劉東讓,侯喜林,張昌偉,肖 棟,*
(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所 農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實驗室,北京 100081;2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實驗室,南京 210095;3 江蘇現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心,南京 210095)
金屬硫蛋白(metallothionein,MT)是一種富含半胱氨酸短肽的低分子量蛋白,普遍大小為5~10×103Da[1]。1957年,金屬硫蛋白在馬腎皮質(zhì)中被發(fā)現(xiàn),植物MT最早是于1977年從大豆根中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)MT廣泛分布于動物、植物、真菌及細(xì)菌等幾乎所有生物體內(nèi)[2-6]。Fowler等[7]根據(jù)MT中Cys殘基的排列方式,將所有生物的MT分為3類(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類)。
植物中,根據(jù)半胱氨酸殘基數(shù)目和排列的不同可將MT歸為Ⅱ類[8-9]。根據(jù)Cobbett等[10]的分類,可將植物Ⅱ類MT進(jìn)一步分為4種類型:MT1(p1)、MT2(p2)、MT3(p3)與MT4(pec/Ec蛋白)。已有研究表明,植物MT2包含2個富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域,每個域包含1個高度保守的MSCCGGNCGCG結(jié)構(gòu)以及3個Cys-Xaa-Cys模塊,被大約40個的氨基酸殘基連接,多分布在地上部分[11]。據(jù)報道,MT與植物的生長發(fā)育、胚發(fā)育、果實成熟、衰老、抗逆反應(yīng)以及基因調(diào)控等過程有關(guān)[12]。目前多數(shù)研究認(rèn)為,MT的主要功能是與生物體內(nèi)的金屬離子相結(jié)合,從而起到運(yùn)輸、儲存金屬離子、維持細(xì)胞內(nèi)的氧化-還原平衡等作用,而且生物體內(nèi)的MT大多需經(jīng)過金屬離子、細(xì)胞分裂素、鹽、干旱等脅迫誘導(dǎo)才會表達(dá)[13]。植物激素脫落酸(ABA)作為重要的內(nèi)源信號物質(zhì),在誘導(dǎo)植物抗病反應(yīng)中發(fā)揮了重要作用[14]。因此,克隆MT基因并分析該基因的表達(dá)特征,對探討不結(jié)球白菜對逆境的響應(yīng)機(jī)理及抗逆分子育種具有重要價值。人們已從擬南芥(Arabidopsisthaliana)、水稻(OryzasativaL.)、甘藍(lán)型油菜(BrassicanapusL.)、芹菜(ApiumgraveolensL.)、平邑甜茶(Malushupehensis)等植物中克隆了編碼MT蛋白的基因或cDNA 序列[1,12,15-17]。但與對動物MT的研究相比,對植物MT的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足[18]。近年來,對植物MT基因在組織器官特異性、表達(dá)特征和基因組結(jié)構(gòu)等方面的研究得到一定發(fā)展[4]。盡管已從植物中克隆到許多編碼MT的基因,但對不結(jié)球白菜MT基因的研究報道很少。
不結(jié)球白菜(Brassicacampestris ssp.chinensis)是中國重要的綠葉蔬菜,由于世界范圍內(nèi)的廣泛引種,不結(jié)球白菜逐漸成為世界性蔬菜[19]。各類病害、外源ABA、鹽、干旱等生物和非生物脅迫常影響不結(jié)球白菜生長發(fā)育,導(dǎo)致其產(chǎn)量下降,品質(zhì)降低[14,20]。因此,本研究以cDNA-AFLP方法從不結(jié)球白菜中獲得的受霜霉病菌誘導(dǎo)的差異表達(dá)片段為基礎(chǔ)[21],利用RACE技術(shù)從不結(jié)球白菜抗病系‘蘇州青’中克隆了BcMT2基因,并進(jìn)行了氨基酸序列分析。同時通過qRT-PCR技術(shù)分析BcMT2基因在不同組織、生物脅迫(霜霉病菌)及非生物脅迫(鹽、干旱、ABA)處理條件下的表達(dá)模式,并通過原核表達(dá)對該基因的蛋白特征進(jìn)行鑒定。旨在深入研究MT基因在不結(jié)球白菜上的表達(dá)模式,進(jìn)而為選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的新品種提供重要的理論依據(jù)。
供試材料為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院白菜課題組提供的不結(jié)球白菜(Brassicacampestrisssp.chinensis)抗病品種‘蘇州青’和感病品種‘矮腳黃’。所有的種子先在1.0 g·L-1HgCl2里消毒20 min,再用蒸餾水沖洗10次。后將2個品種的種子分別播種于2個72孔穴盤的滅菌基質(zhì)中,后放置于人工氣候箱中培養(yǎng),每日22 ℃光照培養(yǎng)16 h,16 ℃暗培養(yǎng)8 h,相對濕度(85%±5%)。待催芽28 d(5~6片真葉)后,分別從2個品種中選出63株長勢良好的植株用于誘導(dǎo)處理。
1.2.1生物、非生物脅迫處理及取樣從感病的不結(jié)球白菜上分離霜霉病菌(P.parasitica),配成1×105mL-1孢子囊懸浮液,霜霉病病原菌接種液的制備參照陳曉峰[22]的方法。播種28 d后,分別用霜霉病接菌液、200 g·L-1PEG6000、400 mmol·L-1NaCl、50 μmol·L-1ABA及純水對選出的植株進(jìn)行處理,取樣時間點(diǎn)有5個,每個時間點(diǎn)3個重復(fù),即每個品種每個脅迫處理15株植株,純水處理需3個重復(fù),總計每個品種需63株樣本。處理后在人工氣候箱20 ℃黑暗中保濕24 h,然后揭掉遮光物,再在22 ℃光照培養(yǎng)16 h,16 ℃暗培養(yǎng)8 h,相對濕度(85%±5%)條件下培養(yǎng),直至采樣結(jié)束。組織特異性表達(dá)分析使用的材料分別取自2份未經(jīng)脅迫處理的不結(jié)球白菜植株苗期(播種后28 d)的根、莖、葉。脅迫處理表達(dá)分析,分別在處理后12、24、48、72和96 h進(jìn)行取樣。上述材料取樣后立即在液氮中冰凍,使用前保存在-70 ℃冰箱中。
1.2.2RNA提取和cDNA合成使用RNA Simple Total RNA Kit試劑盒(TaKaRa)提取樣品總RNA,具體方法參照說明書。用核酸儀對提取的總RNA濃度和純度進(jìn)行檢測。cDNA使用PrimeScriptTMⅡ 1st Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒(TaKaRa)反轉(zhuǎn)錄合成,作為基因克隆所需的模板。
1.2.3BcMT2全長cDNA克隆以霜霉病菌誘導(dǎo)后24 h的不結(jié)球白菜‘蘇州青’葉片為試材,使用3′/5′RACE System 試劑盒(Invitrogen)克隆基因全長cDNA序列。具體操作過程參考陳曉峰[22]的方法??寺cMT2基因的引物見表1,引物設(shè)計用在線軟件Primer 3(http://bioinfo.ut.ee/primer3-0.4.0/),引物由南京擎科公司合成。
1.2.4序列分析用Bioxm 2.7軟件分析BcMT2基因序列的開放閱讀框(open reading frame, ORF)。
表1 本研究用到的各種引物信息
注:F.正向引物;R.反向引物;UP.上游引物;Down.下游引物;下劃線為SacⅠ和BamH Ⅰ酶切位點(diǎn)序列;酶切位點(diǎn)之前堿基為保護(hù)堿基。
Note: F. Forward; R. Reverse; UP. Upstream primer; Down. Downstream primer; Underlined. Sequence ofSacⅠ andBamHⅠ. The front of the restriction site is protective bases
不同物種BcMT2基因的氨基酸序列從NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫中搜索獲得;同源性計算利用 NCBI網(wǎng)站Blast程序;氨基酸編碼的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量、理論等電點(diǎn)、不穩(wěn)定指數(shù)等通過在線軟件Protparam(https://web. expasy.org/Protparam/)完成;疏水性預(yù)測采用protscale(https: //web. expasy.org/protscale/);信號肽預(yù)測采用SignalP4.1(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/);跨膜區(qū)域預(yù)測采用TMHMM 2.0(http:// www. cbs.dtu.dk/services/TMHMM/);蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分析采用NCBI-Conserved Domain SearchInterpro;蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測采用Prabi(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/ NPSA/npsa_phd/)等在線工具;多重序列比對及進(jìn)化樹構(gòu)建通過DNAMAN 5.2進(jìn)行[23]。
1.2.5實時定量分析BcMT2轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平cDNA合成使用PrimeScriptTMRT試劑盒(TaKaRa)說明書完成。實時定量PCR使用SYBR PrimeScript RT-PCR Kit Ⅱ試劑盒(TaKaRa, Japan)完成,PCR反應(yīng)體系采用20 μL體系:MgCl2(25 mmol/L)2 μL,dNTP(2.5 mmol/L)2 μL,10×PCR Buffer 2 μL,rTaq酶0.2 μL,引物BcSGT1_RT_F和BcSGT1_RT_R各1 μL,cDNA模板1 μL,ddH2O補(bǔ)齊至20 μL。PCR程序采用兩步法:95 ℃ 30 s;94 ℃ 5 s,60 ℃ 15 s,72 ℃ 10 s,40個循環(huán);設(shè)置60 ℃到95 ℃的熔解曲線。3次重復(fù),用純水作為對照。試驗數(shù)據(jù)采用ΔΔCT方法[24]和Excel 2010軟件進(jìn)行分析,差異顯著性分析采用SPSS19.0軟件進(jìn)行。
1.2.6原核表達(dá)將克隆的BcMT2基因連接至pMD19-T載體,再轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)細(xì)胞,獲得重組質(zhì)粒pMD19-T-BcMT2。用SacⅠ和BamH Ⅰ雙酶切及菌液PCR鑒定后,含陽性重組質(zhì)粒的菌液送交南京擎科公司測序。把上述測序正確的重組質(zhì)粒作為模板,以上游引物BcMT2_Up和下游引物BcMT2_Down擴(kuò)增BcMT2基因編碼區(qū)(表1)。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳,割膠回收后用限制性內(nèi)切酶SacⅠ和BamH Ⅰ雙酶切,構(gòu)建重組表達(dá)質(zhì)粒pET29a-BcMT2,轉(zhuǎn)化大腸桿菌BL21(DE3)。挑取陽性菌落接種至5 mL LB液體培養(yǎng)基中(含200 μg·mL-1氨芐青霉素),37 ℃振蕩培養(yǎng)過夜,以此作為種子液。取種子液用終濃度為0.6和1.0 mmol·L-1的異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)誘導(dǎo)EscherichiacoliBL21 (DE3) 表達(dá)融合蛋白,設(shè)置取樣時間分別為2、4、6 h。取菌液3 mL,12 000 r·min-1離心30 s,棄上清液,用100 μL的1×SDS-PAGE加樣緩沖液重懸菌體,將上清液參照Tashakkori等[25]的方法進(jìn)行SDS-PAGE分析。
以cDNA-AFLP方法從不結(jié)球白菜中獲得的霜霉病菌誘導(dǎo)的差異表達(dá)片段(397 bp)為基礎(chǔ),采用RACE技術(shù)獲得其全長,命名為BcMT2(登錄號為AB439836)。該基因cDNA序列全長為528 bp,含有243 bp的完整開放閱讀框,編碼80個氨基酸(圖1)。預(yù)測其編碼蛋白質(zhì)化學(xué)式為C319H497N91O117S17,分子質(zhì)量為8.02×103Da,理論等電點(diǎn)為4.61。屬于酸性蛋白,不穩(wěn)定指數(shù)為43.29,屬于不穩(wěn)定蛋白,脂肪指數(shù)為22.00。ProtScale親/疏水性預(yù)測顯示:該蛋白屬于親水性蛋白,總平均親水指數(shù)(GRAVY)為-0.245;該蛋白無信號肽,并且不存在跨膜區(qū)域;該蛋白在第23~239個氨基酸處有一個Metallothio-2結(jié)構(gòu)域。屬于植物MT2家族,又與擬南芥中的多種金屬硫蛋白序列進(jìn)行比對,BcMT2也屬于植物MT2(圖2)。蛋白二級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果顯示:其為延伸鏈和無規(guī)則卷曲,分別占17.5%和82.5%。該基因在起始密碼子ATG之前有A,符合Kozak規(guī)律;在3′端有poly(A)尾,這些都符合有效翻譯的基因全長cDNA的特征。
方框表示起始密碼子,下劃線表示Metallothio-2 結(jié)構(gòu)域,*表示終止密碼子圖1 BcMT2核苷酸序列(上)及其 翻譯的氨基酸序列(下) Square frame indicates the translation initiation codon, underline indicates the amino acid sequence of the Metallothio-2, an asterisk (*) indicates the stop codonFig.1 The nucleotide (upper row) and amino acid sequence (lower row) of BcMT2
將BcMT2編碼的氨基酸序列及從NCBI中BLAST獲取的其他植物MT2氨基酸序列(編碼區(qū))進(jìn)行系統(tǒng)樹分析。結(jié)果(圖3)顯示,不結(jié)球白菜BcMT2與大白菜第5號染色體的基因(Bra029765)的相似性為100%;與蘿卜、擬南芥和甘藍(lán)相似性分別為97%、96%和95%;與高山南芥和甘藍(lán)型油菜相似性在85%以上。表明同科植物的氨基酸序列相似度較高。由此發(fā)現(xiàn)十字花科植物的BcMT2蛋白與同屬植物的進(jìn)化關(guān)系最近,呈現(xiàn)種屬特性。
結(jié)果(圖4)表明,BcMT2基因在兩份材料的葉中表達(dá)最強(qiáng),且表達(dá)量遠(yuǎn)高于根和莖。另外,BcMT2基因在兩份材料莖中的表達(dá)量存在顯著差異(P< 0.05),且在‘蘇州青’莖中的表達(dá)量約為在‘矮腳黃’中的5.93倍,而在根和葉中表達(dá)量差異不顯著。
圖2 BcMT2和擬南芥中金屬硫蛋白 氨基酸序列的進(jìn)化樹Fig.2 Phylogenetic tree of amino acid sequences of BcMT2 and metallothioneins of Arabidopsis thaliana
圖3 不同植物BcMT2蛋白的系統(tǒng)樹分析Fig.3 Phylogenetic tree analysis of BcMT2 proteins from different plants
由圖5可見,霜霉病菌侵染處理下,BcMT2基因在抗病品種‘蘇州青’中的表達(dá)量于48 h達(dá)到峰值(為對照的6.01倍),而在感病品種‘矮腳黃’中的表達(dá)量于72 h達(dá)到峰值(為對照的5.6倍);在鹽處理下,BcMT2基因在抗病品種‘蘇州青’中的表達(dá)量于12 h達(dá)到峰值(為對照的2.51倍),而在感病品種‘矮腳黃’中的表達(dá)量于24 h達(dá)到峰值(為對照的2.22倍);在ABA處理下,‘蘇州青’中其表達(dá)量于24 h達(dá)到峰值(為對照的17.25倍),且在‘矮腳黃’中BcMT2基因的表達(dá)趨勢與‘蘇州青’類似;而在2個材料中,干旱處理均抑制了BcMT2基因的表達(dá)。t測驗表明在4個處理過程中,在部分時間點(diǎn)上抗病系‘蘇州青’與感病系‘矮腳黃’之間表達(dá)量存在顯著差異。表明BcMT2基因在不結(jié)球白菜受生物和非生物脅迫的干擾后參與了防衛(wèi)反應(yīng),而且在抗病系植株上比感病系植株上表達(dá)更早、表達(dá)量更強(qiáng)。
對BcMT2進(jìn)行原核表達(dá)分析,發(fā)現(xiàn)在37 ℃條件下,0.6 mmol·L-1IPTG誘導(dǎo)2、4、6 h后,均沒有融合蛋白表達(dá)。而1.0 mmol·L-1IPTG誘導(dǎo)2、4、6 h后,在底部出現(xiàn)明顯的表達(dá)特異條帶(圖6)。BcMT2在E.coliBL21(DE3)中獲得了表達(dá),表達(dá)蛋白的相對分子質(zhì)量約為8×103Da。
不同小寫字母表示0.05水平差異顯著性圖4 不同不結(jié)球白菜BcMT2基因的組織 特異性表達(dá)分析 Different normal letters mean significant differeace at 0.05 levelFig.4 Tissue specificity expression profiles of BcMT2 gene in different non-heading cabbages
不同小寫字母表示0.05水平差異顯著性;不同大寫字母表示0.01水平差異顯著性圖5 ‘蘇州青’和‘矮腳黃’脅迫誘導(dǎo)后BcMT2基因的表達(dá) Different normal letters mean significant difference at 0.05 level; different capital letters mean significant difference at 0.01 levelFig.5 Expression of BcMT2 in ‘Suzhouqing’and ‘Aijiaohuang’under stress
M. Marker圖6 BcMT2基因原核表達(dá)SDS-PAGE電泳Fig.6 SDS-PAGE electrophoresis of the prokaryotic expression of BcMT2 gene
據(jù)報道,植物MT基因家族成員的多肽長度為45~87個氨基酸殘基,Cys殘基含量在10~17個,而His殘基含量很低[4]。本研究在通過cDNA-AFLP技術(shù)得到的一個差異表達(dá)片段基礎(chǔ)上,利用RACE技術(shù)克隆了BcMT2基因的全長序列。通過核苷酸和氨基酸序列分析,發(fā)現(xiàn)BcMT2基因編碼80個氨基酸,其中含有14個Cys殘基,占總氨基酸數(shù)的17.5%。這與王順才等[16]在平邑甜茶中的研究結(jié)果一致。植物MT2多肽N端通常具有高度的保守序列MSCCGGNCGCGS,Cys殘基有典型的CC、CXC和CXXC排列方式,而且C端包含3個按CXC方式排列的Cys基序[10]。本研究發(fā)現(xiàn)BcMT2基因編碼蛋白含有與之相同的保守序列MSCCGGNCGCGS,同時N端包含1個CC、1個CXXC及2個CXC基序,在C端也有3個CXC基序。這與水稻、平邑甜茶、芹菜等植物的研究結(jié)果相一致[1,16,26]。進(jìn)一步,將BcMT2基因氨基酸序列與擬南芥MT氨基酸序列進(jìn)行比對,構(gòu)建進(jìn)化樹,發(fā)現(xiàn)與擬南芥MT2的進(jìn)化關(guān)系最近。此外,多重序列比對分析表明,BcMT2基因氨基酸序列與同科的大白菜、蘿卜、擬南芥等植物具有很高的同源性,其中與大白菜第5號染色體的基因(Bra029765)一致性最高(100%)。綜合這些結(jié)果,不結(jié)球白菜BcMT2基因?qū)儆冖蝾愔参颩T2基因家族。
目前普遍認(rèn)為,植物MT基因的表達(dá)具有明顯的組織特異性。已有研究發(fā)現(xiàn),MT2在地上部的表達(dá)明顯高于根[1]。擬南芥AtMT1在根中表達(dá)豐富,在葉中的表達(dá)量低;AtMT2在葉中的表達(dá)量比根中的高;AtMT3主要在果實和葉中表達(dá);AtMT4主要在種子中表達(dá)[4,18,27]。本研究也發(fā)現(xiàn),BcMT2基因在不結(jié)球白菜地上部(莖、葉)中的表達(dá)量明顯高于根,且葉中的表達(dá)量明顯高于其他部位,這與齊世靜等[28]的研究結(jié)果一致。
適宜的環(huán)境有利于白菜的生長發(fā)育,而異常的環(huán)境則會抑制白菜的生長發(fā)育,甚至導(dǎo)致死亡。霜霉病、干旱、鹽及外源激素等外界生物和非生物脅迫會嚴(yán)重影響白菜的品質(zhì)和產(chǎn)量。為了適應(yīng)這些逆境,植物進(jìn)化出了一套復(fù)雜的抵御系統(tǒng)[9]。金屬硫蛋白基因在金屬解毒方面可以發(fā)揮很大的作用[1,18]。目前在MT基因表達(dá)影響因素方面,金屬離子研究已有很多。除此之外,MT基因表達(dá)還受環(huán)境脅迫、激素、病菌侵染等因素的調(diào)節(jié)[4,21,29]。Xiao等[21]通過cDNA-AFLP發(fā)現(xiàn)MT2基因在霜霉菌誘導(dǎo)下于48 h后表達(dá)量達(dá)到峰值。這與本實驗BcMT2在‘蘇州青’中的表達(dá)趨勢一致,同時發(fā)現(xiàn)不論在抗病系‘蘇州青’還是感病系‘矮腳黃’上BcMT2均受到霜霉病菌的誘導(dǎo),且在抗病系比在感病系表達(dá)量更早、更強(qiáng)。說明BcMT2的誘導(dǎo)與基因型的抗病或感病能力有一定的聯(lián)系。已有多項研究在不同植物上表明,鹽和外源ABA處理會誘導(dǎo)MT基因的表達(dá)[1,16,27,29]。這與本研究結(jié)果一致,且發(fā)現(xiàn)BcMT2基因在不結(jié)球白菜抗病系‘蘇州青’和感病系‘矮腳黃’上的表達(dá)量出現(xiàn)了不同時間的誘導(dǎo)高峰。表明BcMT2涉及的防衛(wèi)反應(yīng)可能是在不同時間段,通過產(chǎn)生不同的信號途徑對外源脅迫發(fā)揮作用。另有研究顯示,干旱脅迫下MT基因的表達(dá)大幅度上升[30]。而陳逸云[1]則在芹菜品種‘六合黃心芹’中發(fā)現(xiàn),干旱脅迫會抑制MT2基因的表達(dá)。本研究結(jié)果與陳逸云[1]類似,在干旱脅迫下,BcMT2基因在2個不結(jié)球白菜品種中的表達(dá)均受到了抑制。
BcMT2原核表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),分別在37 ℃、1.0 mmol·L-1IPTG誘導(dǎo)2、4、6 h后,檢測到了一條蛋白分子質(zhì)量約為8×103Da的表達(dá)特異條帶,其與預(yù)期融合蛋白的相對分子質(zhì)量的理論值8.02×103Da相符。而含有轉(zhuǎn)化子但未經(jīng)誘導(dǎo)的菌體在該蛋白條帶處未出現(xiàn)此條帶,因此可以基本確定這一蛋白條帶為表達(dá)的融合蛋白。
綜上所述,不結(jié)球白菜BcMT2基因?qū)儆冖蝾愔参颩T2基因家族,受霜霉病菌、鹽、外源激素ABA等外界生物和非生物脅迫誘導(dǎo)表達(dá),表明不結(jié)球白菜BcMT2基因在處于生物脅迫和非生物脅迫等逆境環(huán)境中均發(fā)揮著重要作用,且BcMT2在大腸桿菌中成功實現(xiàn)融合表達(dá),這為下一步蛋白水平研究和轉(zhuǎn)基因功能研究提供了條件,也將為選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的不結(jié)球白菜新品種提供重要的理論依據(jù)。