靳豐蔚,董 云*,楊曉明,方 彥,劉婷婷,王 毅
(1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,蘭州 730070;2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)
糖基轉(zhuǎn)移酶是多糖合成中的關(guān)鍵酶,參與多種物質(zhì)的糖基化,催化糖供體和受體結(jié)合產(chǎn)生新的化合物,其供體多是激活狀態(tài)的核苷二磷酸糖,如UDP-葡萄糖、GDP-甘露糖和UDP-半乳糖等[1]。植物體內(nèi)存在大量的天然次生代謝物,這些次生代謝物的產(chǎn)生是植物在進(jìn)化過程中對(duì)生態(tài)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果,是植物生理狀態(tài)在代謝水平上的反映[2]。糖基化是這些次生代謝產(chǎn)物的主要修飾之一,糖基化修飾是植物體內(nèi)普遍存在的生理生化反應(yīng),可以提高天然化合物的溶解度和穩(wěn)定性,使化合物便于儲(chǔ)存在植物細(xì)胞中,是調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝平衡的重要機(jī)制[3];糖基化修飾可以改變化合物毒性和生物活性[4],在植物響應(yīng)逆境脅迫等方面具有重要作用[5]。
根據(jù)序列同源性和催化機(jī)制,在碳水化合物活性酶數(shù)據(jù)庫(kù)CAZy(Carbohydrate-Active Enzymes database) 中,根據(jù)GT序列相似度、催化底物的特異性和催化產(chǎn)物化學(xué)結(jié)構(gòu),將糖基轉(zhuǎn)移酶分為114個(gè)家族。根據(jù)糖基轉(zhuǎn)移酶三維結(jié)構(gòu)的折疊特征,將糖基轉(zhuǎn)移酶被分為GT-A、GT-B、GT-C和GT-D等4種類型[5]。糖基轉(zhuǎn)移酶家族多使用NDP-戊糖和NDP-己糖作為供體底物,催化UDP-糖的糖基轉(zhuǎn)移酶稱為UDP-糖基轉(zhuǎn)移酶(UGTs)[6]。
關(guān)于UGTs的研究,有學(xué)者分別在蕓薹屬植物白菜(Brassicarapa)、甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)和甘藍(lán)(Brassicaoleracea)中鑒定到140、251和154個(gè)UGTs[7],這些糖基轉(zhuǎn)移酶主要參與合成次生代謝物質(zhì)響應(yīng)生物非生物脅迫。水稻超表達(dá)OsUGT90A1能保護(hù)冷脅迫下細(xì)胞膜的完整性[8];而有學(xué)者研究UGT84A17能夠調(diào)控楊樹對(duì)逆境做出積極響應(yīng)[9];擬南芥UGT85U1/2和UGT85V1通過改變吲哚衍生物參與應(yīng)答鹽和活性氧脅迫抗性[10];甘藍(lán)型油菜UGT84F1和白菜BrGUGT也被發(fā)現(xiàn)通過抑制芥子酸來適應(yīng)非生物脅迫[11]。
木聚糖是存在于植物細(xì)胞壁中的一種異質(zhì)多糖,是植物半纖維素的主要成分。模式植物擬南芥遺傳和生物化學(xué)分析表明,一些來自糖基轉(zhuǎn)移酶GT43家族的BnIRX14 (IRX9I9H/IRX9-L、IRX14、I14H/IRX14-L)和GT47(IRX10、IRX10-L) 家族基因是木糖鍵延伸所必須的。木糖基轉(zhuǎn)移酶除了參與木聚糖的合成,還在擬南芥[12]和南荻(Miscanthuslutarioriparius)[13]種皮粘液合成中起作用,糖基轉(zhuǎn)移酶生物功能具有多樣性和保守性,影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、逆境應(yīng)答等功能[14]。油菜是中國(guó)重要的油料作物,次生物質(zhì)代謝和抗逆機(jī)理解析是油菜育種的重要基礎(chǔ)研究。目前糖基轉(zhuǎn)移酶調(diào)控的油菜抗性研究還相對(duì)滯后。甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所前期克隆了一個(gè)與甘藍(lán)型油菜抗性有關(guān)的β-1,4-木糖基轉(zhuǎn)移酶基因BnIRX14(NCBI登錄號(hào)KP100641),發(fā)現(xiàn)該基因在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá),屬非分泌性蛋白[15]。本研究利用生物信息學(xué)方法對(duì)甘藍(lán)型油菜BnIRX14家族成員進(jìn)行鑒定,從基因組水平上分析了甘藍(lán)型油菜BnIRX14基因數(shù)目、進(jìn)化和結(jié)構(gòu)以及在染色體上的分布,并構(gòu)建BnIRX14的干擾載體轉(zhuǎn)化油菜,為進(jìn)一步發(fā)掘BnIRX14基因在油菜抗性育種中的利用價(jià)值提供基礎(chǔ)。
1.1.1 油菜品種供試材料為甘藍(lán)型油菜(BrassicanapusL.)春性品種Westar,由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供。
1.1.2 其他材料農(nóng)桿菌GV3101、大腸桿菌(Escherichiacoli)感受態(tài)細(xì)胞DH5α、植物RNAi載體pKANNIBAL、植物表達(dá)載體pART27以及Taq DNA聚合酶2×fast pfu master mix、限制性內(nèi)切酶XhoⅠ、KpnⅠ、XbaⅠ、HindⅢ、NotⅠ,T4連接酶,質(zhì)粒提取試劑盒Plasmid Mini Kit Ⅰ(OMEGA),基因組提取試劑盒Trans Direct Plant Tissue PCR Ki均購(gòu)自陜西博瑞德生物科技公司。其他化學(xué)藥品均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>
1.2.1 油菜BnIRX14基因家族成員鑒定根據(jù)BnIRX14氨基酸序列,利用Clustal W 默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行多重序列比對(duì),并在MEGA 6 軟件中使用鄰接法(Neighbour-Joining,NJ) 構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹[16]。利用GSDS2.0繪制BnIRX14基因結(jié)構(gòu)[17]。通過MEME分析BnIRX14蛋白保守元件[18]。
1.2.2 油菜BnIRX14基因干擾載體構(gòu)建利用Primer Premier 6.0軟件設(shè)計(jì)BnIRX14基因靶位點(diǎn)序列擴(kuò)增引物(表 1),擴(kuò)增后用百泰克膠回收試劑盒回收目的片段,回收后置-20 ℃保存?zhèn)溆谩S肵hoⅠ和KpnⅠ雙酶切質(zhì)粒pKANNIBAL載體,切取載體大片段對(duì)應(yīng)條帶的凝膠,百泰克膠回收試劑盒回收酶切產(chǎn)物。將膠回收的正向片段和線性化pKANNIBAL載體以9∶1摩爾比加到EP管中進(jìn)行重組反應(yīng),混勻后在37 ℃放置30 min進(jìn)行轉(zhuǎn)化[19]。進(jìn)行單菌落PCR陽性克隆鑒定,挑取陽性菌落測(cè)序驗(yàn)證。將測(cè)序正確的質(zhì)粒用XbaⅠ和HindⅢ雙酶切pKANNIBAL正向片段載體,回收大片段。
表1 本實(shí)驗(yàn)所用引物Table 1 Primers in this test
將膠回收的反向片段和線性化pKANNIBAL正向片段載體以9∶1摩爾比加到EP管中進(jìn)行重組反應(yīng),連接、轉(zhuǎn)化、鑒定方法同正向片段。將測(cè)序正確的含有正反向片段的pKANNIBAL載體和表達(dá)載體pART27用NotⅠ酶切,T4連接酶連接(圖 1),轉(zhuǎn)化至DH5α感受態(tài)細(xì)胞,菌落PCR進(jìn)行陽性克隆鑒定。
圖1 干擾載體pART27-485-6構(gòu)建Fig.1 The structure of interference vector pART27-485-6
利用Plasmid Mini Kit Ⅰ提取測(cè)序正確的pART27-485-6質(zhì)粒轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101,轉(zhuǎn)化參照董云等[19],待單菌落長(zhǎng)出后,選3~5個(gè)單菌落做菌落PCR驗(yàn)證,引物見表1,PCR反應(yīng)體系和條件與靶位點(diǎn)序列擴(kuò)增相同。
1.2.3 油菜BnIRX14基因干擾載體轉(zhuǎn)化參照劉宏波[20]以及CARDOZAD等[21]、DE BLOCK等[22]和MAHESHWARI等[23]關(guān)于農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因方法。以栽培品種Westar為受體材料,用轉(zhuǎn)化了pART27-485-6質(zhì)粒的農(nóng)桿菌GV3101侵染油菜下胚軸,當(dāng)抗性芽在誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基上長(zhǎng)到2 cm時(shí),切芽并將其轉(zhuǎn)入生根培養(yǎng)基中,待形成完整小植株時(shí)切取葉片,使用Trans Direct Plant Tissue PCR Kit試劑盒提取基因組DNA,用4對(duì)基因特異引物(表 1)檢測(cè)陽性植株。參照方彥等[24]方法,依據(jù)BnIRX14基因的cDNA全長(zhǎng)序列設(shè)計(jì)特異RT-PCR引物,Actin作為內(nèi)參基因?qū)﹃栃灾仓甑幕?、角果、葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析,實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物見表 1。
根據(jù)前期獲得的BnIRX14基因序列[15],在PFAM數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)測(cè)基因保守結(jié)構(gòu)域,結(jié)果表明,BnIRX14包含一個(gè)糖基轉(zhuǎn)移酶家族結(jié)構(gòu)域。根據(jù)保守結(jié)構(gòu)域在甘藍(lán)型油菜基因組注釋序列中檢索家族基因,得到11個(gè)家族成員。
氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹分析表明,甘藍(lán)型油菜BnIRX14家族成員被分成3個(gè)亞家族(圖2,A),第一個(gè)亞家族包括IRX9-L-1、IRX9-L-2、IRX9-L-4、IRX9-L-5、IRX9-L-7、IRX9-L-8,第二個(gè)亞家族包括IRX9-L-3、IRX9-L-6,第三個(gè)亞家族包括IRX14-L-1、IRX14-L-2、IRX14-L-3。其中,有8個(gè)BnIRX14基因家族成員分別分布在6條染色體上(圖 2,B),分別為A07、A08、A09、C03、C07和C09染色體,除C07染色體有3個(gè)基因外,其余染色體均有1個(gè)基因,根據(jù)染色體定位分布信息和序列比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)IRX14-L-2和IRX14-L-3串聯(lián)重復(fù)。第一亞家族基因有3~4個(gè)外顯子,第二亞家族基因有7~9個(gè)外顯子,第三亞家族基因有2~4個(gè)外顯子,IRX14-L-1只有2個(gè)外顯子,且內(nèi)含子最短(圖 3,A)。
圖2 BnIRX14家族氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹(A)和染色體分布(B)Fig.2 Phylogenetic tree of amino acid sequences (A) and chromosome distribution (B) of BnIRX14 family members
在BnIRX14蛋白中預(yù)測(cè)出10個(gè)保守元件(圖 3,B),第一亞家族蛋白有2~8個(gè)保守元件,其中:IRX9-L-4有2個(gè),IRX9-L-8有5個(gè),其余4個(gè)蛋白均有8個(gè)相同的元件;第二亞家族蛋白只有1個(gè)保守元件;第三亞家族蛋白有1~4個(gè)保守元件,其中IRX14-L-2僅1個(gè)保守元件,IRX14-L-1和IRX14-L-3存在4個(gè)相同元件。元件1除IRX9-L-4和第三亞家族外,在其他兩個(gè)亞家族蛋白中均存在;元件2在第一、第三亞家族蛋白中存在;元件3僅在第一亞家族蛋白中存在;元件9、10只有IRX14-L-1、IRX14-L-3存在。3個(gè)亞家族在基因結(jié)構(gòu)和保守元件中具有較大特異性。
圖3 BnIRX14基因家族結(jié)構(gòu)(A)和蛋白保守元件(B)Fig.3 Family structure (A) and protein conserved element (B) of BnIRX14
利用BnIRX14基因靶位點(diǎn)序列設(shè)計(jì)的正向片段擴(kuò)增引物F485-6-F/F485-6-R和反向片段擴(kuò)增引物R485-6-F/R485-6-R進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物分別為340和336 bp(圖4,A),膠回收目的片段。XhoⅠ和KpnⅠ雙酶切線性化質(zhì)粒pKANNIBAL載體,與膠回收的正向片段進(jìn)行重組后轉(zhuǎn)化大腸桿菌,用正向片段擴(kuò)增引物進(jìn)行單菌落PCR鑒定得到4個(gè)陽性克隆(圖4,B)。
XbaⅠ和HindⅢ 雙酶切測(cè)序正確的質(zhì)粒pKANNIBAL 正向片段載體,與膠回收的反向片段進(jìn)行重組轉(zhuǎn)化大腸桿菌,用反向片段擴(kuò)增引物進(jìn)行單菌落PCR鑒定得到2個(gè)陽性克隆(圖4,C)。NotⅠ酶切含有正反向片段的pKANNIBAL載體和植物表達(dá)載體pART27,膠回收目的片段后用T4連接酶連接,轉(zhuǎn)化至DH5α感受態(tài)細(xì)胞,用反向片段擴(kuò)增引物單菌落PCR鑒定得到1個(gè)陽性克隆(圖4,D)。提取測(cè)序正確的pART27-485-6質(zhì)粒轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101,利用485F/485R進(jìn)行單菌落PCR,擴(kuò)增條帶743 bp,驗(yàn)證得到4個(gè)陽性克隆(圖4,E)。
A.正反向片段PCR擴(kuò)增:1、2.F485-6;3、4.R485-6;B.F485-6連接載體pKANNIBAL菌落PCR鑒定:1-4.pKANNIBAL-F485-6;C.R485-6連接載體pKANNIBAL-F485-6菌落PCR鑒定:1、2.pKANNIBAL- F485-6- R485-6;D.pART27-485-6轉(zhuǎn)大腸桿菌菌落PCR鑒定;E.pART27-485-6轉(zhuǎn)農(nóng)桿菌菌落PCR鑒定;M.DL2000圖4 BnIRX14基因干擾表達(dá)載體構(gòu)建和農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化PCR鑒定A.PCR amplification of positive and reverse fragments:1 and 2 were positive fragments F485-6,3 and 4 were reverse fragments R485-6;B.Positive colony PCR identification of the forward fragment F485-6 linked to the vector pKANNIBAL:1-4 were pKANNIBAL-F485-6;C.Positive colony PCR identification of the reverse fragment R485-6 linked to the vector pKANNIBAL-F485-6,1 and 2 were pKANNIBAL-F485-6-R485-6;D.Colony PCR identification of plasmid pART27-485-6 transfected Ecoli;E.Colony PCR identification of plasmid pART27-485-6 transfected agrobacterium tumefaciens;M.DL2000Fig.4 PCR identification of BnIRX14 gene interference expression vector and agrobacterium transgenics
2.3.1 遺傳轉(zhuǎn)化通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)侵染油菜下胚軸進(jìn)行BnIRX14基因干擾表達(dá)載體 pART27-485-6的遺傳轉(zhuǎn)化,侵染油菜下胚軸300個(gè)(圖5,A),出愈率67%,分化培養(yǎng)和Kan抗性篩選,獲得抗性芽60個(gè)(圖5,B),通過生根培養(yǎng)得到再生植株20個(gè)(圖5,C),用4對(duì)特異性引物JDF1/JDR1、JDF2/JDR2、JDF3/JDR3和JDF4/JDR4進(jìn)行PCR檢測(cè)后,擴(kuò)增條帶分別為1 500、1 500、1 000和1 000 bp(圖5,D~G),確定5株為陽性轉(zhuǎn)化體。
A.GV3101侵染油菜下胚軸共培養(yǎng);B.誘導(dǎo)分化培養(yǎng);C.生根培養(yǎng);D-G.PCR鑒定:M.DL5000;2#、5#、6#、9#、10#。陽性轉(zhuǎn)化體;N.陰性對(duì)照?qǐng)D5 干擾表達(dá)載體 pART27-485-6的遺傳轉(zhuǎn)化及PCR鑒定A.Coculture of rapeseed hypocotyls infected by agrobacterium Gv3101;B.Resistant buds grown on induced differentiation medium;C.Resistant buds grown in rooting medium;D-G.PCR identification of positive plants:2,5,6,9 and 10# were transformation events;M.DL5000;N.Negative controlFig.5 Genetic transformation of expression vector pART27-485-6 and PCR identification
2.3.2 表型分析通過BnIRX14基因在不同器官中表達(dá)量的分析(圖 6)在油菜5個(gè)轉(zhuǎn)化干擾表達(dá)載體 pART27-485-6陽性植株的花、角果、葉中,BnIRX14基因表達(dá)量均低于野生型,且差異顯著,說明BnIRX14基因在花、角果和葉中的表達(dá)受到抑制。BnIRX14基因在野生型油菜的花、角果、葉片中的表達(dá)量基本一致,但在油菜轉(zhuǎn)化干擾表達(dá)載體pART27-485-6陽性植株的花、角果、葉片中的表達(dá)量是依次降低。表型鑒定發(fā)現(xiàn),編號(hào)為9#和10#的陽性轉(zhuǎn)化株花的柱頭至花柱中央為一孔狀的空腔,子房較野生型明顯膨大,在柱頭表面授粉后,不能結(jié)實(shí),表現(xiàn)雌性不育(圖7),其他3個(gè)陽性株花器結(jié)構(gòu)發(fā)育正常,但植株莖、枝表皮有液體滲出,呈露珠狀粘附在莖、枝表面。
WT.野生型;2#、5#、6#、9#、10#.陽性株系;下同。小寫字母表示差異顯著(P≤0.05)圖6 BnIRX14基因在陽性植株不同器官中的表達(dá)WT.Wild type;2,5,6,9 and 10#.The positive plant;The same as below.Different normal letters meam significant difference at 0.05 level (P≤0.05)Fig.6 Expression of BnIRX14 gene in different organs of positive plants
A.株系;B.株系花蕾、花器和角果;C.WT柱頭;D.9#陽性轉(zhuǎn)化株柱頭圖7 轉(zhuǎn)化干擾表達(dá)載體陽性株雌性不育表型A.Strains;B.Flower bud,floral apparatus,silique;C.Chapiter of WT;D.Chapiter of positive strain 9#Fig.7 Female sterility phenotype of rape positive strains of the expression vector transferred
木聚糖是一種存在于植物細(xì)胞壁中的異質(zhì)多糖,約占植物細(xì)胞干重的15%~35%,是植物半纖維素的主要成分[25]。β-1,4-木糖基轉(zhuǎn)移酶是糖基轉(zhuǎn)移酶家族GT43成員[26],大多以UDP-木糖作為專一性的糖供體,GT43家族中所含成員多與植物的次級(jí)代謝和逆境脅迫相關(guān)[27]。糖基轉(zhuǎn)移酶GT43家族成員在模式植物中有許多報(bào)道,像擬南芥IRX9、IRX9L、IRX14、IRX14L等[28]都參與了木糖的合成。木聚糖糖基轉(zhuǎn)移酶在植物生長(zhǎng)發(fā)育、調(diào)節(jié)次生代謝及參與相應(yīng)逆境脅迫有重要意義[29]。有學(xué)者從南荻(Miscanthuslutarioriparius)中鑒定到了7個(gè)GT43成員[13],在水稻中發(fā)現(xiàn)了10個(gè)GT43成員[30],這些功能基因冗余具有多樣性。
董云通過RACE技術(shù)從甘藍(lán)型油菜中克隆到了β-1,4-木糖基轉(zhuǎn)移酶基因BnIRX14,保守結(jié)構(gòu)域和亞細(xì)胞定位表明BnIRX14屬于油菜糖基轉(zhuǎn)移酶GT43家族成員[15]。本研究通過同源序列比對(duì),在甘藍(lán)型油菜中檢索到了11個(gè)BnIRX14基因家族成員,分別定位在A07、A08、A09、C03、C07和C09染色體上,其中IRX14-L-2和IRX14-L-3串聯(lián)重復(fù),可能來自于遠(yuǎn)緣雜交的甘藍(lán)基因組。IRX9-L-1、IRX9-L-7、IRX9-L-2和IRX9-L-5結(jié)構(gòu)域十分保守,都存在8個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域,進(jìn)化樹結(jié)果也表明IRX9-L-1和IRX9-L-7,IRX9-L-2和IRX9-L-5分別聚為一類,說明在進(jìn)化上的保守性。
通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法,構(gòu)建了油菜BnIRX14干擾表達(dá)載體轉(zhuǎn)化油菜下胚軸,通過生根培養(yǎng)得到轉(zhuǎn)化株系20個(gè)。qRT-PCR檢測(cè)T0代陽性轉(zhuǎn)基因油菜,相比野生型BnIRX14在花,角果和葉中均下調(diào)表達(dá),其中葉中下調(diào)最為明顯,可能的原因在于BnIRX14參與木糖調(diào)節(jié)的半纖維素的合成,而葉中相比花和角果中本底水平的BnIRX14表達(dá)量就低,導(dǎo)致干擾BnIRX14轉(zhuǎn)基因株系中BnIRX14基因低表達(dá),但具體的原因還需要進(jìn)一步分子水平的證據(jù)。
研究發(fā)現(xiàn)干擾BnIRX14轉(zhuǎn)基因株系9#和10#花器柱頭至花柱中央為一孔狀的空腔,子房較野生型明顯膨大,在柱頭表面授粉后,不能結(jié)實(shí),表現(xiàn)雌性不育。其他2#、5#和6#陽性干擾BnIRX14轉(zhuǎn)基因株系花器結(jié)構(gòu)發(fā)育正常,但植株莖、枝表皮有液體滲出,呈露珠狀粘附在莖、枝表面。原因可能是轉(zhuǎn)基因株系中基因被干擾的程度不同所致,這種情況在轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)中常常發(fā)現(xiàn)[31],不同的轉(zhuǎn)基因株系因?qū)虿迦胛稽c(diǎn)不同而造成基因表達(dá)量不同[32]。qRT-PCR檢測(cè)在9#和10#株系角果中BnIRX14基因表達(dá)低于其他轉(zhuǎn)基因干擾株系,也符合觀察到的結(jié)實(shí)發(fā)育的異常。2#、5#和6#轉(zhuǎn)基因株系植株莖、枝表皮有液體滲出,呈露珠狀粘附在莖枝表面的原因可能在于下調(diào)了BnIRX14基因的表達(dá)導(dǎo)致次生代謝物質(zhì)的異常所致,但具體的分子機(jī)制和確鑿的證據(jù)正在進(jìn)行后續(xù)的研究。本研究在甘藍(lán)型油菜中發(fā)現(xiàn)了11個(gè)BnIRX14基因家族成員,進(jìn)化上高度保守且存在多樣性,功能缺失研究表明這些木糖基轉(zhuǎn)移酶家族基因能夠參與雌蕊的發(fā)育和次生物質(zhì)代謝,該研究為油菜雜交育種和抗逆育種提供理論依據(jù)。