11個(gè)蘋果MdSRS家族成員。采用ExPASy Proteomics Server(http://web.expasy.org /protparam)分析蘋果MdSRS氨基酸序列的分子量、長(zhǎng)度、等電點(diǎn)及不穩(wěn)定系數(shù)等。利用在線網(wǎng)站(http://www.genscript.com/psort/wolf-psort.html)進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)。
1.2.2 蘋果MdSRS家族基因結(jié)構(gòu)分析利用在線軟件MEME(http://meme-suite.org/tools/meme)預(yù)測(cè)蘋果MdSRS基因家族的保守基序,最大保守序列鑒定數(shù)目設(shè)置為10。利用TBtools繪制蘋果MdSRS基因家族基因結(jié)構(gòu)和保守基序圖。
1.2.3 蘋果MdSRS基因家族染色體定位及SRS系統(tǒng)發(fā)育和進(jìn)化分析利用MapChart2.2軟件和TBtools對(duì)蘋果MdSRS家族基因進(jìn)行染色體定位。為了分析多物種SRS基因間的進(jìn)化關(guān)系,從PlantTFDBv5.0(http://planttfdb.gao-lab.org/)數(shù)據(jù)庫(kù)中下載擬南芥(Arabidopsisthaliana)、水稻(Oryzasativa)和楊樹(shù)(Populustrichocarpa)等SRS基因蛋白序列構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)(參數(shù)設(shè)置默認(rèn)),利用AI軟件對(duì)SRS進(jìn)化樹(shù)進(jìn)行修飾。
1.2.4 蘋果MdSRS基因家族順式作用元件分析通過(guò)PlantCARE對(duì)MdSRS家族成員啟動(dòng)子上游2 000 bp的順式作用元件進(jìn)行分析,然后對(duì)激素誘導(dǎo)、環(huán)境適應(yīng)及逆境誘導(dǎo)表達(dá)元件的數(shù)量進(jìn)行分析。
1.2.5 蘋果MdSRS基因家族定量表達(dá)分析用于qRT-PCR分析的蘋果材料如1.1所述。RNA提取試劑盒和cDNA第一條鏈合成所采用的反轉(zhuǎn)錄試劑盒購(gòu)自寶生物工程有限公司(TaKaRa)。MdSRS熒光定量引物如表1所示,選用MdActin作為內(nèi)參基因。反應(yīng)體系為:TB GreenⅡ10 μL,上、下游混合引物各2 μL,6 μL ddH2O,cDNA 2 μL,總體積20 μL。反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性5 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,40個(gè)循環(huán)。樣品均為3次重復(fù)。并采用2-ΔΔCT計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。采用SPSS軟件的單因素分析法進(jìn)行差異顯著性分析。
表1 qRT-PCR引物序列Table 1 qRT-PCR primer sequences
利用蘋果基因組數(shù)據(jù)庫(kù),經(jīng)過(guò)Blast同源比對(duì)及SMART分析共得到11個(gè)蘋果MdSRS基因。MdSRS基因家族蛋白的理化性質(zhì)如表2所示,包括等電點(diǎn)、分子質(zhì)量、不穩(wěn)定系數(shù)和親和指數(shù)等指標(biāo)。蘋果MdSRS基因家族氨基酸殘基為229~414 aa,MdSRS3最長(zhǎng),MdSRS7最短;等電點(diǎn)范圍在6.38~9.36之間;蛋白分子量介于25.40~43.04 kD之間;均為不穩(wěn)定蛋白;亞細(xì)胞定位顯示,11個(gè)家族成員在細(xì)胞膜上都有分布,個(gè)別分布于葉綠體上,MdSRS3和MdSRS8分布最廣。
表2 蘋果MdSRS基因家族理化性質(zhì)分析Table 2 Analysis of physicochemical properties of apple MdSRS gene family
MdSRS基因家族成員的基因結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示(圖1),7個(gè)基因均含外顯子和內(nèi)含子。保守基序分析發(fā)現(xiàn),11個(gè)MdSRS基因的保守基序數(shù)量在3~8之間不等,其中保守基序數(shù)量最少的MdSRS2只有3個(gè)保守基序,且Motif 1為該家族所共有,同一類群中的大多數(shù)成員具有相似的motif,說(shuō)明同一類群中的基因存在著功能上的相似性。根據(jù)Motif數(shù)量和種類的不同,可將進(jìn)化樹(shù)大致劃分為3組,進(jìn)化樹(shù)中同一亞家族內(nèi)成員間基因結(jié)構(gòu)較相似,但并不完全相同,可能是由于SRS基因功能的多樣性且在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了變異。
MdSRS染色體定位結(jié)果顯示(圖2),蘋果的11個(gè)SRS家族成員不均勻地分布在其中9條染色體中,2號(hào)和15號(hào)染色體(Chr 02,Chr15)分布2個(gè)SRS成員,其他染色體上各分布1個(gè)。
為揭示SRS蛋白在植物中的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,以蘋果(Malusdomestica)、擬南芥(Arabidopsisthaliana)和水稻(Oryzasativa)等的SRS基因家族成員的蛋白序列通過(guò)NJ法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。結(jié)果(圖3)表明,所有SRS蛋白被分為5個(gè)亞家族(A1
-A5),每個(gè)亞家族所包含的SRS成員不等。MdSRSs在5個(gè)亞家族中均有分布,其中在A4中分布最多(3),其他亞家族分布數(shù)目一樣,均為2個(gè)。
通過(guò)PlantCARE對(duì)MdSRS家族翻譯起始位點(diǎn)上游2 000 bp順式作用元件進(jìn)行分析,結(jié)果(圖4)顯示,蘋果SRS基因家族成員啟動(dòng)子上游2 000 bp序列存在著逆境脅迫響應(yīng)[低溫響應(yīng)元件(LTR)]、激素響應(yīng)[生長(zhǎng)素反應(yīng)元件(TGA-element)、水楊酸反應(yīng)元件(TCA-element)、脫落酸反應(yīng)元件(ABRE)]、防御和應(yīng)激反應(yīng)順式作用元件(TC-rich repeats)等。啟動(dòng)子區(qū)域順式作用元件分析表明,蘋果SRS基因家族的11個(gè)基因大多含有防御和應(yīng)激反應(yīng)順式作用元件(TC-rich repeats)和脫落酸響應(yīng)元件(ABRE),這表明MdSRS能夠參與調(diào)控一系列非生物逆境脅迫。
為了進(jìn)一步研究MdSRS基因家族的功能,本研究對(duì)蘋果分別進(jìn)行了非生物脅迫和激素處理,結(jié)果如圖5所示。在鹽脅迫下經(jīng)過(guò)不同處理時(shí)間(0、12、24、48、72 h)后,MdSRS家族11個(gè)成員均有表達(dá)且主要為下調(diào)表達(dá)。在同一脅迫時(shí)間下,大部分基因的表達(dá)大致為降-升-降趨勢(shì)且差異顯著,其中MdSRS1、MdSRS5、MdSRS5、MdSRS7及MdSRS10表達(dá)量在各時(shí)期表達(dá)量相對(duì)最高,均介于0.6~1.2之間。而同一基因隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈多樣性變化,以MdSRS1為典型的先降后升型(MdSRS4、MdSRS7、MdSRS8、MdSRS9、MdSRS11),以MdSRS6為代表的持續(xù)降低型(MdSRS2、MdSRS3、MdSRS5、MdSRS6、MdSRS10),說(shuō)明SRS基因在蘋果生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)鹽脅迫有明顯響應(yīng),其中MdSRS6隨鹽脅迫變化最明顯且在72 h后降至最低值。
為了揭示MdSRS家族基因在干旱脅迫下的表達(dá)模式,利用10%滲透壓PE6000溶液模擬干旱脅迫,本研究對(duì)11個(gè)MdSRS基因在PEG脅迫下的基因表達(dá)進(jìn)行qRT-PCR驗(yàn)證。結(jié)果表明(圖5),隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),PEG模擬干旱脅迫促進(jìn)大多數(shù)MdSRS基因發(fā)生差異表達(dá)。MdSRS1、MdSRS3、MdSRS6和MdSRS10隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升后降的趨勢(shì)且大多在12 h達(dá)到最高,表達(dá)量介于1.2~1.6之間;MdSRS7在24 h數(shù)值最高,為1.538;MdSRS2、MdSRS5、MdSRS8和MdSRS9隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì);MdSRS4呈先降后升趨勢(shì),24 h降至最低值后在72 h上升,但還是低于0 h的表達(dá)量;MdSRS11隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸上升趨勢(shì),72 h的表達(dá)量是0 h的1.54倍。而在同一脅迫時(shí)間下,大多數(shù)基因呈降-升趨勢(shì),除12 h的MdSRS1-MdSRS11,48和72 h的MdSRS1-MdSRS6(呈降-升-降-升),表達(dá)量最高時(shí)可達(dá)1.6,以MdSRS1、MdSRS6及MdSRS7為代表。
MdSRS基因在ABA處理下不同時(shí)間的表達(dá)量變化結(jié)果顯示,各基因的表達(dá)模式均有不同,有以MdSRS2為代表的先升后降型,但表達(dá)量達(dá)到最高的時(shí)間點(diǎn)不同(24、48 h)且在72 h的表達(dá)量要高于0 h;以MdSRS3為代表的持續(xù)升高型;以MdSRS1為代表的升-降-升-降型等;以MdSRS5為代表的升-降-升型等,在24 h上升后開(kāi)始下降,72 h達(dá)到最大值。不同基因在同一脅迫時(shí)間下的結(jié)果表明,ABA脅迫顯著提高了MdSRSs的表達(dá)量,11個(gè)基因在同一時(shí)間下呈降-升-降-升的趨勢(shì),其中MdSRS3在72h表達(dá)量為2.99,顯著高于同一時(shí)間下其他基因的表達(dá)量,表示這11個(gè)蘋果MdSRS基因能積極響應(yīng)ABA脅迫相關(guān)生物學(xué)過(guò)程。
作為傳統(tǒng)大眾果品,蘋果銷量突出,前景廣闊,其優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)一直是果樹(shù)栽培生產(chǎn)追求的最終目標(biāo)[17],但種植過(guò)程中多種環(huán)境脅迫通過(guò)影響植株體內(nèi)的激素含量及比例分布而嚴(yán)重影響產(chǎn)量和品質(zhì)[18]。有研究認(rèn)為SRS基因家族參與維持生長(zhǎng)素體內(nèi)平衡,例如在器官形成時(shí)期生長(zhǎng)素合成增加,下調(diào)KNOX基因的表達(dá),而KNOX基因的表達(dá)量增加或減少到一定闕值,都會(huì)抑制GA20ox基因表達(dá),從而抑制赤霉素生物合成,另外,SRS可通過(guò)調(diào)節(jié)激素的生物合成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)或反應(yīng)來(lái)影響植物器官的發(fā)育[19]。因此如何提高蘋果的抗性,緩解嚴(yán)重環(huán)境脅迫對(duì)蘋果產(chǎn)量質(zhì)量的影響,是目前栽培過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題。緩解產(chǎn)量損失的一種方法是發(fā)現(xiàn)抗脅迫基因,培育出非生物脅迫下的強(qiáng)健品種。在本研究中,我們對(duì)蘋果SRS家族進(jìn)行了全基因組分析,并探討了蘋果對(duì)各種刺激反應(yīng)的潛在功能。我們鑒定了MdSRS在干旱、鹽和ABA響應(yīng)中的作用,這些結(jié)果將為我們對(duì)蘋果SRS家族提供新的認(rèn)識(shí),并為蘋果育種提供候選抗性基因。
轉(zhuǎn)錄因子在植物的生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要的作用,許多轉(zhuǎn)錄因子已被確定參與了一系列響應(yīng)生物和非生物脅迫[20]。自2017年公布了高質(zhì)量蘋果基因組序列以來(lái)[21],越來(lái)越多的蘋果基因家族被鑒定出來(lái),SRS家族作為一類古老的轉(zhuǎn)錄因子,已在擬南芥、玉米、大麥和水稻等物種中得以驗(yàn)證,但對(duì)蘋果SRS基因家族的鑒定和分析還未見(jiàn)報(bào)道。在本研究中,鑒定出了11個(gè)蘋果SRS家族成員,數(shù)量少于模式植物擬南芥的16個(gè),但多于單子葉植物玉米的6個(gè),說(shuō)明SRS基因家族在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)了擴(kuò)增或縮減。通過(guò)對(duì)MdSRS基因進(jìn)行理化性質(zhì)分析,發(fā)現(xiàn)MdSRSs氨基酸個(gè)數(shù)為229~414 aa且大多屬于不穩(wěn)定蛋白;蛋白分子量范圍在25.40~43.04 kD之間,且11個(gè)家族成員在細(xì)胞膜上都有分布,個(gè)別在葉綠體上也有分布。通過(guò)理化性質(zhì)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)不同的MdSRS編碼蛋白理化性質(zhì)均存在一定差異,推測(cè)其在植物體內(nèi)的功能可能也不相同。內(nèi)含子是影響轉(zhuǎn)錄速率、核輸出和轉(zhuǎn)錄穩(wěn)定性、提高mRNA翻譯效率的重要結(jié)構(gòu),雖然內(nèi)含子不能作為轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn),但它們可以增加基因的表達(dá)。我們對(duì)MdSRSs基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)位于同一亞家族的成員具有相似的基因結(jié)構(gòu),證明了同一群體的成員具有相似的進(jìn)化關(guān)系或功能。然后對(duì)蘋果、番茄、水稻、楊樹(shù)、擬南芥中的63個(gè)SRS蛋白構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞家族A1~A5中都含有MdSRS基因家族的成員,說(shuō)明這些成員在進(jìn)化上同源,功能上也相似,而MdSRSs位于不同的分支中,可能是在進(jìn)化過(guò)程中引起的這種差異,表明該家族在植物進(jìn)化過(guò)程中其功能較保守。植物在響應(yīng)生物以及非生物脅迫過(guò)程中常涉及復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制,正如在對(duì)SRS基因啟動(dòng)子中的順式作用元件的分析中所述,它們包含了許多與脅迫相關(guān)的元件,如ABRE、LTR、TGA、TCA。ABRE結(jié)合蛋白(AREBs/ABFs)可以結(jié)合ABRE元件,參與ABA、脫水和高鹽脅迫等反應(yīng)。在水稻中,ABRE結(jié)合因子OSBZ8可能調(diào)控水稻的耐鹽性。AtHSFA7b通過(guò)與E-BOXmoti結(jié)合,正向調(diào)控?cái)M南芥的耐鹽性。SRS基因在蘋果中的表達(dá)模式存在差異,提示這些基因可能參與不同的生物學(xué)過(guò)程或執(zhí)行不同的生物學(xué)功能[22]。本試驗(yàn)在模擬干旱、鹽脅迫和ABA脅迫的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量檢測(cè)可得,MdSRS的11個(gè)基因在鹽脅迫和干旱脅迫下總體呈下調(diào)趨勢(shì),但表達(dá)模式不同,其中以鹽脅迫下MdSRS6為典型的持續(xù)降低型和以MdSRS7為代表的先升后降型,表達(dá)量最高維持在1.4~1.8之間,說(shuō)明SRS轉(zhuǎn)錄因子家族能夠參與植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程,并響應(yīng)生物及非生物脅迫,其中可以有效調(diào)節(jié)干旱、鹽等非生物脅迫對(duì)植物造成的傷害;相對(duì)于鹽脅迫和干旱脅迫,ABA脅迫后,MdSRSs表達(dá)各異但總體呈上調(diào)表達(dá),部分呈不規(guī)則變動(dòng),由此說(shuō)明ABA對(duì)葉中MdSRS基因的表達(dá)有不同的影響,這意味著MdSRS基因可以以特異性的方式調(diào)節(jié)蘋果發(fā)育過(guò)程中的植物激素調(diào)控,可能是SRS與ABA信號(hào)通路中的核心轉(zhuǎn)錄因子ABI5存在互相作用,通過(guò)正向調(diào)控ABA的生物合成來(lái)增強(qiáng)植株對(duì)非生物脅迫的耐受性[23-24]。鑒于SRS在干旱脅迫和ABA脅迫中均有不可替代的作用,我們可想象MdSRS基因可能在依賴于ABA調(diào)控的干旱脅迫響應(yīng)信號(hào)通路上發(fā)揮作用,具體結(jié)論還有待試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。
綜上所述,本研究的結(jié)果豐富了蘋果SRS家族轉(zhuǎn)錄因子的基本信息,對(duì)其蛋白理化特征、保守基序和基因結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析。在蘋果基因組中鑒定出了11個(gè)SRS基因。系統(tǒng)發(fā)育分析表明,系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)將63個(gè)SRSs劃分為5個(gè)亞類,同一亞組在基因結(jié)構(gòu)方面具有相似性,且同一或不同亞類MdSRSs基因在脅迫處理后的表達(dá)模式彼此不同,說(shuō)明這些基因可能參與了不同的生物學(xué)過(guò)程或執(zhí)行不同的生物學(xué)功能,也為蘋果進(jìn)一步抗性研究提供良好資源。