褚洪月,劉振華, ,李 佳, ,張永清, ,蒲高斌, *
1. 山東中醫(yī)藥大學(xué),山東 濟(jì)南 250355
2. 山東省中藥質(zhì)量控制與全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 濟(jì)南 250355
金銀花為忍冬科忍冬屬植物忍冬Lonicera japonicaThunb.的干燥花蕾或帶少量初開(kāi)的花,始載于《名醫(yī)別錄》,是我國(guó)傳統(tǒng)中藥材,具有清熱解毒、疏散風(fēng)熱等功效[1]。金銀花市場(chǎng)需求巨大,據(jù)統(tǒng)計(jì)有500 多個(gè)臨床組方和200 多種中成藥中都含有金銀花。山東、河南、河北是金銀花的主產(chǎn)區(qū)[2],目前栽培面積超過(guò)6.7萬(wàn)公頃,年產(chǎn)量3 000 余萬(wàn)千克。由于忍冬育種基礎(chǔ)薄弱,傳統(tǒng)育種方法周期長(zhǎng)、效率低,導(dǎo)致生產(chǎn)中缺乏良種,嚴(yán)重制約了金銀花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
挖掘忍冬關(guān)鍵性狀的決定基因,將分子標(biāo)記輔助育種與傳統(tǒng)育種方式結(jié)合,是解決忍冬生產(chǎn)中良種缺乏的有效途徑。為此,本課題組前期從忍冬中克隆獲得了HQT[3]、C3’H[4]、MLO[5]、MYB[6]、U6 啟動(dòng)子[7]等多個(gè)與質(zhì)量和抗性相關(guān)的基因。遺憾的是,由于忍冬穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化效率極低,很多基因只能在體外或異源植株中驗(yàn)證功能,缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
病毒誘導(dǎo)的基因沉默具有操作簡(jiǎn)便、研究周期短、不需遺傳轉(zhuǎn)化等優(yōu)點(diǎn),已在多種單、雙子葉植物中廣泛應(yīng)用[8-9]。它基于植物對(duì)病毒基因復(fù)制的防御機(jī)制,綜合植物病毒的非轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)性侵染、植物的免疫應(yīng)答及細(xì)胞RNAi 沉默機(jī)制于一體,可以簡(jiǎn)易快速且高效的沉默靶向基因,極大地方便了植物基因功能的反向遺傳學(xué)研究[10-11。與傳統(tǒng)的基因功能分析方法相比,病毒誘導(dǎo)的基因沉默(virus-induced gene silencing,VIGS)能夠在侵染植物當(dāng)代對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行沉默和功能分析,無(wú)需開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化子,并且具有沉默單個(gè)或多個(gè)基因家族成員的潛力[12]。
在多種植物中,黃瓜花葉病毒(Cucumbermosaic virus,CMV)已被應(yīng)用于VIGS 體系的開(kāi)發(fā),包括本生煙草[13]、菠菜[14]、馬鈴薯[15]、香蕉[16]和玉米[17]等。Wang 等[18]基于天然玉米感染CMV 株,開(kāi)發(fā)了一套CMV 玉米北京分離物(ZMBJ-CMV)的高效病毒誘導(dǎo)基因VIGS,為玉米快速高效的基因功能研究提供了工具。Tasaki 等[19]開(kāi)發(fā)了一種基于香蕉感染CMV分離物CMV 20 的VIGS 系統(tǒng),并為香蕉開(kāi)發(fā)了一種高效的農(nóng)桿菌接種方法,高感染率和延長(zhǎng)的沉默將為加速香蕉的功能基因組研究提供寶貴的工具。VIGS已成功用于多種藥用植物性狀功能基因的挖掘,VIGS系統(tǒng)將會(huì)在更多的植物物種,尤其是在那些難以通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法分析的藥用植物中得以應(yīng)用[20-22],成為后基因組時(shí)代作物基因功能研究的重要技術(shù)手段。
八氫番茄紅素脫氫酶(phytoene desaturase,PDS)是類(lèi)胡蘿卜素合成途徑中的一個(gè)關(guān)鍵酶。沉默表達(dá)PDS基因后,類(lèi)胡蘿卜素合成途徑受阻,進(jìn)而導(dǎo)致葉綠素被光氧化降解,植株呈現(xiàn)白化現(xiàn)象[23-24]。因此,PDS基因被作為報(bào)告基因在VIGS 沉默體系中普遍應(yīng)用。然而,有關(guān)忍冬VIGS 的研究目前尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究以忍冬PDS(LjPDS)基因?yàn)榍腥朦c(diǎn),通過(guò)從忍冬中克隆PDS基因,利用生物信息學(xué)分析軟件對(duì)其進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行分析,構(gòu)建了VIGS 體系,驗(yàn)證并優(yōu)化了VIGS 處理忍冬的沉默效果,為開(kāi)展忍冬關(guān)鍵基因功能研究奠定了基礎(chǔ)。
選用山東中醫(yī)藥大學(xué)培育的忍冬新品種‘華金2 號(hào)’幼苗,由山東中醫(yī)藥大學(xué)蒲高斌教授鑒定為忍冬L.japonicaThunb.。多糖多酚植物RNA 提取試劑盒購(gòu)自南京諾唯贊生物科技股份有限公司;PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser 和TB Green Premix Ex Taq II 均購(gòu)自TaKaRa 公司;C58C1菌株購(gòu)自上海唯地生物技術(shù)有限公司;引物合成和測(cè)序均由鉑尚生物技術(shù)(上海)有限公司負(fù)責(zé)。
其在組培室中播種并培養(yǎng),培養(yǎng)條件:溫度23 ℃,光強(qiáng)度110 μmol/(m2·s),光循環(huán)16 h 光照/8 h 黑暗,濕度60%。適合開(kāi)發(fā)VIGS 載體的病毒在植物中應(yīng)具有高傳染性,但癥狀輕微或無(wú)癥狀。為此選用了Wang 等[18]改造CMV 基因組RNA1、RNA2 和RNA3 重組構(gòu)建后的ZMBJ-CMV VIGS 載體,該載體由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院植物病理學(xué)系周濤研究組提供,載體最適合的插入片段大小為100~300 bp。
根據(jù)課題組前期的‘華金2 號(hào)’全基因測(cè)序結(jié)果,使用Primer 6.0 選取同源性較高的片段設(shè)計(jì)LjPDS基因的特異性引物(表1)。
表1 引物序列Table 1 Primer sequence
RNA提取步驟參照試劑盒說(shuō)明書(shū)。提取的RNA經(jīng)1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。使用TAKARA 公司的PrimeScripTM RT reagent Kit with gDNA Eraser試劑盒,將合格的RNA 反轉(zhuǎn)錄為cDNA。以上述cDNA 為模板,使用北京聚合美生物科技有限公司2×M5 HiPer plus Taq HiFi PCR mix 高保真Taq 酶mix 進(jìn)行PDS基因擴(kuò)增,PCR 擴(kuò)增體系:2×M5 HiPer plus Taq HiFi PCR mix 10 μL、上引物0.5 μL、下引物0.5 μL、cDNA 1 μL 和ddH2O 8 μL。PCR 擴(kuò)增程序:95 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性30 s,57 ℃30 s,72 ℃延伸1 min,循環(huán)32 次;72 ℃終延伸5 min;4 ℃保存。用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物,確定條帶的正確性和單一性。然后使用膠回收試劑盒進(jìn)行PCR 產(chǎn)物回收,回收步驟參考說(shuō)明書(shū)?;厥债a(chǎn)物與pMD18-T 載體按照說(shuō)明書(shū)的步驟和方法進(jìn)行連接,并轉(zhuǎn)化到DH5α 感受態(tài)細(xì)胞。經(jīng)抗性篩選后,挑取陽(yáng)性單菌落,用引物進(jìn)行PCR檢測(cè),并將陽(yáng)性菌落送至鉑尚生物技術(shù)(上海)有限公司測(cè)序。
將LjPDS基因的測(cè)序結(jié)果進(jìn)行生物信息學(xué)分析。 首先在 NCBI 在線(xiàn)軟件 ORF finder(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)分析基因的開(kāi)放閱讀框(open reading frame,ORF)和翻譯出的蛋白序列;通過(guò)NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)的在線(xiàn)軟件blast(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)尋找與LjPDS 蛋白序列相似的其他物種的PDS 蛋白序列并下載;DNAMAN 6.0 軟件對(duì)不同物種PDS 蛋白序列進(jìn)行多序列比對(duì)分析,找出相對(duì)保守的結(jié)構(gòu)域;通過(guò)MEGA X 軟件對(duì)LjPDS 蛋白與其他物種PDS 蛋白進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析。
將測(cè)序正確的大腸桿菌提取質(zhì)粒,采用限制性?xún)?nèi)切酶KpnI、XbaI同時(shí)對(duì)該質(zhì)粒和pCMV201-2bN81質(zhì)粒分別進(jìn)行雙酶切。將酶切后的目的片段和pCMV201-2bN81載體回收,利用T4 連接酶進(jìn)行連接,并轉(zhuǎn)化到大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞中。經(jīng)抗性篩選后,挑取陽(yáng)性單菌落,用載體引物進(jìn)行PCR 檢測(cè)。參考Wang 等[18]實(shí)驗(yàn)方法,成功連入插入片段的pCMV201-2bN81重組質(zhì)粒經(jīng)PCR 擴(kuò)增得到的產(chǎn)物大小為431 bp 插入片段長(zhǎng)度,未能成功插入片段的pCMV201-2bN81質(zhì)粒經(jīng)PCR 擴(kuò)增得到的產(chǎn)物大小約為431 bp。PCR 程序?yàn)?5 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性30 s,55 ℃、30 s,72 ℃延伸90 s,循環(huán)30次;72 ℃終延伸10 min。將正確插入的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化根癌土壤桿菌C58C1。
將攜帶有 pCMV101 、 pCMV201-2bN81、pCMV201-2bN81:LjPDS、pCMV301 的根癌土壤桿菌C58C1 在帶有卡那霉素(質(zhì)量濃度為50 μg/mL)和利福平(質(zhì)量濃度為25 μg/mL)的LB 培養(yǎng)基中28 ℃、180 r/min 震蕩培養(yǎng)36 h。再以1∶100 的比例取新鮮菌液接種于20 mL LB 液體培養(yǎng)基中,使根癌土壤桿菌的A600值在0.6~1.0。4 000 r/min 離心10 min 收集菌體,棄上清液。使用10 mmol/L 氯化鎂(MgCl,天津市鼎盛鑫化工有限公司)、10 mmol/L MES 水合物(MES,上海麥克林生化科技有限公司)、100 μmol/L 乙酰丁香酮(AS,上海麥克林生化科技有限公司),加入ddH2O 至100 mL 組成的侵染緩沖液,將重懸洗滌后的菌體吸光度(A)調(diào)整至A600=1.0。室溫靜置誘導(dǎo)至少3 h。
將誘導(dǎo)后的分別攜帶有pCMV101、pCMV201-2bN81:LjPDS、pCMV301 的農(nóng)桿菌分別以1∶1∶1 的比例混合,用1 mL 不帶針頭的注射器浸潤(rùn)接種生長(zhǎng)適合的忍冬幼苗葉片背面。設(shè)置3 個(gè)處理組:野生型忍冬為空白對(duì)照組(CK)、空載體注射為陰性對(duì)照組(pCMV201-2bN81)、含PDS基因的重組載體注射為實(shí)驗(yàn)組(pCMV201-2bN81:LjPDS),每組10 株,平行測(cè)定3 次。注射后放置23 ℃黑暗培養(yǎng)2 d,之后正常光照培養(yǎng)。
采集接種病毒15 d 后有明顯白化表型癥狀的忍冬葉片(接種葉上一葉),提取葉片總RNA,并反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,采用SYBR Green 法進(jìn)行qRTPCR,分析PDS的相對(duì)表達(dá)量。選用忍冬Actin基因(NTU60495)為內(nèi)參基因[4],并設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)熒光定量PCR 引物(表1)。相對(duì)表達(dá)量按照2-ΔΔCt法進(jìn)行計(jì)算,數(shù)據(jù)以±s表示,使用SPSS 軟件分析結(jié)果,顯著性P<0.05、0.01。使用GraphPad prism 軟件進(jìn)行作圖。
為驗(yàn)證LjPDS沉默后葉綠素的變化情況,分別取CK 和沉默處理組的等位葉3 組,測(cè)定葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量,方法參考胡黎[25]實(shí)驗(yàn)。
葉綠素a 含量=13.95×A665nm-6.88×A649nm
葉綠素b 含量=24.96×A649nm-7.32×A665nm
葉綠素總含量=葉綠素a+葉綠素b
葉綠素的含量=(葉綠素的含量×提取液體積×稀釋倍數(shù))/樣品鮮質(zhì)量
類(lèi)胡蘿卜素含量=(1 000×A470nm-2.05×葉綠素a 含量-114.8×葉綠素b 含量)/245
2.7.1 菌液吸光度 采用葉片注射法,將3 種不同A值(A600=0.6、0.8、1.0)的農(nóng)桿菌注入植株葉片,置于23 ℃黑暗處理24 h 后,轉(zhuǎn)移至光照16 h,黑暗8 h,23 ℃繼續(xù)培養(yǎng),每次處理21 株幼苗,重復(fù)3 次。
2.7.2 接種方法 處理1,在子葉期,用無(wú)針頭注射器吸取接種液,注入植株子葉背面,置于23 ℃黑暗處理24 h 后,轉(zhuǎn)移至光照16 h,黑暗8 h,23 ℃繼續(xù)培養(yǎng),每次處理21 株幼苗,重復(fù)3 次。處理2,在子葉期,先用注射法接種,再將幼苗真空浸潤(rùn)法進(jìn)行處理,在真空壓力為0.60 MPa 條件下靜止2 min,置于23 ℃黑暗處理24 h 后,轉(zhuǎn)移至光照16 h,黑暗8 h,23 ℃繼續(xù)培養(yǎng),每次處理21 株幼苗,重復(fù)3 次。
當(dāng)植株出現(xiàn)光漂白現(xiàn)象后,統(tǒng)計(jì)光漂白植株數(shù)量,并計(jì)算VIGS 沉默株率。以白化植株出現(xiàn)的百分率標(biāo)記為VIGS 的沉默株率。
植株沉默株率=白化株數(shù)/轉(zhuǎn)化總株數(shù)
首先,本研究對(duì)LjPDS基因片段進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。PCR 產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),得到1 條135 bp 的目的條帶(圖1),條帶大小符合預(yù)期。經(jīng)測(cè)序,結(jié)果顯示PDS序列和參考序列一致,說(shuō)明該條帶是目標(biāo)靶基因。
圖1 忍冬LjPDS PCR 擴(kuò)增結(jié)果Fig. 1 Result of PCR amplification of LjPDS gene
本課題組前期研究已獲得LjPDS全長(zhǎng)序列。PDS全長(zhǎng)1 458 bp,通過(guò)NCBI 在線(xiàn)軟件ORF finder 分析,該基因的ORF 為1 458 bp,編碼485個(gè)氨基酸。利用MEGA X 軟件對(duì)LjPDS 蛋白與其他物種PDS 蛋白進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析。結(jié)果顯示(圖2),可以看出LjPDS 與圖中的植物同源性都較高。利用DNAMAN 軟件將‘華金2 號(hào)’PDS 蛋白序列與其他幾個(gè)物種PDS 蛋白序列進(jìn)行多序列對(duì)比,見(jiàn)圖3。黑色陰影表示非常保守的區(qū)域,灰色陰影表示相對(duì)保守的區(qū)域。圖中黑色陰影標(biāo)記氨基酸序列占大部分,PDS 蛋白序列(XP_034916536.1)與獼猴桃Actinidiachinensis( PSS26226.1 )、 芝 麻Sesamumindicum( XP_011087837.1 )、 大 豆Glycinemax(XP_003524753.1)、赤小豆Vignaumbellata(XP_047182202.1)和番茄Solanumlycopersicum(XP_004232522.1)蛋白序列的相似度分別為74.95%、70.70%、70.52%、70.78%和69.61%,說(shuō)明忍冬LjPDS 與其他幾個(gè)物種PDS 氨基酸序列同源性非常高,其在進(jìn)化發(fā)育相對(duì)保守。
圖2 不同物種PDS 蛋白遺傳進(jìn)化關(guān)系的分析Fig. 2 Genetic evolutionary relationship analysis of PDS proteins in different species
將雙酶切后的目的片段與載體連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞。使用載體引物PCR 檢測(cè)陽(yáng)性菌斑,成功連入插入片段的pCMV201-2bN81重組質(zhì)粒經(jīng)PCR 擴(kuò)增得到的產(chǎn)物大小為431 bp+插入片段長(zhǎng)度(圖4),條帶大小符合預(yù)期,說(shuō)明VIGS 載體構(gòu)建成功,可用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
圖4 陽(yáng)性克隆菌落鑒定Fig. 4 Identification of positive clonal colony
利用農(nóng)桿菌將pCMV201-2bN81:LjPDS載體侵染忍冬幼苗葉片,發(fā)現(xiàn)當(dāng)忍冬植株P(guān)DS基因被沉默后,植株葉片出現(xiàn)褪綠,白化表型,而陰性對(duì)照植株(侵染空載體)表型則沒(méi)有變化(圖5),初步說(shuō)明VIGS 載體構(gòu)建成功。
圖5 VIGS 瞬時(shí)沉默表達(dá)LjPDS 的忍冬植株表型Fig.5 Phenotypes of L. japonica plants expressing LjPDS with transient silencing by VIGS
為進(jìn)一步確定PDS基因的沉默效率,本研究采用qRT-PCR 技術(shù)檢測(cè)PDS基因的表達(dá)量。結(jié)果表明,與野生型忍冬相比,實(shí)驗(yàn)組3 個(gè)單株葉片中PDS基因在忍冬體內(nèi)的表達(dá)量顯著降低,沉默效率高達(dá)80%(圖6)。
圖6 LjPDS 基因的沉默效果檢測(cè)Fig. 6 Detection of silencing efficiency of LjPDS gene
通過(guò)對(duì)CK 和沉默LjPDS基因有明顯白化現(xiàn)象的忍冬葉片,研究進(jìn)一步測(cè)定了CK 和白化忍冬葉片中葉綠素及類(lèi)胡蘿卜素含量,發(fā)現(xiàn)沉默LjPDS會(huì)使忍冬葉片葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素的含量降低,其降低的程度較為顯著(圖7)。
圖7 沉默LjPDS 葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素量降低Fig. 7 Lower chlorophyll and carotenoid contents in silent LjPDS
不同寄主植物中基因沉默的效率及成功率存在差異,為了更好地評(píng)價(jià)VIGS 的沉默株率,本研究比較不同農(nóng)桿菌菌液(A600=0.60、0.80 和1.00)及不同的接種方法對(duì)忍冬PDS基因沉默株率的影響。結(jié)果顯示,一定范圍內(nèi)農(nóng)桿菌接種(A值為0.60~1.00)對(duì)VIGS 效率影響不明顯,當(dāng)農(nóng)桿菌菌液A600=0.80 時(shí),PDS基因的沉默比例最高,為50.79%,農(nóng)桿菌A600=0.60 和A600=1.00時(shí)沉默比例分別為44.44%和49.20%。結(jié)果如圖8所示,注射法和注射真空浸潤(rùn)法的沉默比例分別為50.79%和66.66%,可以采用注射真空浸潤(rùn)法提高沉默效率。
圖8 農(nóng)桿菌不同接種吸光度 (A) 及不同接種方法 (B) 對(duì)LjPDS 基因沉默株率的影響Fig. 8 Effects of different inoculation absorbances (A) and different inoculation methods (B) of Agrobacterium tumefaciens on silencing rate of LjPDS gene
目前尚未發(fā)現(xiàn)可靠的遺傳轉(zhuǎn)化體系、基因沉默體系和基因敲除體系,能夠使忍冬植物的再生和遺傳穩(wěn)定轉(zhuǎn)化。然而,能夠分析忍冬的重要基因功能將是進(jìn)一步表征植物的重要前提。因此,本研究利用生物信息學(xué)分析和PCR 技術(shù)構(gòu)建VIGS 載體,以期建立忍冬VIGS 體系,為研究忍冬關(guān)鍵基因的功能奠定基礎(chǔ)。
1、2、3 號(hào)分別為沉默組3 個(gè)單株葉片PDS基因表達(dá)量,***P<0.01 水平上存在顯著差異,下圖同。
1, 2, 3 were the expression levels ofPDSgene in the leaves of three single plants in the silencing group, respectively,***P< 0.01 indicates a significant difference at the level, same as below.
本研究通過(guò)序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)忍冬科植物中PDS基因高度同源,進(jìn)而利用其保守結(jié)構(gòu)域設(shè)計(jì)引物并成功克隆出用PDS基因片段,并利用酶切連接的方法構(gòu)建了VIGS 載體,轉(zhuǎn)化到根癌農(nóng)桿菌并侵染忍冬葉片,出現(xiàn)白化現(xiàn)象,qRT-PCR 結(jié)果發(fā)現(xiàn)VIGS 沉默株系中PDS基因表達(dá)量顯著降低。綜上,VIGS 體系可在忍冬中成功地發(fā)揮作用,成功地沉默了忍冬PDS基因,并獲得PDS基因沉默的忍冬植株。Li 等[26]建立了1個(gè)基于CMV 的VIGS 系統(tǒng),可以有效的沉默玉米基因,克服了目前玉米VIGS 病毒感染率低、沉默維持時(shí)間短的局限性。董婷婷[27]以CMV-Fny 侵染性克隆為基礎(chǔ),構(gòu)建2b 缺失突變載體pCB301-Fny2-2b del,完成對(duì)水芹CMV-Fny 侵染性克隆的改造,改造好的載體成功沉默水芹PDS基因。
VIGS 具有不依賴(lài)遺傳轉(zhuǎn)化,接種方便,沉默效率高的優(yōu)勢(shì),但由于VIGS 依賴(lài)于轉(zhuǎn)錄后基因沉默和轉(zhuǎn)錄基因沉默以及沉默信號(hào)的全身傳遞,不同個(gè)體、器官和組織的沉默程度不同,沉默的起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間也可能因個(gè)體和物種而異,因此,還需要進(jìn)一步研究體系優(yōu)化,使其沉默效率更加高效。盡管如此,但開(kāi)發(fā)的VIGS 方法可用于執(zhí)行反向遺傳方法以鑒定未知的基因功能,且實(shí)驗(yàn)處理組較對(duì)照組也有極顯著差異,這表明本方法可以用于大規(guī)?;虺聊潭参锊牧系闹苽?,VIGS 可以快速有效地用于分析忍冬中的基因功能。VIGS 的成功建立可以消除組織培養(yǎng)的需要,為研究忍冬的基因功能提供有效的方法,加速忍冬功能基因組研究的進(jìn)程。為研究忍冬基因功能引入新途徑,提供創(chuàng)新的忍冬種質(zhì)資源。
利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突