侯維海+王建林+旦巴+胡單
摘要:依據(jù)已公布的蕎麥轉(zhuǎn)錄組測(cè)序信息,從Contig文庫(kù)中獲得了1個(gè)碳酸酐酶(carbonic anhydrase,簡(jiǎn)稱CA)轉(zhuǎn)錄本,通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄PCR(RT-PCR)擴(kuò)增得到CA基因全長(zhǎng)序列。生物信息學(xué)分析表明,基因全長(zhǎng)1 233 bp,開(kāi)放閱讀框978 bp,編碼325個(gè)氨基酸;分子量35.11 ku,等電點(diǎn)7.59;包含9個(gè)α-螺旋、6個(gè)β-折疊、多個(gè)無(wú)規(guī)則卷曲和延伸鏈;含有1個(gè)信號(hào)肽和1個(gè)跨膜區(qū);具有β-類碳酸酐酶典型的2個(gè)氨基酸保守域。亞細(xì)胞定位顯示,該蛋白出現(xiàn)在葉綠體中的可能性最大。利用同源建模法構(gòu)建了FsCA1三維結(jié)構(gòu)模型,表明甜蕎CA與豌豆CA同型八聚體能很好地匹配,推測(cè)甜蕎CA也是同型八聚體。用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)在蕎麥不同器官中的表達(dá)水平,結(jié)果顯示,[WTBX][STBX]FsCA1[WTBZ][STBZ] 在葉中表達(dá)水平最高,其次是在莖中,在根中表達(dá)水平最低。
關(guān)鍵詞:西藏甜蕎;碳酸酐酶;基因;三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè);生物信息學(xué)
中圖分類號(hào): S188文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2017)10-0020-04[HS)][HT9.SS]
碳酸酐酶(carbonic anhydrase,簡(jiǎn)稱CA,EC4.2.1.1)是一類含鋅的金屬酶,廣泛存在于動(dòng)物、植物等有機(jī)體的組織和器官中[1]。植物中CAs至少包括5個(gè)基因家族(α、β、γ、δ和ε),主要分布在綠色組織中,可逆地催化CO2的水合反應(yīng),產(chǎn)生HCO-3和H+,參與植物光合CO2的固定、CO2轉(zhuǎn)運(yùn)、呼吸作用、離子交換等生理過(guò)程[2-3]。CA能加快CO2在細(xì)胞內(nèi)的水合速度,有助于CO2運(yùn)輸?shù)交钴S的光合細(xì)胞中,從而提高光合速率;同時(shí),CA活性隨著葉綠素含量、鋅含量增加而增強(qiáng),具有明顯提高光合作用的能力,在一定程度上CA活性與光合作用呈正相關(guān)[4-6]。近年來(lái),前人對(duì)植物CA的研究主要涉及生理生化作用和酶學(xué)特性,而對(duì)編碼該酶基因的組成、結(jié)構(gòu)和功能等尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí);現(xiàn)有研究?jī)H限于少數(shù)幾種植物,如擬南芥(Arabidopsis thaliana)[4,7]、黃頂菊(Flaveria)[8]、玉米(Zea mays)[2]、龍眼(Dimocarpus longan Lour)[9]等,尚未見(jiàn)關(guān)于蕎麥CA基因克隆和表達(dá)分析的報(bào)道。在高等植物中CA主要有3類,即α-CA、β-CA和γ-CA,各種類型之間氨基酸序列保守性較低,同時(shí)每個(gè)亞基因家族又包含多個(gè)成員,其成員亞細(xì)胞定位有較大差異。例如,擬南芥β-CA基因家族有6個(gè)成員([WTBX][STBX]β-CA1~β-CA6),其中β-CA1、β-CA5定位于葉綠體中,β-CA2、β-CA3、β-CA4定位于細(xì)胞質(zhì)中,β-CA6[WTBZ][STBZ]定位于線粒體中[4-5,10-11];在黃頂菊屬(Flaveria)中,C3類F. pringlei、C4類F. bidentis的葉片中均分離到3個(gè)不同的[WTBX][STBX]β-CA單體(βCA1~βCA3[WTBZ][STBZ]),這些成員基因之間的序列相似性或保守性超過(guò)90%。CA基因的功能驗(yàn)證在模式植物擬南芥上已取得進(jìn)展,以β-CA基因家族的研究較為深入。有研究發(fā)現(xiàn),[WTBX][STBX]Atβ-CA1[WTBZ][STBZ]編碼蛋白可發(fā)生巰基亞硝酸化,降低與水楊酸結(jié)合的能力,進(jìn)而影響CA活性,其表達(dá)豐度與擬南芥幼苗存活率相關(guān)[12-13];同時(shí)Atβ-CA1、Atβ-CA4參與調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞氣孔運(yùn)動(dòng),是保衛(wèi)細(xì)胞氣孔運(yùn)動(dòng)的上游調(diào)節(jié)因子[14]。但是,關(guān)于其他β-CA的功能目前還不清楚[10]??傮w而言,在C3植物中,β-CA主要分布在葉綠體葉肉細(xì)胞的基質(zhì)中[7],可能參與協(xié)助CO2從葉綠體被膜擴(kuò)散或者催化HCO-3快速脫水形成CO2;質(zhì)粒中也存在β-CA,可能與氣孔的關(guān)閉、脂類合成和抗病性有關(guān)[12,15-17]。
甜蕎屬蓼科(Polygonaceae)蕎麥屬(Fagopyrum),是一種重要的雜糧兼藥用植物。隨著市場(chǎng)上對(duì)蕎麥需求量的增加,蕎麥育種研究顯得愈發(fā)重要。蕎麥起源于西藏地區(qū),該區(qū)是世界蕎麥的起源中心之一[18],屬于低緯度高海拔農(nóng)業(yè)區(qū),具有全球最典型的立體生境,其地質(zhì)獨(dú)特,地形地貌復(fù)雜,土壤種類繁多,生態(tài)環(huán)境千差萬(wàn)別,產(chǎn)生了豐富的蕎麥變異類型,具有區(qū)域獨(dú)特的蕎麥種質(zhì)。本研究擬以西藏林芝市郊區(qū)野生甜蕎為材料,根據(jù)已公布的甜蕎轉(zhuǎn)錄組Contig文庫(kù)中篩選出的碳酸酐酶轉(zhuǎn)錄本信息,設(shè)計(jì)CA基因的特異引物,通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄PCR(RT-PCR)獲得蕎麥CA基因全長(zhǎng)序列,并進(jìn)行生物學(xué)信息分析,初步明確蕎麥CA基因的結(jié)構(gòu)和表達(dá)特點(diǎn),為蕎麥抗逆品種的選育提供依據(jù)。
1材料與方法
1.1材料及其總RNA提取
甜蕎種子于2013年10月在西藏林芝市章麥村(地理位置29°50′N、93°25′E,海拔3 000 m)野外收集,次年4月初,將收集的野生甜蕎種子散播種植于西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院試驗(yàn)田內(nèi),除人工除草、澆水外,均在自然條件下生長(zhǎng)。在蕎麥5葉期,選取5株健壯植株的幼嫩葉片,作為提取RNA的試驗(yàn)材料。選取材料均設(shè)3次重復(fù),用清水沖洗5~8次,然后再用吸水紙輕輕吸去水分,立刻置于液氮中速凍,-80 ℃保存?zhèn)溆?。[JP]
取新鮮幼葉3.0 g,在液氮保護(hù)中快速研磨成粉末狀,然后按照TRIzol試劑盒(北京康為世紀(jì)生物科技有限公司)說(shuō)明書介紹的方法提取總RNA,用DNaseⅠ去除RNA中的痕量DNA。用1%瓊脂糖凝膠檢測(cè)總RNA的完整性,紫外分光光度計(jì)分析其濃度、純度。
1.2基因全長(zhǎng)序列的克隆
測(cè)序結(jié)果經(jīng)NCBI網(wǎng)站(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)進(jìn)行BLAST比對(duì)和開(kāi)放閱讀框(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)分析,用DNAMAN軟件進(jìn)行同源核苷酸和氨基酸序列多重比對(duì)分析,確定克隆序列為[WTBX][STBX]β-CA1[WTBZ][STBZ]。利用在線工具ExPASy Proteomics Server(http://www.expasy.org)預(yù)測(cè)編碼蛋白質(zhì)的理化性質(zhì),用Psipred Server、SWISS-MODEL (http://swissmodel.expasy.org)分別對(duì)編碼蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)和三級(jí)結(jié)構(gòu)建模。用Scan Prosite(http://prosite.expasy.org/scanprosite)在線工具預(yù)測(cè)FsCA1編碼蛋白的motif保守序列,并用Signal P4.0 (http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP)預(yù)測(cè)蛋白定位信號(hào)。用WOLF PSORT (http://wolfpsort.org)對(duì)FsCA1進(jìn)行亞細(xì)胞定位,用TMHMM Server v. 2.0軟件(http://www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html)預(yù)測(cè)跨膜區(qū)。用Clustalx、MEGA5.1[JP]構(gòu)建鄰接(Neighbor-Joining)系統(tǒng)發(fā)生樹。
1.4蕎麥不同器官中實(shí)時(shí)定量PCR分析
在蕎麥開(kāi)花期,選取葉片、主莖和主根作為試驗(yàn)材料,按照“1.2”節(jié)的cDNA第1鏈合成法分別獲得葉片、主莖和主根cDNA第1鏈,將3種器官的cDNA溶液按倍比稀釋成相同濃度,再按SYBR premix Ex TaqⅡ試劑盒說(shuō)明書操作方法,在CFX-96 PCR儀(Bio-Rad)上進(jìn)行qRT-RCR反應(yīng),每個(gè)樣品至少重復(fù)3次。反應(yīng)體系20 μL,含10 μL 2×PrimeScript buffer,各1 μL 10 μmol上、下游引物,10 ng cDNA模板。PCR反應(yīng)程序:94 ℃ 30 s;94 ℃ 15 s,退火溫度56~95 ℃,每個(gè)循環(huán)增加0.5 ℃,持續(xù)20 s,72 ℃延伸15 s,40個(gè)循環(huán)。延伸階段搜集信號(hào),持續(xù)0.05 s獲得解鏈溫度,采集熔解曲線熒光信號(hào)。程序運(yùn)行結(jié)束后,系統(tǒng)自帶的CFX管理軟件根據(jù)設(shè)定的參數(shù)給出結(jié)果。qRT-RCR擴(kuò)增片段長(zhǎng)度均為150 bp。以三磷酸甘油醛脫氫酶基因(GAPDH)為內(nèi)參基因(表1),以葉片中的表達(dá)量為對(duì)照。
2結(jié)果與分析
[HTK]2.1全長(zhǎng)基因的獲得[HT]
測(cè)序結(jié)果表明,目的基因長(zhǎng)1 233 bp,是正確的CA基因序列。ORF finder預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),該序列具有完整的開(kāi)放閱讀框(ORF),長(zhǎng)度為978 bp,編碼325個(gè)氨基酸殘基,詳見(jiàn)圖1。
2.2編碼蛋白的理化性質(zhì)和高級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
預(yù)測(cè)FsCA1的分子式為C1 574H2 484N412O470S13,分子量 35.11 ku;正電殘基(Arg+Lys)、負(fù)電殘基(Asp+Glu)分別為34、33個(gè),等電點(diǎn)7.59;不穩(wěn)定指數(shù)為50.78,表明該蛋白不穩(wěn)定;脂肪系數(shù)89.75;親水性系數(shù)0.023。
預(yù)測(cè)FsCA1蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要有4種類型,由9個(gè)α-螺旋、6個(gè)β-折疊、多個(gè)延伸鏈和無(wú)規(guī)則卷曲組成。利用SWISS MODEL蛋白質(zhì)在線建模工具Alignment Model,以蕎麥FsCA1為目標(biāo)序列,以同源性高達(dá)82.38%的豌豆CA蛋白三維結(jié)構(gòu)(POB:1ekj.1.B)為模板進(jìn)行同源建模,建模殘基范圍116~325個(gè),目標(biāo)序列和模板蛋白序列相似性達(dá)到56%。豌豆CA蛋白為同型八聚體,而FsCA1蛋白三維結(jié)構(gòu)具有豐富的α-螺旋、無(wú)規(guī)則卷曲,因此推測(cè)本研究獲得的編碼產(chǎn)物也是同型八聚體(圖2)。
編碼蛋白信號(hào)肽、亞細(xì)胞定位和跨膜區(qū)的預(yù)測(cè)
Signal P4.0軟件預(yù)測(cè)表明,F(xiàn)sAC1的第1~25位氨基酸殘基間有1個(gè)信號(hào)肽。用WoLF PSORT預(yù)測(cè)表明,該蛋白在葉綠體的定位系數(shù)為12.0(chlo:12),在線粒體的定位系數(shù)為2.0 (mito:2.0),在其他細(xì)胞器官中無(wú)分布。據(jù)此判斷,[WTBX][STBX]FsAC1[WTBZ][STBZ]編碼蛋白最有可能在葉綠體、線粒體內(nèi)發(fā)揮作用,或附著在這些細(xì)胞器上共同完成。HMMTOP分析結(jié)果顯示,第192~214位氨基酸之間有23個(gè)氨基酸形成的跨膜區(qū)。
編碼蛋白的motif分析
β-碳酸酐酶具有2個(gè)典型的保守區(qū),保守區(qū)H1:C-[SA]-D-S-R-[LIVM]-x-[AP],保守序列L2[EQ]-[JP3][YF]-A-[LIVM]-x(2)-[LIVM]-x(4)-[LIVMF](3)-x-G-H-x(2)-C-G。FsAC1序列完全與此符合,其中保守區(qū)H(第156~163位)的保守序列為CSDSRVcP,保守區(qū)F(第200~220位)的保守序列為EYAVlhLkvsnIVViGHsaCG。[JP]
2.5不同物種[WTBX][STBX]AC1[WTBZ][STBZ]基因及其編碼蛋白的序列同源比對(duì)
以[WTBX][STBX]FsAC1[WTBZ][STBZ]基因序列為探針,通過(guò)BLASTn同源對(duì)比,發(fā)現(xiàn)9條與[WTBX][STBX]FsAC1[WTBZ][STBZ]基因相似度較高的序列,分別為大豆(Glycine max)GmCA(XM_003553786.1)、擬南芥(Arabidopsis thaliana)[WTBX][STBX]AtCA1[WTBZ][STBZ](NM_111016.3)、豇豆(Vigna unguiculata)VuCA(JQ429799)、黃百合(Flaveria brownii)FbCA(FBU08402)、綠豆([WTBX][STBX]Vigna radiata)VrCA1[WTBZ][STBZ](AF139464.2)、豌豆(Pisum sativum)PsCA(M63627.1)、線葉黃頂菊(Flaveria linearis)FICA1[JP3](FLU19738)、甘藍(lán)(Brassica oleracea)BoCA1(XM_003553786.1)、[JP]甘藍(lán)型油菜(Brassica napus)BnCA(GQ36780)、鷹嘴豆(Cicer atietinum)CaCA(XM_004489219.1)、煙草(Nicotiana tabacum)NtCA(AF4479.2)、蓖麻(Ricinus communis)RcCA(XM_002524596.1)、亞洲棉(Gossypium arboreum)GaCA(KHG255181)、亞麻薺(Camelina sativa)CaCA1(XP_010496563)、日中花([WTBX][STBX]Mesembryanthemum nodiflorum)MnCA1[WTBZ][STBZ](JN228098.1)、川桑(Morus notabilis)MnCA(XM_010110474)、龍眼(Dimocarpus longan)DlCA(JN033201)、歐洲與美洲山楊雜種(Populus tremula×Populus tremuloides)PtCA(PTU838)、胡楊(Populus euphratica)PeCA2(XM_011049011)、富貴草(Pachysandra terminalis)PtCA(DQ781308.1)、銀合歡(Leucaena leucocephala)LICA(KC92476.1)、菠菜(Spinacia)SpCA(J05403.1)和葡萄([WTBX][STBX]Vitis vinifera)VvCA1[WTBZ][STBZ](XM_002277921.3)。利用ClustalX、MEGA5.1軟件,構(gòu)建[WTBX][STBX]FsCA1和其他物種CA1[WTBZ][STBZ]編碼蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化樹,可見(jiàn)5種豆科植物CA1蛋白序列相似度較高,明顯聚為一類,除莧科藜亞科的菠菜、番杏科的日中花[WTBX][STBX]AC1[WTBZ][STBZ]序列有一定相似度外,其他物種均單獨(dú)成類(圖3)。[FL)]
3討論
碳酸酐酶(CA)普遍存在于綠色植物中,但物種間CA活
性差別很大。本試驗(yàn)對(duì)蕎麥CA基因進(jìn)行全長(zhǎng)克隆和序列分析,通過(guò)生物信息學(xué)分析、多物種同源序列比對(duì),初步明確了[WTBX][STBX]FsAC1[WTBZ][STBZ]基因編碼蛋白的基本特性、高級(jí)結(jié)構(gòu)。亞細(xì)胞定位和跨膜區(qū)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),F(xiàn)sCA1主要定位于葉綠體中,少量分布于線粒體中;組織特異性表達(dá)分析印證了上述結(jié)果,表明β-CA主要分布在葉綠體葉肉細(xì)胞的基質(zhì)中[16]。在蕎麥綠色組織中的表達(dá)豐度顯著高于在非綠色組織中,暗示FsCA1可能與光合作用有關(guān)。編碼蛋白motif預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)2個(gè)保守序列,具有β-CA典型結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)一步證明編碼蛋白是β-CA,似乎也支持FsCA1可能在光合作用中發(fā)揮功能的推測(cè)。這些結(jié)果為深入研究[WTBX][STBX]FsAC1[WTBZ][STBZ]基因奠定了基礎(chǔ)。
不同物種[WTBX][STBX]AC1[WTBZ][STBZ]基因序列比對(duì)結(jié)果顯示,蕎麥與菠菜的同源性(64%)略高于豌豆(61%),遠(yuǎn)高于日中花(58%)。有趣的是,根據(jù)蛋白序列比對(duì)生成的進(jìn)化樹卻顯示,蕎麥FsAC1卻與MnCA關(guān)系最近,其次是菠菜,而與豌豆的進(jìn)化距離較遠(yuǎn)。分析蛋白序列發(fā)現(xiàn),蕎麥與日中花存在1段完全相同的序列(FMVFACSDSRVCPSHVLDFQPGEAFVVRNIANMVP),與菠菜的片段僅差異1個(gè)氨基酸(CEKEAVNVSLGHLLTYPFVRDGLVKKTLALKGGYYDFI),而與豌豆在2段蛋白片段上都有差異,分別相差1、2個(gè)氨基酸。這種同源基因保守序列上的差異可能反映物種的親緣關(guān)系,也可能與蛋白官能團(tuán)有關(guān),但與預(yù)測(cè)的motif保守序列存在異議,還須進(jìn)一步論證。根據(jù)現(xiàn)有結(jié)果推測(cè),蕎麥CA可能由上述2個(gè)官能團(tuán)決定功能,F(xiàn)sCA1在功能上可能更接近MnCA。本研究建立[WTBX][STBX]FSCA1[WTBZ][STBZ]編碼蛋白的三維結(jié)構(gòu)時(shí),是以已知的同源豌豆CA(POB:1ekj.1.B)為模板的,這可能會(huì)帶來(lái)誤差,但是POB數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)存的模板數(shù)量有限,未發(fā)現(xiàn)與蕎麥CA功能最接近物種的模板,因此,F(xiàn)SCA1三維結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步完善。
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