院海英,顧超,徐芳,崔百明,黃先忠
(石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石河子832003)
鹽脅迫是自然界中主要的非生物脅迫之一,土壤中高濃度的Na+對(duì)許多高等植物都造成很大的傷害,嚴(yán)重影響著植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。據(jù)聯(lián)合國(guó)科教文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì),全世界鹽堿地面積約有9.5438億hm2,占所有陸地面積的7%。在15億hm2可耕地中800萬(wàn)hm2受到鹽的危害,約占所有可耕地面積的6%。其中,我國(guó)的鹽堿土地面積有9913萬(wàn)hm2,占世界鹽堿土壤的1/9[1]。更關(guān)鍵的是,由于化肥的大量使用和不合理的灌溉,鹽漬化程度正在加劇,嚴(yán)重威脅著人類(lèi)耐以生存的非常有限的土地資源。土壤中高濃度鹽是造成全世界許多農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)的重要原因之一。
高鹽環(huán)境是影響植物生長(zhǎng)和發(fā)育的主要環(huán)境因子之一。為了能夠適應(yīng)高鹽環(huán)境,植物在進(jìn)化過(guò)程中,演化出3種機(jī)制來(lái)阻止過(guò)多的Na+在胞液中的積累,包括:降低Na+的吸收、Na+的外排和Na+的區(qū)隔化,并控制其長(zhǎng)距離運(yùn)輸至地上部分[2-3]。目前Na+吸收過(guò)程還不十分清楚,但Na+的外排和區(qū)隔化是間接的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程,主要由Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)完成。Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與植物耐逆密切相關(guān),近年來(lái)受到廣泛關(guān)注,成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一,其利用質(zhì)膜 H+-ATPase或液泡膜 H+-ATPase及H+-PPase泵H+產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力把Na+排出細(xì)胞或?qū)⑵鋮^(qū)隔化入液泡中以消除Na+的毒害[4-6]。近年來(lái),人們對(duì)植物耐鹽的分子機(jī)制的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。但是,植物的耐鹽性是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,也存在很多的問(wèn)題需要進(jìn)一步闡明。所以,對(duì)植物耐鹽性的進(jìn)一步探索,還需從更多的鹽生植物著手,挖掘更多的耐鹽相關(guān)基因,才能真正從細(xì)胞、組織和整體水平上闡明植物鹽脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制,從而為植物的遺傳改良奠定基礎(chǔ)。
新疆小擬南芥(Arabidopsis thaliana)是新疆特殊生境下廣泛分布的植物之一。雖然和擬南芥(Arabidopsis thaliana)有很多相似之處,但二者生長(zhǎng)的環(huán)境有很大差異[7]。近年來(lái)對(duì)小擬南芥耐鹽生物學(xué)特性進(jìn)行初步的研究,發(fā)現(xiàn)小擬南芥適應(yīng)于新疆特殊環(huán)境,具有耐受高濃度NaCl脅迫的特性[8-9],通過(guò)同源克隆法先后從小擬南芥中克隆了一些耐逆基因[10-12]。本研究通過(guò)同源克隆的方法從小擬南芥克隆了1個(gè)液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因完整開(kāi)放閱讀框cDNA,并利用一系列生物信息學(xué)軟件分析該蛋白的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)域、跨膜特性、系統(tǒng)進(jìn)化等,構(gòu)建植物過(guò)量表達(dá)載體,以期為進(jìn)一步研究該基因的功能打下基礎(chǔ)。
1.1.1 植物材料
小擬南芥(Arabidopsis pumila)和擬南芥Col-0(Arabidopsis thaliana)種子為本實(shí)驗(yàn)室保存。種子發(fā)芽培養(yǎng)基為1/2MS固體培養(yǎng)基。其成分:1%葡萄糖(Glucose),2.2g/L MS鹽(Murashige &SkooG MEDIUM)(Duchefa Biochemie,Netherland),0.05%2-嗎啉乙磺酸(MES)(Amresco,A-merica),0.8%瓊脂粉(Agar),pH 5.8。
1.1.2 菌株和質(zhì)粒
大腸桿菌DH5α、根癌農(nóng)桿菌GV3101、植物過(guò)量表達(dá)載體pCAMBIA2300-35S為本實(shí)驗(yàn)室保存。
1.2.1 小擬南芥的培養(yǎng)
在超凈臺(tái)上先用70%的酒精洗滌種子1min,然后用20%Bleach滅菌處理10min。用無(wú)菌水洗4~5次,每次充分振蕩混勻。將小擬南芥種子在4°C下處理3-4d。均勻地將種子播撒在1/2MS平板上,放置于16h光照和8h黑暗的光照培養(yǎng)箱中,培養(yǎng)1周后,于2~3片真葉期,移栽到含有蛭石和營(yíng)養(yǎng)土(1∶1)的盆缽中,之后放置到同樣16h光照和8h黑暗的光照培養(yǎng)間里培養(yǎng)。將幼苗移栽至土里生長(zhǎng)1周后,以200mmol/L的NaCl于早晨10:00從根部澆灌進(jìn)行脅迫處理12h,每4h澆灌1次,晚上22:00收集材料,將收獲的葉片迅速置于液氮中冷凍,-80℃冰箱保存以備用。
1.2.2 RNA的提取和cDNA的合成
總RNA的提取采用TIANGEN公司的RNA prep pure Plant Kit試劑盒(離心柱型),參照說(shuō)明書(shū)提取。cDNA模板第一鏈的制備,根據(jù)Promega公司M-MLV Reverse Transcriptase合成。
1.2.3 引物的設(shè)計(jì)及合成
為了擴(kuò)增小擬南芥液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因NHX1,根據(jù)植物中已經(jīng)發(fā)表的基因序列,設(shè)計(jì) 引 物 ApNHX1F4:5′-ATGTTGGATTCTCTAGTGTCGAAAC-3′和 引 物 ApNHX1R4:5′-ATGTTGGATTCTCTAGTGTCGAAAC-3′用作PCR擴(kuò)增。
1.2.4 基因的克隆和序列分析
RT-PCR擴(kuò)增時(shí),以葉片的cDNA為模板,在50μL的反應(yīng)體系中加入上述cDNA模板2μL,5 μL 10×Ex Taq Buffer,dNTP 各0.2mmol/L,正反向引物各5nmol,1UEx Taq DNA聚合酶(TaKaRa),ddH2O補(bǔ)齊。PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?4℃,2min,后94℃45s,56℃45s,72℃2min,35個(gè)循環(huán)后72℃延伸10min。PCR產(chǎn)物在1%的瓊脂糖凝膠上檢測(cè),割下目的條帶,利用凝膠回收試劑盒(promega)純化后,將回收產(chǎn)物連接到載體pMD18-T上(TaKaRa)。將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)細(xì)胞,在涂有IPTG/X-gal及氨芐抗生素的LB平板上通過(guò)藍(lán)白斑篩選,挑取陽(yáng)性克隆于LB培養(yǎng)基中過(guò)夜搖菌,小量提取質(zhì)粒經(jīng)酶切鑒定,將鑒定正確的質(zhì)粒交由北京華大基因公司測(cè)序,構(gòu)建成pMD18-T::ApNHX1。
1.2.5 序列分析和進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建
測(cè)序結(jié)果利用DNAstar軟件分析載體及引物序列,在 NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)中下載相關(guān)的NHX1蛋白序列,利用 MEGA 4.1(molecular evolutionary genetics analysis,version 4.1)軟件進(jìn)行所有已知NHX1蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化分析,蛋白序列比對(duì)利用Clustal W程序進(jìn)行,進(jìn)化樹(shù)利用Neighbor-Joining方法構(gòu)建,其中進(jìn)行1000次Bootstrap分析,以使得分枝的結(jié)果更可靠[13]。
蛋白的結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)利用GenBank上的blastp軟件 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blasp);蛋白理化性質(zhì)預(yù)測(cè)用 ProtParam (http://www.expasy.ch/tools/protparam.html)分析;蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu) 預(yù) 測(cè) 用 SOPMA (http://npsa-pbil.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma.html)軟件;蛋白氨基酸序列的疏水性/親水性 分 析 用 ProtScale(http://expasy.org/tools/protscale.html)分析。
1.2.6 過(guò)量表達(dá)載體的構(gòu)建
測(cè)序正確的質(zhì)粒pMD18-T::ApNHX1,用BamHⅠ和XbaⅠ酶切回收目的片段,同時(shí)用同樣的雙酶切pCAMBIA2300-CaMV35S-OCS載體回收質(zhì)粒大片段,經(jīng)T4連接酶(TaKaRa)連接后,將連接產(chǎn)物p35S::ApNHX1經(jīng)熱激法轉(zhuǎn)化DH 5α感受態(tài)細(xì)胞,挑取克隆進(jìn)行菌落PCR鑒定,提取質(zhì)粒,進(jìn)行酶切鑒定。
鑒定正確的質(zhì)粒,用熱激轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101菌株,挑取單克隆進(jìn)行PCR鑒定,鑒定正確的單克隆保存菌液。
新疆小擬南芥的種子采自于石河子周邊,發(fā)現(xiàn)其生活的環(huán)境與擬南芥不盡相同。
在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了萌發(fā)實(shí)驗(yàn),首先將擬南芥和小擬南芥的種子播種在1/2MS培養(yǎng)基上分別萌發(fā),生長(zhǎng)1周后將幼苗轉(zhuǎn)入含200mmol/L NaCl的1/2MS培養(yǎng)基上中培養(yǎng)3d后,發(fā)現(xiàn)擬南芥已經(jīng)全部白化死亡,而小擬南芥依然正常生長(zhǎng)(圖1),這說(shuō)明小擬南芥具有一定的耐鹽能力,將此時(shí)的小擬南芥的幼苗收集起來(lái),經(jīng)液氮研磨,提取總RNA,反轉(zhuǎn)錄成cDNA,作為RT-PCR反應(yīng)的模板。
圖1 200mmol/L NaCl對(duì)擬南芥和小擬南芥幼苗生長(zhǎng)的影響Fig.1Comparison of shoot growth of Arabidopsis thaliana and Arabidopsis pumila on 200mmol/L NaCl
利用引物組合ApNHX1F4和ApNHX1R4,擴(kuò)增出了約1.6kb的產(chǎn)物(圖2A),將此PCR產(chǎn)物回收純化后連接到pMD18-T載體上,轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,挑取單克隆提取質(zhì)粒經(jīng)雙酶切鑒定(圖2B),獲得陽(yáng)性克隆pMD18-T::ApNHX1。
挑選其中3號(hào)克隆測(cè)序,測(cè)序結(jié)果經(jīng)DNAstar軟件分析,發(fā)現(xiàn)該序列包含全部的編碼區(qū)序列,全長(zhǎng)1617bp,推測(cè)編碼538個(gè)氨基酸的多肽,將該基因命名為ApNHX1(GenBanK 登錄號(hào):JF357965)。同擬南芥的AtNHX1蛋白氨基酸比對(duì)分析表明相似性可達(dá)99%,二者只有2個(gè)氨基酸的不同(圖3)。
在ApNHX1中105位是半胱氨酸C(Cysterine),而 AtNHX1是精氨酸 R (Arginine),ApNHX1的130位的甘氨酸A(Alanine),而AtNHX1為蘇氨酸T(Threonine)。這2個(gè)氨基酸主要在第4的跨膜區(qū) TM4。與 AtNHX1、AtNHX2、AlNHX1、ThNHX1、BnNHX1、LeNHX1、GhNHX1、HvNHX2、OsNHX1、TaNHX1蛋白相同位置氨基酸的比較結(jié)果(圖3),表明105位的C是小擬南芥特有的,130的A在11個(gè)蛋白中也不盡相同,暗示著這2個(gè)氨基酸可能起著重要的作用。由比對(duì)結(jié)果來(lái)看,在該跨膜區(qū)段11個(gè)NHX1蛋白的氨基酸具有很高的相似性。并且LFFIYLLPPI序列是高度保守的,這一區(qū)段被認(rèn)為是Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性阻遏物氨氯吡嗪脒(amiloride)的結(jié)合位點(diǎn)[2,6]。
圖2 新疆小擬南芥ApNHX1基因的擴(kuò)增與酶切鑒定Fig.2PCR amplification of ApNHX1 (A)and identification of pMD18-T::ApNHX1by restriction enzyme cut(B)
圖3 11個(gè)ApNHX1基因蛋白序列的保守區(qū)比對(duì)分析Fig.3Alignment of conserved domain of ApNHX1 proteins from 11different plant species
在NCBI上對(duì)ApNHX1蛋白保守域分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)和擬南芥的有明顯不同(圖4),缺少了擬南芥的kefB保守域[14],該結(jié)構(gòu)域是K+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。b_cpa1、NhaP和a_cap1結(jié)構(gòu)域是無(wú)機(jī)離子逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的保守結(jié)構(gòu)域;Na_H_Exchanger是Na+/H+交換體家族;COG3263是NhaP的一種類(lèi)型;PRK05326是K+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
圖4 新疆小擬南芥ApNHX1蛋白的結(jié)構(gòu)域Fig.4Conserved domain of ApNHX1protein
用ProtParam分析軟件對(duì)ApNHX1編碼蛋白的理化性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。推測(cè)該蛋白的分子式為C2734H4243N677O752S25,分子量是59430.3Da,等電點(diǎn)PI 6.56。理論推導(dǎo)其半衰期分別為:30h(體外,哺乳動(dòng)物的網(wǎng)織紅細(xì)胞內(nèi));大于20h(體內(nèi),酵母細(xì)胞內(nèi));大于10h(體內(nèi),大腸桿菌)。不穩(wěn)定參數(shù)是32.7,屬于穩(wěn)定蛋白。
通過(guò)SOPMA預(yù)測(cè)ApNHX1蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)(圖未列出),表明該蛋白的氨基酸序列中,共有α-螺旋(Alpha helix)259處,占二級(jí)結(jié)構(gòu)的48.14%,延伸鏈(Extended strand)866處,占總二級(jí)結(jié)構(gòu)的15.99%,β-轉(zhuǎn)角(Beta turn)22 處,占二級(jí)結(jié)構(gòu)的4.09%;無(wú)規(guī)卷曲(Random coil)81處,占二級(jí)結(jié)構(gòu)的31.78%。
用ProtScale預(yù)測(cè)ApNHX1蛋白氨基酸序列的疏水性/親水性的結(jié)果表明,多肽鏈第372位的絲氨酸S(Serine)具有最低的分值-2.444,第31位的半胱氨酸C(Cysteine)具有最高的分值3.233(圖5)。依據(jù)氨基酸分值越低親水性越強(qiáng)和分值越高疏水性越強(qiáng)的規(guī)律,可以看出,在第372位的Ser親水性最強(qiáng),第31位的Cys疏水性最強(qiáng),而就整體來(lái)看,疏水性氨基酸均勻分布在整個(gè)肽鏈中,且多于親水性氨基酸。因此,整個(gè)多肽鏈表現(xiàn)為疏水性,沒(méi)有明顯的親水區(qū)域,可認(rèn)為小擬南芥Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是疏水性蛋白,這說(shuō)明該逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白符合跨膜蛋白的特征。
圖5 小擬南芥Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ApNHX1的疏水性/親水性預(yù)測(cè)Fig.5Predicted hydrophobicity/hydrophilic for Na+/H+antiporter from Arabidopsis pumila
高等植物的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因最早是從擬南芥中克隆的[15],后來(lái)陸續(xù)在至少在50種以上的植物中分離到了該同源基因。比較這些基因編碼的氨基酸序列,相似性很高,最高可達(dá)90%以上。利用Mega4.1構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)(圖6),系統(tǒng)進(jìn)化分析表明植物的NHX1同源基因遺傳分化較為緊密,按照單子葉和雙子葉分別進(jìn)化。并且鹽生植物的NHX1基因聚在一個(gè)分支,禾本科的NHX1基因親緣關(guān)系較近。小擬南芥和擬南芥、琴葉鼠爾芥、鹽芥、油菜等植物的NHX1遺傳距離最近,屬于一類(lèi)(classⅠ)液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因。
圖6 植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NHX1系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析Fig.6Phylogenetic tree of Na+/H+antiporter protein from different plants
為了構(gòu)建過(guò)量表達(dá)載體,又設(shè)計(jì)了兩端分別帶有BamHⅠ和XbaⅠ雙酶切位點(diǎn)的引物ApNHX1F5:5′-CGGGATCCATGTTGGATTCTCTA GTGTCGAAAC-3′和 ApNHX1R5:5′-GCTCTAG ATCAAGCCTTACTAAGATCAGGAGGG-3′。以測(cè)序正確的pMD18-T::ApNHX1質(zhì)粒為模板,再次擴(kuò)增ApNHX1基因,克隆鑒定的方法同上。測(cè)序驗(yàn)證正確后,將該質(zhì)粒經(jīng)BamHⅠ和XbaⅠ酶切回收1613bp目的片段。同時(shí)將質(zhì)粒pCAMBIA2300-CaMV35S-OCS用BamHⅠ和XbaⅠ酶切,回收質(zhì)粒大片段。將1613bp的基因片段和質(zhì)粒大片段經(jīng)T4連接酶連接。連接產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化方法同上。轉(zhuǎn)化后的質(zhì)粒用BamHⅠ和XbaⅠ進(jìn)行酶切鑒定,酶切產(chǎn)物和pMD18-T::ApNHX1質(zhì)粒酶切大小一致,均在接近2Kb處有一目的條帶,表明插入片段連接到目的載體上了(圖7A),這樣構(gòu)建了植物過(guò)量表達(dá)載體:p35S::ApNHX1。最終載體p35S::ApNHX1含有煙草花葉病毒CaMV35S啟動(dòng)子,章魚(yú)堿合成酶基因OCS作為終止子,及植物篩選標(biāo)記新霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因NPTⅡ(圖7B)。
將質(zhì)粒p35S::ApNHX1經(jīng)熱激轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌感受態(tài)細(xì)胞GV3101,轉(zhuǎn)化產(chǎn)物均勻的涂布在含有卡那(50mg/L)/利福平(25mg/L)抗性的 LB固體平板上涂勻,經(jīng)28℃溫育48h,挑取單克隆,利用引物ApNHX1F4和ApNHX1R4進(jìn)行PCR檢測(cè),擴(kuò)增產(chǎn)物與ApNHX1基因產(chǎn)物大小一致(圖7B)。結(jié)果表明植物過(guò)量表達(dá)載體p35S::ApNHX1已經(jīng)轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌GV3101中了。
圖7 植物過(guò)量表達(dá)載體p35S::ApNHX1的構(gòu)建Fig.7Construction of over-expression vector of p35S::ApNHX1
在鹽脅迫下,植物細(xì)胞的離子均衡受到破壞,植物細(xì)胞為避免離子毒害,通過(guò)限制Na+吸收、將Na+外排或區(qū)隔化Na+進(jìn)入液泡來(lái)維持離子均衡。目前,學(xué)者們一致認(rèn)為植物液泡Na+區(qū)隔化主要依賴于植物液泡膜上Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性,該蛋白的活性在維持細(xì)胞內(nèi)的離子均衡方面起到關(guān)鍵作 用[2-3,15]。 擬 南 芥 的 AtNHX1 蛋 白 是 跨 膜 蛋白,具有12個(gè)推測(cè)的跨膜區(qū)域,AtNHX1的N末端朝向細(xì)胞質(zhì),但幾乎整個(gè)C端都位于液泡腔中。N端很保守,對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)活性非常重要,而C端變化很大,可能起調(diào)節(jié)作用[14-15]。
通過(guò)同源克隆的方法,從新疆小擬南芥中克隆得到了1個(gè)Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因ApNHX1,比對(duì)分析和進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建表明與擬南芥液泡膜上的AtNHX1相似性最高、親緣關(guān)系最近,同屬classⅠ類(lèi)的液泡型的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。而生物信息學(xué)分析的結(jié)果表明在氨基酸的理化性質(zhì)、蛋白質(zhì)的保守結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)等很多方面與At-NHX1還是有著明顯的不同。在ApNHX1蛋白的TM4跨膜區(qū)有2個(gè)關(guān)鍵的氨基酸,105位的半胱氨酸C和130位的甘氨酸A,在AtNHX1分別是精氨酸R和蘇氨酸T。本研究結(jié)果也表明小擬南芥和擬南芥的基因組有很高的相似性,但比擬南芥具有更高的耐鹽性,是不是2個(gè)氨基酸的突變影響蛋白的功能,還需進(jìn)一步研究。
為了進(jìn)一步研究該基因的功能,構(gòu)建了植物過(guò)量表達(dá)載體p35S::ApNHX1,并且通過(guò)PCR檢測(cè)已將該載體轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101中,目前正在進(jìn)行擬南芥和小擬南芥的遺傳轉(zhuǎn)化研究。下一步研究將分析不同組織及不同脅迫情況的基因表達(dá)情況,以及研究亞細(xì)胞定位。我們的研究將進(jìn)一步解析植物NHX1基因家族如何行使功能的,豐富植物耐鹽信號(hào)傳導(dǎo)的分子機(jī)制。
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