摘""要:芒果(Mangifera"indica"L.)是典型的呼吸躍變型水果,其成熟衰老與乙烯密切相關(guān)。ERF轉(zhuǎn)錄因子(ethylene-"responsive"factor)在植物生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)成熟和乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。本研究以貴妃芒果品種為試驗(yàn)材料,克隆MiERF20基因,并對(duì)其生物學(xué)功能進(jìn)行分析。結(jié)果表明:MiERF20基因全長(zhǎng)492"bp,編碼163個(gè)氨基酸;MiERF20蛋白為不穩(wěn)定的親水蛋白,無(wú)信號(hào)肽和跨膜區(qū),含有25個(gè)磷酸化位點(diǎn)及1個(gè)AP2保守結(jié)構(gòu)域;其二級(jí)結(jié)構(gòu)以40.49%的無(wú)規(guī)則卷曲為主,還含有33.13%的α-螺旋、16.56%的延伸鏈和9.82%的β-轉(zhuǎn)角,三級(jí)結(jié)構(gòu)符合AP2結(jié)構(gòu)域特征;MiERF20與漆樹(shù)科開(kāi)心果的ERF20蛋白同源性達(dá)83.89%。亞細(xì)胞定位顯示MiERF20位于細(xì)胞核,且具有轉(zhuǎn)錄激活活性。原核表達(dá)實(shí)驗(yàn)表明該蛋白在原核系統(tǒng)中能被誘導(dǎo)表達(dá)。實(shí)時(shí)熒光定量分析結(jié)果顯示,MiERF20基因受乙烯誘導(dǎo)表達(dá),表明其在乙烯調(diào)控果實(shí)成熟中發(fā)揮重要作用。本研究為進(jìn)一步解析ERF轉(zhuǎn)錄因子在果實(shí)采后成熟過(guò)程中的功能和調(diào)控機(jī)制提供基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:芒果;ERF轉(zhuǎn)錄因子;乙烯信號(hào);基因表達(dá);表達(dá)分析中圖分類(lèi)號(hào):S667.7"""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
Cloning,"Localization"and"Expression"Analysis"of"MiERF20"Gene"in"Mango"Fruit
GUO"Pan1,2,"WANG"Xin1,2,"ZHANG"Shasha1,2,"MA"Dexin3,"GONG"Yan3,"SHAO"Yuanzhi1,2,"LI"Wen1,2*
1."School"of"Tropical"Agriculture"and"Forestry,"Hainan"University,"Danzhou,"Hainan"571737,"China;"2."Sanya"Institute"of"Southern"Propagation,"Hainan"University,"Sanya,"Hainan"572025,"China;"3."Hainan"Haiken"Cold"Chain"Development"Co.,"Ltd.,"Sanya,"Hainan"572013,"China
Abstract:"Mango"(Mangifera"indica"L.),"as"a"typical"climacteric"fruit,"undergoes"ripening"and"senescence"processes"closely"related"to"ethylene."Ethylene-responsive"factors"(ERF)"play"crucial"roles"in"plant"growth,"fruit"ripening"and"ethylene"signaling"transduction."Mango"variety"Guifei"was"used,"MiERF20,"492"bp"long"and"encoding"163"amino"acids,""was"cloned"and"analyzed."Bioinformatics"analysis"revealed"that"MiERF20"was"an"unstable,"hydrophilic"protein"without"signal"peptides"or"transmembrane"regions,"containing"25"phosphorylation"sites"and"one"AP2"conserved"domain."The"secondary"structure"was"dominated"by"40.49%"irregular"coils,"33.13%"α-helices,"16.56%"extensions"and"9.82%"β-rotations."Its"secondary"structure"comprised"irregular"coils,"α-helices,"extended"chains,"and"β-turns,"consistent"with"AP2"domain"features."MiERF20"showed"83.89%"homology"with"ERF20"of"Lacertidae"pistachio."Subcellular"localization"indicated"that"MiERF20"was"located"in"the"nucleus"and"possessed"transcriptional"activation"activity."Prokaryotic"expression"assays"demonstrated"that"the"protein"could"be"inducibly"expressed"in"a"prokaryotic"system."Real-time"fluorescence"quantification"showed"that"MiERF20"was"ethylene-inducible,"suggesting"its"role"in"ethylene-regulated"fruit"ripening."This"study"would"provide"a"foundation"for"further"analysis"of"the"functions"and"regulatory"mechanisms"of"ERF"transcription"factors"during"postharvest"fruit"ripening.
Keywords:"mango;"ERF"transcription"factor;"ethylene"signaling;"gene"expression;"expression"analysis
DOI:"10.3969/j.issn.1000-2561.2025.04.002
AP2/ERF(APETALA2/ethylene-responsive"factor)轉(zhuǎn)錄因子家族是植物中最大且重要的轉(zhuǎn)錄因子家族之一,廣泛參與調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育、逆境響應(yīng)以及激素信號(hào)傳導(dǎo)等生物學(xué)過(guò)程。ERF基因家族成員含有高度保守的AP2/ERF結(jié)構(gòu)域,通常由約60~70個(gè)氨基酸組成,具有YRG和RAYD等特征性序列元件,這些元件是AP2/ERF家族成員結(jié)合目標(biāo)DNA位點(diǎn)的重要特征[1]。ERF基因家族不僅響應(yīng)內(nèi)源乙烯信號(hào),還能參與植物對(duì)干旱、鹽分、低溫等多種非生物脅迫的應(yīng)答調(diào)控,且能夠與其他激素(如脫落酸、茉莉酸等)信號(hào)通路交叉作用,因此在植物的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控中發(fā)揮重要作用[2-3]。ERF基因家族通常分為若干亞組,如ERF亞族、DREB亞族等。ERF亞族主要響應(yīng)乙烯和茉莉酸等激素信號(hào),而DREB亞族通常參與非生物脅迫反應(yīng)。研究表明,這些轉(zhuǎn)錄因子可以通過(guò)結(jié)合下游基因的啟動(dòng)子區(qū)特定順式元件來(lái)激活或抑制其表達(dá),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)基因的調(diào)控[4]。
不同植物中的ERF家族基因因其保守性和廣泛的生物功能而被關(guān)注。辣椒CaERF70基因在耐鹽處理下顯著表達(dá),并具有轉(zhuǎn)錄激活活性,表明其可能在辣椒應(yīng)對(duì)鹽脅迫過(guò)程中發(fā)揮作用[5]。西瓜中的ClERF039基因在果實(shí)早期發(fā)育階段對(duì)冷害、干旱、鹽等非生物脅迫呈現(xiàn)負(fù)調(diào)控趨勢(shì),其可能在西瓜果實(shí)發(fā)育和抗逆性方面具有潛在功能[6]。玉米ZmEREB180基因在玉米根系生長(zhǎng)和耐逆性調(diào)控中起到了積極作用,尤其在低氮和干旱脅迫下顯著上調(diào),表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗逆性,表明ZmEREB180可能有助于提高作物的抗逆性[7]。在桃果實(shí)的成熟過(guò)程中,PpERF1.B基因的表達(dá)水平與果實(shí)成熟呈正相關(guān),表明PpERF1.B基因在果實(shí)成熟過(guò)程中可能通過(guò)激活目標(biāo)基因啟動(dòng)子發(fā)揮調(diào)控作用[8]。黃瓜CsERF025L基因也在不同脅迫條件下表達(dá),推測(cè)該基因可能在黃瓜的抗逆性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]。此外,過(guò)表達(dá)水稻OsERF71基因,轉(zhuǎn)基因水稻表現(xiàn)出顯著的抗旱能力。研究表明,OsERF71通過(guò)編程基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò),將能量?jī)?yōu)先分配至氧化反應(yīng)和DNA復(fù)制等生存相關(guān)機(jī)制,同時(shí)抑制光合作用等高能量消耗過(guò)程,這種能量?jī)?yōu)化延長(zhǎng)了水稻在干旱條件下的生存時(shí)間[10]。結(jié)縷草ZjERF10基因在水稻中過(guò)表達(dá)后,表現(xiàn)出矮化、結(jié)實(shí)率降低和耐鹽性增強(qiáng)。ZjERF10與GA信號(hào)通路相關(guān)蛋白的相互作用,表明其通過(guò)調(diào)控ABA和GA串?dāng)_信號(hào)通路,影響植物的發(fā)育和抗鹽反應(yīng)[11]。PaERF38基因在轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)中過(guò)表達(dá)后,顯著增強(qiáng)了植物的耐鹽和耐滲透性,通過(guò)提高抗氧化酶的活性,從而減少活性氧積累,表明PaERF38在調(diào)控抗氧化能力方面的作用[12]。
芒果(Mangifera"indica"L.)是熱帶和亞熱帶地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物,深受消費(fèi)者的喜愛(ài)。然而,芒果作為一種典型的呼吸躍變型水果,其采后成熟過(guò)程伴隨著乙烯的釋放,易導(dǎo)致果實(shí)軟化、衰老,縮短了貨架期,影響芒果的市場(chǎng)供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。因此,如何延緩芒果的采后衰老、提高其貯藏穩(wěn)定性成為當(dāng)前重要的研究方向[13]。ERF轉(zhuǎn)錄因子作為乙烯信號(hào)通路中的關(guān)鍵成分,在芒果的采后成熟調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。陳明敏等[14]在芒果中鑒定出多個(gè)ERF基因家族成員,其中MiERF-AP2-5、MiERF-AP2-6等在外源乙烯處理下表現(xiàn)出顯著上調(diào)趨勢(shì),這些基因可能對(duì)乙烯的代謝起到正向調(diào)控作用。此外,竇雅琪等[15]的研究進(jìn)一步揭示了MiERF3在采后芒果果皮色澤調(diào)控中的作用,其在芒果貯藏期間的表達(dá)量呈先增后降的趨勢(shì),其可能在芒果果實(shí)成熟和轉(zhuǎn)色過(guò)程中起到重要的正向調(diào)控作用。芒果中的其他ERF基因,如MiERF113在采后貯藏過(guò)程中的表達(dá)量逐漸增加,在果皮和果肉中均有較高的表達(dá)水平,表明其在采后成熟過(guò)程中具有重要作用,該基因可能通過(guò)響應(yīng)內(nèi)源乙烯信號(hào),進(jìn)一步影響果實(shí)成熟相關(guān)的基因表達(dá),延緩或加速成熟進(jìn)程[13]。此外,MiERF2基因在乙烯處理下表現(xiàn)出復(fù)雜的表達(dá)模式,不同成熟度的芒果果實(shí)對(duì)乙烯處理的響應(yīng)不同,其可能在芒果采后成熟過(guò)程中扮演雙重調(diào)控的角色[16]。
AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族在植物的響應(yīng)逆境脅迫、果實(shí)發(fā)育成熟以及乙烯信號(hào)傳導(dǎo)中起著至關(guān)重要的調(diào)控作用。芒果作為一種重要的熱帶水果,其采后成熟過(guò)程中乙烯釋放引發(fā)的一系列生理變化直接影響了果實(shí)的貨架期和品質(zhì)。ERF基因家族的不同成員在芒果采后成熟過(guò)程中的表達(dá)模式各異,且可能通過(guò)響應(yīng)乙烯信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)成熟和衰老過(guò)程的調(diào)控。因此,為進(jìn)一步解析芒果ERF家族基因在果實(shí)成熟衰老中的作用,本研究基于芒果轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)克隆MiERF20基因,利用生物信息學(xué)方法對(duì)該基因編碼蛋白理化性質(zhì),系統(tǒng)進(jìn)化、多序列比對(duì)等進(jìn)行分析;并通過(guò)qPCR分析MiERF20在果實(shí)貯藏期間表達(dá)水平的變化,通過(guò)酵母驗(yàn)證了其轉(zhuǎn)錄激活活性,以及原核誘導(dǎo)該蛋白的表達(dá)。該研究有助于揭示芒果采后成熟調(diào)控的分子機(jī)制,并為延長(zhǎng)芒果果實(shí)的保鮮期提供理論依據(jù)。同時(shí),利用基因編輯和轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)芒果ERF基因進(jìn)行改良,可望提高芒果的貯藏穩(wěn)定性,延緩衰老,為熱帶水果的保鮮技術(shù)提供新思路和新方法。
1.1""材料
供試材料為八成熟的貴妃芒果,采自海南省東方市八所鎮(zhèn)南堯村。挑選大小、顏色相對(duì)一致、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)機(jī)械損傷的芒果果實(shí)為試驗(yàn)材料。剪留0.5"cm果柄,用0.1%次氯酸鈉、0.05%施保功浸泡處理并晾干。將果實(shí)分為2組,實(shí)驗(yàn)組經(jīng)0.5"mg/L"ETH溶液浸泡5"min,密閉存放24"h后取出,標(biāo)記為ETH處理果實(shí);對(duì)照組(CK)果實(shí)不作任何處理,將果實(shí)裝入PE保鮮袋中,9個(gè)果實(shí)為1袋,貯藏在濕度為85%~90%,溫度為20"℃的培養(yǎng)箱中。分別在0、6、12、18、24"d取樣,3個(gè)果實(shí)為1次重復(fù),每個(gè)處理重復(fù)3次。將果肉樣品用液氮速凍,保存于–80"℃冰箱,用于后續(xù)RNA提取與基因克隆。
1.2""方法
1.2.1""RNA提取與cDNA合成""采用改良型CTAB法提取芒果果實(shí)RNA,使用Nanodrop"2000測(cè)定RNA的濃度,使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA質(zhì)量,使用NOVA"All-in-OneFirst-Strand"Synthesis"Master"Mix試劑盒將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,于–20"℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2""MiERF20克隆""從芒果轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選得到MiERF20基因,通過(guò)NCBI(https://"www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫(kù)與TBtools軟件分析MiERF20基因序列。使用Primer"5.0軟件設(shè)計(jì)qPCR引物(表1),使用NCBI"Primer-BLAST工具檢測(cè)克隆引物特異性。對(duì)目的基因進(jìn)行qPCR擴(kuò)增,使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)并回收492"bp大小凝膠條帶,連接pMD19-T克隆載體,轉(zhuǎn)化DH5α大腸桿菌,隨后進(jìn)行菌落PCR驗(yàn)證,將陽(yáng)性克隆菌液送至北京擎科生物技術(shù)有限公司進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序結(jié)果使用SnapGene軟件進(jìn)行序列比對(duì)。
1.2.3""生物信息學(xué)分析"nbsp;利用ExPASy"ProtParam(https://web.expasy.org/protparam/)在線工具分析MiERF20蛋白理化性質(zhì);利用SignalP-4.1(https://services.healthtech.dtu.dk/services/SignalP-4.1/)、TMHMM-2.0(https://services.healthtech."dtu.dk/services/TMHMM-2.0/)、NetPhos-3.1(https://"services.healthtech.dtu.dk/services/NetPhos-3.1/)在線工具分析MiERF20蛋白信號(hào)肽、跨膜區(qū)以及磷酸化位點(diǎn);利用SOPMA(https://npsa-prabi.ibcp.fr/"cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopm.html)、SWISS-MODEL(https://www.expasy.org/"resources/swiss-model)在線工具預(yù)測(cè)MiERF20蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)。使用DNAMAN"6.0軟件進(jìn)行多物種序列比對(duì),探究MiERF20在不同物種中的保守性與進(jìn)化關(guān)系。使用MEGA-X軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),進(jìn)行蛋白同源性分析。利用NCBI"Conserved"Domains(https://www.ncbi.nlm.nih."gov/Structure/bwrpsb/bwrpsb.cgi)、MEME(https://"meme-suite.org/meme/)在線工具預(yù)測(cè)不同物種ERF20蛋白的保守結(jié)構(gòu)域以及分析10個(gè)motif結(jié)構(gòu),并使用TBtools軟件進(jìn)行可視化分析。
1.2.4""亞細(xì)胞定位分析""利用Cell-PLoc"2.0(http://"www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/)在線工具預(yù)測(cè)蛋白的定位。采用洋蔥內(nèi)表皮轉(zhuǎn)化法進(jìn)行亞細(xì)胞定位分析。首先,選用Nco"Ⅰ和Spe"Ⅰ酶切位點(diǎn)設(shè)計(jì)特異性引物GFP-MiERF20(表1),PCR擴(kuò)增出目的片段,使用限制性內(nèi)切酶切割載體和插入片段,通過(guò)T4"DNA連接酶將目的片段構(gòu)建至pCAMBIA1302-GFP(35S::GFP)表達(dá)載體中,生成35S::MiERF20-GFP融合表達(dá)載體。隨后將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至GV3101農(nóng)桿菌,挑取陽(yáng)性克隆搖至OD600=0.8,離心收集菌體,使用重懸液(10"mmol/L"MgCl2、10"mmol/L"MES、100"μmol/L"AS)重懸菌體至OD600=0.8。將洋蔥內(nèi)表皮浸泡于該重懸液10"min后,使用濾紙吸去洋蔥內(nèi)表皮過(guò)多的重懸液,轉(zhuǎn)移到鋪有濾紙的MS固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)48"h。培養(yǎng)結(jié)束后制作玻片樣本,使用DAPI對(duì)細(xì)胞核進(jìn)行染色后,通過(guò)倒置熒光顯微鏡觀察藍(lán)色、綠色熒光信號(hào)并拍照。
1.2.5""MiERF20轉(zhuǎn)錄激活活性分析""選用EcoRⅠ和BamHⅠ酶切位點(diǎn)設(shè)計(jì)特異性引物DBD-"MiERF20(表1),以測(cè)序正確的pMD19-MiERF20質(zhì)粒為模板,擴(kuò)增目的片段,酶切片段與載體后,通過(guò)T4"DNA連接酶將目的片段插入pGBKT7載體,構(gòu)成重組質(zhì)粒。將pGBKT7-MiERF20重組質(zhì)粒與陰性對(duì)照質(zhì)粒pGBKT7分別轉(zhuǎn)化AH109感受態(tài)細(xì)胞,涂布于SD/-Trp培養(yǎng)基,28"℃培養(yǎng)2~3"d。挑取陽(yáng)性單菌落分別點(diǎn)板到SD/-Trp、SD/-Trp/-"His"、SD/-Trp/-His+X-α-gal培養(yǎng)基進(jìn)行驗(yàn)證,28"℃培養(yǎng)3~5"d,根據(jù)菌落長(zhǎng)勢(shì)分析結(jié)果。
1.2.6""MiERF20原核表達(dá)分析""選用EcoRⅠ和XhoⅠ酶切位點(diǎn)設(shè)計(jì)特異性引物GST-MiERF20(表1),以測(cè)序正確的pMD19-MiERF20質(zhì)粒為模板,擴(kuò)增目的片段,酶切片段與載體后,通過(guò)T4"DNA連接酶將目的片段插入pGEX-6P-1載體,構(gòu)成GST-MiERF20重組質(zhì)粒。將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至原核表達(dá)菌株BL21,挑取陽(yáng)性克隆搖至OD600=0.8,取1"mL作為誘導(dǎo)前菌液,剩余菌液加入異丙基硫代半乳糖苷(IPTG終濃度為1"mmol/L),37"℃搖床誘導(dǎo)表達(dá)6"h,誘導(dǎo)結(jié)束后取1"mL作為誘導(dǎo)后菌液,將誘導(dǎo)前和誘導(dǎo)后菌液離心后使用PBS重懸菌體,再次離心后加入2×Protein"Loading"Buffer,95"℃水浴10"min,進(jìn)行SDS-PAGE電泳,結(jié)束后進(jìn)行染色、脫色、拍照、分析。
1.2.7""MiERF20表達(dá)量分析""利用Primer"5.0軟件設(shè)計(jì)qPCR引物(表1),使用NCBI"Primer-"BLAST檢測(cè)定量引物特異性。選擇芒果MiActin7基因作為內(nèi)參,使用TOLOBIO試劑盒(2×Q3"SYBR"qPCR"Master"mix)進(jìn)行qPCR擴(kuò)增,采用2–??Ct計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。每個(gè)樣品3次生物學(xué)重復(fù)。按試劑盒說(shuō)明書(shū)配制10"μL反應(yīng)體系,反應(yīng)程序包括:預(yù)變性3"min(95"℃),循環(huán)包括95"℃變性10"s,60"℃退火延伸30"s,40次循環(huán),熔解曲線采用儀器默認(rèn)程序。
2.1""MiERF20基因的克隆與鑒定
以芒果果肉cDNA為模板,使用PCR-MiERF20克隆引物對(duì)MiERF20基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增,結(jié)果如圖1所示,克隆得到的片段與MiERF20基因片段大小一致,通過(guò)測(cè)序鑒定,結(jié)果與MiERF20基因序列一致,表明成功克隆了MiERF20基因。
2.2""MiERF20生物信息學(xué)分析
蛋白理化性質(zhì)分析顯示,MiERF20基因編碼163個(gè)氨基酸,蛋白分子式為C809H1242N220O255S7,分子量為18"354.5"Da,蛋白等電點(diǎn)為5.15,正、負(fù)電荷氨基酸殘基總數(shù)分別為19個(gè)和22個(gè),不穩(wěn)定系數(shù)為62.63,親水性為–0.612,推測(cè)MiERF20蛋白為不穩(wěn)定的親水蛋白。MiERF20蛋白無(wú)信號(hào)肽(圖2A),屬于非分泌蛋白,無(wú)跨膜區(qū)(圖2B),不屬于膜結(jié)構(gòu)蛋白。磷酸化位點(diǎn)預(yù)測(cè)顯示,MiERF20分別含有Ser(15個(gè))、Thr(5個(gè))、Tyr(5個(gè))共25個(gè)磷酸化位點(diǎn)(圖2C)。MiERF20蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),其無(wú)規(guī)則卷曲為66個(gè)氨基酸(40.49"%)、α-螺旋為54個(gè)氨基酸(33.13%)、延伸鏈為27個(gè)氨基酸(16.56%),β-轉(zhuǎn)角為16個(gè)氨基酸(9.82%)(圖2D);MiERF20蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)(圖2E)與二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)一致,符合AP2結(jié)構(gòu)域典型的結(jié)構(gòu)特征。
從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載其他9個(gè)已知物種的ERF20蛋白序列,與MiERF20蛋白序列進(jìn)行同源性分析(圖3B),發(fā)現(xiàn)MiERF20與漆樹(shù)科多年生落葉果樹(shù)開(kāi)心果(Pistacia"vera,XP_031253116.1)的ERF20蛋白氨基酸序列同源性最高,為83.89%,表明MiERF20蛋白與開(kāi)心果ERF20蛋白親緣關(guān)系近,該基因在功能上的作用可能更為相似。此外,與柑橘(Citrus"sinensis,KAH9781553.1)、榴蓮(Durio"zibethinus,XP_022719809.1)同源性也較高,為64.78%和62.58%。與可可(Theobroma"cacao,XP_007019844.2)、雪槿(Hibiscus"syriacus,XP_039003247.1)、棉花(Gossypium"hirsutum,XP_016675456.1)、榿木(Alnus"glutinosa,XP_"062152869.1)、黑楊(Populus"nigra,XP_"061987813.1)的氨基酸序列相似性分別為61.59%、61.49%、59.15%、58.68%、55.36"%。
對(duì)以上9個(gè)物種的ERF20基因構(gòu)建進(jìn)化樹(shù),結(jié)果表明,芒果MiERF20與漆樹(shù)科開(kāi)心果PvERF20聚為一類(lèi),親緣關(guān)系最近,其次與雪槿、棉花的親緣關(guān)系較近,與榿木、黑楊的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)(圖4A)。蛋白結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,9個(gè)物種的ERF20蛋白均含有AP2結(jié)構(gòu)域(圖4B)。MEME軟件分析表明,芒果與親緣關(guān)系最近的開(kāi)心果的motif一致,均含有motif1、motif3、motif2、motif5、motif4、motif8、motif9。與MiERF20同源性較高的不同物種的ERF基因的motif結(jié)構(gòu)相似(圖4C),其中所有蛋白中均含有4種motif(圖4D)。以上結(jié)果表明,ERF20蛋白均含有AP2結(jié)構(gòu)域,且蛋白結(jié)構(gòu)域是由1個(gè)或幾個(gè)特定的保守元件構(gòu)成。
2.3""MiERF20亞細(xì)胞定位分析
亞細(xì)胞預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,MiERF20蛋白定位于細(xì)胞核。將構(gòu)建好的pCAMBIA1302-MiERF20載體通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法侵染洋蔥內(nèi)表皮進(jìn)行瞬時(shí)表達(dá),使用倒置熒光顯微鏡觀察,對(duì)照組35S::GFP在洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞壁上均檢測(cè)到
綠色熒光信號(hào),實(shí)驗(yàn)組35S::MiERF20-GFP融合蛋白僅在細(xì)胞核中出現(xiàn)綠色熒光信號(hào)(圖5),結(jié)果表明芒果MiERF20蛋白定位于洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞的細(xì)胞核,與預(yù)測(cè)結(jié)果一致,符合轉(zhuǎn)錄因子通常所具有的核定位信號(hào)特征,并在細(xì)胞核中發(fā)揮其功能。
2.4""MiERF20轉(zhuǎn)錄激活活性分析
為了確定MiERF20蛋白是否具有轉(zhuǎn)錄激活活性,將MiERF20基因重組到酵母表達(dá)載體pGBKT7中,構(gòu)成pGBKT7-MiERF20誘餌質(zhì)粒作為實(shí)驗(yàn)組,以空載體pGBKT7作為陰性對(duì)照組,分別轉(zhuǎn)化AH109感受態(tài)細(xì)胞,涂布于SD/-Trp平板培養(yǎng),挑取陽(yáng)性單菌落分別點(diǎn)板到SD/-Trp、SD/-Trp/-His、SD/-Trp/-His+X-α-gal平板驗(yàn)證。結(jié)果顯示(圖6),2組酵母菌在SD/-Trp平板上均能正常生長(zhǎng),轉(zhuǎn)化pGBKT7的陰性對(duì)照組不能在SD/-Trp/-His平板上生長(zhǎng),轉(zhuǎn)化pGBKT7-MiERF20誘餌目的基因質(zhì)粒的實(shí)驗(yàn)組可以在SD/-Trp/-His平板上正常生長(zhǎng),并在添加X(jué)-α-gal的平板上變藍(lán),表明MiERF20基因具有轉(zhuǎn)錄激活活性,能夠特異性結(jié)合到DNA序列上,從而激活下游基因的轉(zhuǎn)錄,參與調(diào)控基因表達(dá),并在細(xì)胞的生理與發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮作用。
2.5""MiERF20原核表達(dá)分析
為了驗(yàn)證MiERF20蛋白的誘導(dǎo)表達(dá),將MiERF20基因插入到pGEX-6P-1載體中,構(gòu)建GST-MiERF20重組質(zhì)粒并轉(zhuǎn)化BL21菌株。結(jié)果顯示(圖7),1"mmol/L"IPTG誘導(dǎo)的GST-MiERF20融合蛋白在40~55"kDa處差異明顯,符合GST-"MiERF20融合蛋白的大小,表明其成功誘導(dǎo)表達(dá)。上述結(jié)果表明,MiERF20蛋白在原核系統(tǒng)中正確折疊,具備良好轉(zhuǎn)錄和翻譯適應(yīng)性,為研究其功能和在植物中的作用奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
2.6""MiERF20相對(duì)表達(dá)量分析
芒果果實(shí)貯藏過(guò)程中,MiERF20基因的表達(dá)量呈先上升后下降的變化趨勢(shì)(圖8)。乙烯利處理能夠顯著提高M(jìn)iERF20基因的表達(dá)水平,且于12"d達(dá)到峰值,與0"d相比其表達(dá)量升高了6.14倍,且處理組MiERF20基因的表達(dá)水平在整個(gè)貯藏期中始終高于對(duì)照組。表明MiERF20基因可能響應(yīng)乙烯信號(hào),并在芒果采后成熟與衰老過(guò)程中發(fā)揮調(diào)控作用。
果實(shí)成熟是一個(gè)復(fù)雜的生理和生化過(guò)程,涉及多種植物激素和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。乙烯作為一種關(guān)鍵的植物激素,在更年期果實(shí)的成熟過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。果實(shí)成熟過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷一系列變化,包括色素積累、質(zhì)地軟化、糖分積累和風(fēng)味形成[17-19]。這些變化不僅影響果實(shí)的感官品質(zhì),還直接影響其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和市場(chǎng)接受度。乙烯通過(guò)與其信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵因子相互作用,調(diào)節(jié)這些成熟相關(guān)的生理過(guò)程[20-22]。
乙烯反應(yīng)因子(ERF)家族是乙烯信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的重要組成部分,參與調(diào)控果實(shí)成熟。在不同物種中,ERF基因表現(xiàn)出多樣的功能。番茄中的SlERF.D7通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素和乙烯信號(hào)的串?dāng)_,促進(jìn)果實(shí)成熟[23-24]。甜瓜中CmERF024被證明是乙烯介導(dǎo)的果實(shí)成熟的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,其缺失會(huì)導(dǎo)致成熟延遲[25]。與這些物種相比,芒果中的ERF基因家族尚未得到全面研究。已有的研究表明,芒果MiERF4在應(yīng)對(duì)病原菌侵染時(shí)發(fā)揮重要作用,并可能參與乙烯和茉莉酸信號(hào)通路[26]。MiERF113在采后貯藏過(guò)程中的表達(dá)量逐漸增加,表明其可能通過(guò)響應(yīng)內(nèi)源乙烯信號(hào),影響果實(shí)成熟相關(guān)的基因表達(dá),并延緩或加速成熟進(jìn)程[13]。以上研究表明芒果ERF基因可能在果實(shí)成熟和抗病方面扮演雙重角色。
ERF基因作為乙烯信號(hào)傳導(dǎo)的下游因子,直接參與果實(shí)成熟的調(diào)控。研究表明,ERF基因可以通過(guò)調(diào)節(jié)乙烯生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵酶基因(如ACS和ACO)影響果實(shí)成熟進(jìn)程[1,"27]。在番茄中,ERF4通過(guò)與TPL4的相互作用抑制乙烯的產(chǎn)生,從而影響果實(shí)硬度[28]。類(lèi)似的機(jī)制在無(wú)花果和桃子中也被發(fā)現(xiàn),這些ERF基因通過(guò)與其他轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)控因子的相互作用,調(diào)控果實(shí)成熟的多個(gè)方面[1,"29]。ERF基因在采后果實(shí)成熟過(guò)程中具有顯著的調(diào)控潛力,通過(guò)調(diào)節(jié)乙烯信號(hào)傳導(dǎo),影響果實(shí)的軟化、色素積累和風(fēng)味形成等關(guān)鍵品質(zhì)[30-32]。在蘋(píng)果中,ERF4的突變影響了果實(shí)的硬度和乙烯產(chǎn)生,從而改變了果實(shí)的保鮮期和品質(zhì)[28];在芒果中,盡管對(duì)ERF基因的研究仍處于初步階段,但猜測(cè)其可能通過(guò)類(lèi)似的機(jī)制影響果實(shí)的采后成熟和保鮮。
本研究為進(jìn)一步解析ERF20轉(zhuǎn)錄因子在采后芒果果實(shí)成熟與衰老方面的作用,對(duì)其理化性質(zhì)、亞細(xì)胞定位、系統(tǒng)進(jìn)化、轉(zhuǎn)錄激活活性、原核誘導(dǎo)表達(dá)和采后貯藏期間的表達(dá)模式進(jìn)行分析。生物信息學(xué)分析顯示,MiERF20基因全長(zhǎng)492"bp,編碼163個(gè)氨基酸,與克隆及原核誘導(dǎo)蛋白表達(dá)的結(jié)果一致。MiERF20蛋白無(wú)信號(hào)肽與跨膜區(qū),含有1個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域(65個(gè)氨基酸),屬于AP2/ERF家族成員。進(jìn)化樹(shù)與蛋白同源性分析發(fā)現(xiàn),MiERF20與漆樹(shù)科多年生落葉果樹(shù)開(kāi)心果PvERF20蛋白氨基酸序列同源性最高,為83.89%,且芒果MiERF20與漆樹(shù)科開(kāi)心果PvERF20聚為一類(lèi),表明MiERF20蛋白與開(kāi)心果ERF20蛋白親緣關(guān)系近,該基因在功能上的作用可能更為相似,這與已報(bào)道的MiERF2、MiERF3等的結(jié)果一致[12-13]。亞細(xì)胞定位結(jié)果表明,芒果MiERF20蛋白定位于細(xì)胞核,與預(yù)測(cè)結(jié)果一致,符合轉(zhuǎn)錄因子通常所具有的核定位信號(hào)特征,并在細(xì)胞核中發(fā)揮其功能。轉(zhuǎn)錄激活活性實(shí)驗(yàn)表明MiERF20基因具有轉(zhuǎn)錄激活活性,可能通過(guò)特異性結(jié)合DNA序列,激活下游基因的轉(zhuǎn)錄,參與調(diào)控基因表達(dá)。此外,qPCR結(jié)果表明,MiERF20基因可能響應(yīng)乙烯介導(dǎo),乙烯信號(hào)通路被激活,通過(guò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)參與芒果采后成熟衰老與抵抗逆境的過(guò)程。
綜上所述,ERF基因通過(guò)調(diào)控乙烯信號(hào)傳導(dǎo)和與其他激素的交互作用,影響果實(shí)的成熟過(guò)程。MiERF20在采后芒果果實(shí)成熟過(guò)程中發(fā)揮一定的作用,未來(lái)的研究應(yīng)進(jìn)一步揭示芒果中ERF基因的具體功能及其在果實(shí)采后成熟中的調(diào)控機(jī)制,以期為芒果的采后保鮮技術(shù)提供新的分子靶點(diǎn)和策略。
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