王玲娟,魯帥,高聰,韓繽瑩,趙成磊,薛鵬輝,曹云英
(南通大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 南通 226019)
谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione transferase,GST)是一個(gè)蛋白質(zhì)超家族,包含多個(gè)基因類型,它們具有還原型谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)的結(jié)合域和催化結(jié)構(gòu)域,可催化GSH 與底物連接,形成水溶性產(chǎn)物,從而達(dá)到解毒的目的[1]。植物受到不良環(huán)境、病原微生物侵染、重金屬毒害等非生物脅迫時(shí),細(xì)胞器容易受損,體內(nèi)的GST 會(huì)被誘導(dǎo)表達(dá)[2-4],從而保護(hù)植物免受或減輕傷害。植物在生長發(fā)育過程中受到不利條件時(shí)會(huì)引起氧化應(yīng)激反應(yīng),從而破壞植物內(nèi)的氧化還原平衡,導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species,ROS)的積累[5]。植物主要通過酶促和非酶促兩大抗氧化系統(tǒng)及時(shí)清除ROS,調(diào)節(jié)氧化還原平衡,從而使植株免受傷害。谷胱甘肽和抗壞血酸(AsA)等低分子量化合物組成非酶促抗氧化系統(tǒng),它們不僅可以直接與ROS 反應(yīng),還可以作為一些抗氧化保護(hù)酶的底物去除體內(nèi)的ROS[6]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)和GST 等多種保護(hù)酶組成酶促抗氧化系統(tǒng)[7-8]。此外,一些GST 具有GSH-Px 活性,能夠?qū)溥^氧化物轉(zhuǎn)化為羥基醇類物質(zhì),防止組織中的氫過氧化物降解形成對(duì)植物細(xì)胞有毒害作用的產(chǎn)物——乙醛衍生物[9],從而抑制由氧化傷害引起的程序性細(xì)胞死亡[10]。
植物中GST 家族成員目前可分為10種,其中phi(GSTF)、tau(GSTU)和脫氫抗壞血酸還原酶等是植物所特有的[11]。tau 類在植物中成員最多[12]。擬南芥目前已經(jīng)鑒定了48 個(gè)GSTs 基因[13-14],大多屬于phi 和tau 類[15]。研究表明GST 基因在發(fā)育和脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要的作用,據(jù)報(bào)道,過表達(dá)GST 能增加植物對(duì)低溫、鹽和除草劑的耐受性,轉(zhuǎn)基因植物的生長也發(fā)生了變化[16-17]。GST8 已從干旱脅迫的擬南芥中分離出來,根據(jù)序列相似性推測其屬于tau類,又稱為GSTU19[18],但GST8 在擬南芥中的定位及組織中的表達(dá)情況目前尚不清楚。甲基紫精(methyl viologen,MV)又稱百草枯二氯化物,是一種觸殺性的除草劑[19]。有報(bào)道過表達(dá)GST8 可以提高擬南芥對(duì)鹽和干旱等脅迫的耐性,但對(duì)MV 的響應(yīng)及其機(jī)理仍不清晰。為此,本研究中首先構(gòu)建了該基因的綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)融合蛋白載體,確定其亞細(xì)胞定位;其次構(gòu)建了帶有該基因啟動(dòng)子的β-葡萄糖苷酸酶(beta glucuronidase,GUS)融合蛋白載體,運(yùn)用GUS 染色和實(shí)時(shí)熒光定量PCR 技術(shù),明確其在擬南芥組織中的表達(dá);最后構(gòu)建了過表達(dá)AtGST8 載體并獲得了過表達(dá)AtGST8植株,然后通過生理測定、組織染色和基因表達(dá)分析,以明確該基因在擬南芥幼苗受到MV 處理后的作用,旨在為抗性材料的選育提供理論依據(jù)。
擬南芥種子先后經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精和體積分?jǐn)?shù)為20%的漂白劑消毒、無菌水洗滌,然后將其均勻鋪在含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的蔗糖和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的瓊脂的1/2 MS 培養(yǎng)基上。在4 ℃冰箱中春化處理2 d 后移至光照培養(yǎng)箱(全友,南京)中生長,其中晝/夜光周期為14 h/10 h,溫度為22 ℃/20 ℃,濕度恒定為80%±5%。
AtGST8全長編碼序列(coding sequence,CDS)是從提取擬南芥植株中的總RNA(Total RNA Isolation System Kit,Promega)開始,再以逆轉(zhuǎn)錄的cDNA為模板,使用序列特異性引物(5'-CACCATGGCGA ACGAGGTGATTCTTCTT-3'和5'-TTACTCAGGT A CAAATTTCTTCCTGAGC-3')擴(kuò)增而獲得。采用Gateway法將其先通過BP 反應(yīng)構(gòu)建到入門載體pENTR/DTOPO(pENTRTMDirectional TOPOCloning Kits)中,再通過LR 反應(yīng)(LR ClonaseTMⅡEnzyme Mix)將其構(gòu)建到過表達(dá)載體pMDC43(12 460 bp)中,獲得AtGST8基因的GFP 重組質(zhì)粒(AtGST8-GFP)。將重組質(zhì)粒導(dǎo)入根癌農(nóng)桿菌GV3101中,再將菌液注射到煙草下表皮,黑暗下培養(yǎng)3 d,最后通過激光共聚焦顯微鏡(Leica TCS SP8)觀察AtGST8在細(xì)胞中的定位情況。
選擇野生型擬南芥Col-0植株1 月齡的葉片提取總DNA(DNA quick Plant System,Tiangen),使用特異性引物(5'-CACCGCCACGTAATACAGTGCGTA GGGT-3'和5'-CTGGAGAAGCAAAGGACTCTTGTT CC-3')進(jìn)行PCR 擴(kuò)增帶有AtGST8基因的啟動(dòng)序列的產(chǎn)物。通過Gateway 法構(gòu)建AtGST8pro:GUS載體(方法同AtGST8-GFP),表達(dá)載體為pMDC163(12 833 bp)。將重組質(zhì)粒通過浸花轉(zhuǎn)化法獲得轉(zhuǎn)基因植株[20],潮霉素篩選獲得帶有GUS 報(bào)告基因的陽性植株。將不同生長階段的陽性植株的各組織進(jìn)行GUS 染色[21],所有染色均平行進(jìn)行3 次。同時(shí)通過熒光定量技術(shù)分析了野生型各組織中AtGST8的表達(dá)水平[22]。
以AtGST8cDNA 為模板,使用特異引物(序列同AtGST8-GFP),通過Gateway 法將AtGST8轉(zhuǎn)到表達(dá)載體pMDC32(11 752 bp)中,獲得帶有AtGST8基因的陽性過表達(dá)植株,以T2 代苗進(jìn)行鑒定并作MV處理,采用熒光定量PCR 技術(shù)進(jìn)行鑒定。將野生型Col-0及過表達(dá)AtGST8株系OE-24和OE-443 周齡的幼苗用含20 μmol/L MV 的MS 營養(yǎng)液澆灌,生理指標(biāo)和基因表達(dá)的分析采用處理3 d 后的幼苗來進(jìn)行。
APX 酶液采用50 mmol/L、pH=7.0 的PBS 提取,酶活性測定參照文獻(xiàn)[29]的方法。CAT 和過氧化物酶(peroxidase,POD)的酶液采用50 mmol/L、pH=7.8 的PBS 來提取,活性測定參照文獻(xiàn)[24]的方法。采用WST 法測定SOD 活性,SOD 和GSH-Px 酶液的提取及測定參照試劑盒(建成,南京)來進(jìn)行。GST酶活的測定參照文獻(xiàn)[30]并作修改,采用pH=6.5的PBS 來提取酶液,反應(yīng)體系包括0.1 mL 酶液、0.8 mL濃度為10 mmol/L 的1-氯-2,4-二硝基苯(CDNB)、2 mL PBS 及0.1 mL 濃度為10 mmol/L 的GSH。將每分鐘每毫克蛋白質(zhì)樣品OD 減少或增加0.01 定義為CAT 或POD 的1 個(gè)活力單位(U);將每小時(shí)每克鮮重樣品抑制NBT 光化還原50%所需的酶量定義為SOD 的1 個(gè)酶活單位(U)。
AtGST8和保護(hù)酶系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)采用熒光定量技術(shù)來進(jìn)行。樣品經(jīng)液氮研磨,用TRIZOL(Invitrogen)法提取總RNA,用第一鏈cDNA 合成試劑盒(Roche)獲得cDNA。以ACT2(At3g18780)為內(nèi)參基因,參照文獻(xiàn)[22]的方法,通過熒光定量PCR 分析其基因表達(dá)水平,具體引物序列見表1。
表1 熒光定量表達(dá)分析用的引物序列Tab.1 Primer sequences for fluorescence quantitative expression analysis
使用SPSS 軟件版本20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,使用Duncan's 法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05),使用OriginPro8 進(jìn)行圖表繪制。
圖1 為AtGST8基因的亞細(xì)胞定位,從中可以看出細(xì)胞膜中有明顯的熒光信號(hào),細(xì)胞核中也有少量信號(hào),這表明AtGST8基因至少定位于細(xì)胞膜。
圖1 AtGST8 基因的亞細(xì)胞定位Fig. 1 Subcellular location of AtGST8 gene
2.2.1 GUS 組織表達(dá)分析
選取AtGST8pro:GUS 的轉(zhuǎn)基因植株T2 代進(jìn)行GUS 染色,分析AtGST8在組織中的表達(dá)情況(圖2)。從圖中可見,在轉(zhuǎn)AtGST8基因啟動(dòng)子區(qū)域的擬南芥的種皮和胚中均沒有發(fā)現(xiàn)藍(lán)色,表明該基因在上述兩個(gè)部位均未表達(dá)(圖2(a)和(b));在7 日齡的幼苗中可以看到葉片及心葉都被染成了藍(lán)色,表明該基因在此部分表達(dá)較強(qiáng)(圖2(c));根部的成熟區(qū)尤其根尖藍(lán)色較深,表明該基因表達(dá)顯著(圖2(d)和(e))。另外,在土壤中生長35 d 的擬南芥蓮座葉葉肉細(xì)胞(圖2(f))、莖(圖2(g))、柱頭和花(圖2(h))及果莢(圖2(i))中均發(fā)現(xiàn)AtGST8表達(dá),且在蓮座葉中表達(dá)較弱,而在花和果莢中的表達(dá)與發(fā)育進(jìn)程相關(guān)。在花中的表達(dá)隨著開放程度增大而減弱,但是在果莢中,果莢越成熟,表達(dá)越明顯(圖2(h)和(i))。
圖2 AtGST8pro:GUS 在轉(zhuǎn)基因擬南芥中的表達(dá)Fig. 2 The expression patterns of the AtGST8pro:GUS in transgenic Arabidopsis
2.2.2 熒光定量分析AtGST8的表達(dá)
選取擬南芥野生型Col-0的葉、莖、花及果莢對(duì)不同器官中AtGST8基因進(jìn)行熒光定量表達(dá)分析。從圖3(a)中可以看出,AtGST8基因在果莢中表達(dá)量最高,葉片中最低。角果、花和莖的表達(dá)量分別比葉片增加了180%、100%和30%。同時(shí),對(duì)獲得的4個(gè)過表達(dá)株系T2 代AtGST8基因的表達(dá)進(jìn)行了分析,各株系的表達(dá)量均顯著高于野生型(圖3(b))。
圖3 莖、葉、花和莢中AtGST8 基因的表達(dá)及過表達(dá)AtGST8 株系的鑒定Fig. 3 Expression of AtGST8 gene in stems,leaves,flowers and pods and identification of over-expressed AtGST8 lines
圖4 MV 下擬南芥野生型和過表達(dá)AtGST8 植株中MDA 和產(chǎn)生速率的變化Fig. 4 Changes of MDA and production rate in wild-type and over-expressed AtGST8 plants of Arabidopsis under MV
圖5 MV 下擬南芥野生型和過表達(dá)AtGST8 植株幼苗組織的染色變化Fig. 5 Staining changes of wild-type and over-expressed AtGST8 plants in Arabidopsis seedlings under MV
正常生長條件下,野生型Col-0和過表達(dá)AtGST8植株中的AsA 含量無顯著差異。但MV 處理顯著增加了所有材料中的AsA 含量,且野生型Col-0增幅小于過表達(dá)AtGST8植株(圖6(a))。與未處理相比,MV 處理后野生型Col-0的AsA 含量增加了34.3%,過表達(dá)AtGST8植株OE-24、OE-44則分別增加了42.3%和40.0%。與對(duì)照相比,MV 處理使野生型Col-0植株中GSH 含量顯著下降(圖6(b)),GSSG 含量則顯著增加(圖6(c)),GSH/GSSG 表現(xiàn)與GSH 一致(圖6(d))。與對(duì)照相比,過表達(dá)At-GST8植株經(jīng)MV 處理后的GSH、GSSG 及GSH/GSSG 差異均不顯著(圖6(b)—(d))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MV 脅迫下過表達(dá)AtGST8植株中AsA 含量及GSH/GSSG 比較高,有利于體內(nèi)活性氧的清除,從而保持較為正常的生理功能;而野生型Col-0植株中GSH/GSSG 比顯著下降,因而受到傷害較大。
圖6 MV 下擬南芥野生型和過表達(dá)AtGST8 植株中抗氧化物質(zhì)含量的變化Fig. 6 Changes of antioxidant content in wild-type and over-expressed AtGST8 plants of Arabidopsis under MV
SOD、POD 和CAT 是一類氧化脅迫保護(hù)酶,能及時(shí)清除體內(nèi)活性氧,從而保護(hù)植株免遭傷害。從圖7(a)—(c)中可見,MV 處理后,野生型Col-0和過表達(dá)AtGST8植株中相應(yīng)的POD、SOD 和CAT 活性均比對(duì)照顯著增加,其中POD 活性在MV 處理后所有材料增幅范圍為15.0%~22.3%,SOD 為14.4%~35.2%,CAT 為12.4%~21.4%。過表達(dá)AtGST8植株中,除POD 增幅稍低外,SOD 和CAT 活性增幅均高于野生型Col-0,這表明過表達(dá)AtGST8植株可能利用更多的SOD 將脅迫產(chǎn)生的活性氧轉(zhuǎn)變成H2O2,再利用CAT 來清除H2O2,從而減輕植株氧化損傷。
圖7 MV 下擬南芥野生型和過表達(dá)AtGST8植株中保護(hù)酶活性的變化Fig. 7 Changes of protective enzyme activity in wild-type and over-expressed AtGST8 plants of Arabidopsis under MV
APX 在抗壞血酸的轉(zhuǎn)變中發(fā)揮重要的作用。從圖7(d)中可看出,植株經(jīng)MV 處理后,擬南芥野生型Col-0和過表達(dá)AtGST8植株OE-24、OE-44中的APX 活性均顯著提高,增加幅度達(dá)46.3%~73.3%。GSH-Px 可以在H2O2的作用下將GSH 轉(zhuǎn)變成GSSG,從而減少H2O2的毒害。從圖7(e)可看出,正常生長條件和MV 脅迫下,過表達(dá)AtGST8植株中GSH-Px活性均稍高于野生型Col-0。MV 脅迫后,GSH-Px 活性野生型Col-0中增加了5%左右;過表達(dá)AtGST8植株OE-24、OE-44則分別增加了19.8%和16.6%,增幅明顯高于野生型Col-0。表明過表達(dá)AtGST8 植株可以通過增加植物體內(nèi)GSHPx 的活性,催化GSH 與H2O2作用,起到保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能完整性的作用。
由圖7(f)可以看出,正常生長條件和MV 脅迫下,過表達(dá)AtGST8植株中的GST 活性均高于野生型Col-0。經(jīng)MV 處理后,與對(duì)照相比,過表達(dá)AtGST8植株OE-24、OE-44中GST 活性分別增加了16.2%和50.5%,處理前后GST 活性差異呈顯著水平。而野生型Col-0中的GST 活性僅增加了4.5%,與對(duì)照相比差異不顯著。
對(duì)參與活性氧清除保護(hù)酶的相關(guān)基因表達(dá)進(jìn)行了分析(圖8)。與對(duì)照相比,MV 處理均使野生型Col-0中POD 基因PRX34、CAT 基因CAT1和APX基因SAPX表達(dá)明顯上調(diào),而GST8的表達(dá)量則無明顯變化;過表達(dá)AtGST8植株OE-24和OE-44中的PRX34、CAT1、SAPX和GST8的表達(dá)量均上調(diào),且達(dá)到顯著水平。表明在MV 處理下,可導(dǎo)致PRX34、CAT1、SAPX和GST8的上調(diào),進(jìn)而促進(jìn)了保護(hù)酶活性的增加。
圖8 MV 下擬南芥野生型和過表達(dá)AtGST8 植株中保護(hù)酶相關(guān)基因表達(dá)的變化Fig. 8 Changes of protective enzyme relative gene in wild-type and over-expressed AtGST8 plants of Arabidopsis under MV
在植物中,多種脅迫可誘導(dǎo)GST 表達(dá)來減輕氧化損傷對(duì)植物的傷害,從而增強(qiáng)植物的抗性[31]。如高溫、外源H2O2、HgCl2、水楊酸和百草枯條件下會(huì)使組織中GST上調(diào)表達(dá)[32],本研究中擬南芥野生型Col-0經(jīng)MV 處理后GST表達(dá)沒有顯著變化,但過表達(dá)AtGST8植株卻顯著增加(圖8(d)),推測其可能是造成過表達(dá)AtGST8植株受傷害較小、野生型Col-0傷害較大的主要原因(圖4 和圖5)。也有研究表明,外界條件造成GST 的變化可能與GSTs 的種類有關(guān),如在大豆和玉米中觀察到雙氯胺和乙醇處理誘導(dǎo)tau 類GST 的表達(dá)量上調(diào),但對(duì)phi 類GST 的影響卻相反[13]。本研究中也發(fā)現(xiàn)MV 處理對(duì)AtGST8(GSTU19)表達(dá)量的影響與tau 類GST 一致(圖8(d))。此外,使用物質(zhì)的種類及濃度對(duì)GSTs表達(dá)的影響也有差異。與phi 的GSTF7和GSTF8相比,在水楊酸處理下,擬南芥中tau 類GSTU19和GSTU7更容易被誘導(dǎo)表達(dá),且在低濃度(0.1 mmol/L)下效應(yīng)更顯著,而phi 類GSTF在高濃度(1 mmol/L)下表達(dá)量會(huì)高些[7]。在MV 處理下,低濃度(0.01~0.03 mmol/L)下過表達(dá)棉花GST的轉(zhuǎn)基因煙草中其表達(dá)量增加,但在高濃度0.05 mmol/L 時(shí)增加更明顯[33]。本研究中采用20 μmol/L 的MV 處理則是顯著增加了AtGST8的表達(dá)(圖8(d))。表明處理物質(zhì)的種類及濃度也是影響植物中GST 的重要原因。
有多個(gè)研究結(jié)果表明,過表達(dá)GST基因能夠提高植物的抗逆性,如檉柳中過表達(dá)基因GSTZ1可明顯提高轉(zhuǎn)基因擬南芥對(duì)鹽和干旱的耐受性[34]。與生長素結(jié)合蛋白基因Atpm24編碼序列相同的GST基因過表達(dá)明顯增強(qiáng)擬南芥對(duì)紫外輻射損傷作用的耐性[35]。水稻基因OsGSTl2轉(zhuǎn)入到擬南芥后,植株能表現(xiàn)對(duì)重金屬的高耐受性[3]。轉(zhuǎn)基因石竹過表達(dá)GST后通過合成螯合素,可將多余的重金屬銅離子隔離和解毒,從而提高對(duì)銅離子的耐性[36]。也有研究發(fā)現(xiàn),GSTU19過表達(dá)通過增加幼苗的存活率、葉片的保水率從而提高擬南芥對(duì)鹽、干旱脅迫的耐受性,加速了種子萌發(fā)過程中子葉的生長,提高了擬南芥對(duì)低濃度MV(小于3 μmol/L)脅迫的耐性[11]。AtGSTF8和AtGSTU19突變體在鹽脅迫下和H2O2含量增加而提升了其對(duì)鹽的敏感性[37]。本研究中也構(gòu)建了過表達(dá)載體,發(fā)現(xiàn)過表達(dá)AtGST8可以減少膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 的積累和超氧陰離子的產(chǎn)生(圖4 和圖5),提高了擬南芥幼苗對(duì)高濃度MV(20 μmol/L)的耐性。
GST含量增加能幫助植物維持體內(nèi)氧化還原的穩(wěn)態(tài),從而保護(hù)植株免受氧化損傷[31]。植物體內(nèi)之所以能夠維持氧化還原穩(wěn)態(tài),其重要原因是體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除保持平衡。AsA 和GSH 作為重要組成部分,在非酶促系統(tǒng)中參與活性氧清除,有研究發(fā)現(xiàn),野生型幼苗可能主要通過AsA 依賴的途徑來完成[38],另一方面,谷胱甘肽依賴途徑導(dǎo)致GSSG積累的增加,可能又會(huì)降低AsA 的利用率。還有研究發(fā)現(xiàn),GSH/GSSG 的比值對(duì)植物逆境響應(yīng)有重要影響[39]。本研究中發(fā)現(xiàn)所有供試材料經(jīng)MV 處理后AsA 含量均顯著增加,但過表達(dá)AtGST8植株增加更顯著。MV 處理使野生型GSH 明顯下降、GSSG明顯上升,導(dǎo)致GSH/GSSG 明顯下降,但過表達(dá)At-GST8植株則變化不明顯(圖6),表明較低的GSH/GSSG 及AsA 的增加較少是造成擬南芥野生型Col-0活性氧增加的重要原因。此外,植物在遭到逆境時(shí),可通過抗氧化酶來調(diào)節(jié)活性氧水平[40]。在本研究中,MV 處理增加了所有植株中的SOD、POD、CAT、APX活性,但過表達(dá)AtGST8植株增幅大于野生型Col-0;顯著增加了過表達(dá)AtGST8植株中GSH-Px 和GST 活性,而野生型Col-0變化不明顯(圖7)。同時(shí)也對(duì)保護(hù)酶中相關(guān)基因的表達(dá)水平進(jìn)行了分析(圖8),其變化趨勢與保護(hù)酶活性一致。表明過表達(dá)AtGST8植株SOD 活性較高,能夠?qū)V 脅迫產(chǎn)生的過多活性氧自由基轉(zhuǎn)變成H2O2,利用CAT 進(jìn)一步清除H2O2,或利用更多的GSH-Px 及GST 催化GSH 與H2O2反應(yīng),從而達(dá)到降低植株的氧化損傷的目的。
利用轉(zhuǎn)基因植株及GUS 染色發(fā)現(xiàn)該基因在幼苗、根、花中表達(dá)較強(qiáng),莖和蓮座葉中較弱,花和果莢中的表達(dá)隨著發(fā)育進(jìn)程而變化,花中隨著花期進(jìn)程而下降,果莢中卻隨著生育進(jìn)程而不斷上升。擬南芥AtGST8至少定位于細(xì)胞膜上。熒光定量分析該基因在野生型擬南芥不同器官中表達(dá)量,發(fā)現(xiàn)果莢中最高,葉片中最低。過表達(dá)AtGST8植株下維持較低的MDA 和O2·-與較高的AsA 含量及GSH/GSSG 比、抗氧化保護(hù)酶活性(SOD、POD、CAT、APX、GSH-Px 和GST)及轉(zhuǎn)錄水平,是植株在MV 脅迫下傷害較輕的重要原因,表明擬南芥過表達(dá)AtGST8通過提高活性氧的清除能力從而減輕了MV 脅迫對(duì)植株的損傷。