張克闖,楊紅蘭,李小雙,張道遠(yuǎn)*,王玉成
(1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 干旱區(qū)生物地理與生物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊830011;2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)
白番紅花(CrocusalatavicusRegel et Sem.)屬鳶尾科(Iridaceae)番紅花屬(CrocusL.)藥用植物,產(chǎn)于中國(guó)新疆伊犁河谷,中亞也有分布,生于海拔1 200~3 000 m的寒冷山坡及河灘草地[1]。常形成層片或小群落。本種花白色,可作園林早春花卉,新疆民間用球莖作藥用[1-2]。屬多年生早春類短命植物,能在積雪覆蓋下完成開(kāi)花結(jié)實(shí),具有極強(qiáng)的抗寒性[2]。
CBFs/DREB1蛋白(C-repeat binding factor/dehydration responsive element binding factors 1)屬于AP2/EREBP家族轉(zhuǎn)錄因子[3]。在逆境條件下CBFs/DREB1蛋白能有效地與CRT/DRE(C-repeat /dehydration responsive element)脫水響應(yīng)元件結(jié)合,并激活其下游COR(cold-regulated)基因的轉(zhuǎn)錄,提高植物抵抗低溫、干旱以及高鹽等非生物脅迫的能力[4]。1997年首次從擬南芥中克隆得到CBF1/DREB1B轉(zhuǎn)錄因子,并證明其參與擬南芥的抗冷信號(hào)通路[5]。CBF1轉(zhuǎn)錄因子雖然是在擬南芥中發(fā)現(xiàn)的,但研究表明,CBF冷反應(yīng)信號(hào)通路的各個(gè)組成因子在開(kāi)花植物中高度保守。近些年來(lái)在不同的物種中均證明CBF1基因參與植物的冷調(diào)控,如水稻[6]、胡楊[7]、葡萄[8]、桑樹(shù)[9]、蘋(píng)果[10]、大豆[11]、棉花[12]、玉米[13]、短柄草[14]等植物中均證明CBF1基因參與抗冷調(diào)控。但上述研究多見(jiàn)于重要的經(jīng)濟(jì)作物及經(jīng)濟(jì)果木中,有關(guān)野生的、抗寒性強(qiáng)的(類)短命植物中CBF1基因卻鮮見(jiàn)詳細(xì)研究。本研究首次克隆得到多年生早春短命類植物白番紅花CrCBF1基因序列,在對(duì)CrCBF1的基因特性進(jìn)行研究的同時(shí),通過(guò)酵母功能驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)在釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)INVSc1中過(guò)表達(dá)CrCBF1基因可以提高重組酵母的抗寒性,初步驗(yàn)證CrCBF1基因參與冷調(diào)控信號(hào)通路。
實(shí)驗(yàn)材料為野生白番紅花,采自新疆新源縣(82°15′ E,43°29′ N),材料連同根系土壤一并帶回實(shí)驗(yàn)室,洗凈、去土液氮冷凍,放入-80℃超低溫冰箱保存。
釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)INVSc1菌株、酵母Y2H菌株、酵母自激活陽(yáng)性對(duì)照菌株、農(nóng)桿菌EHA105菌株、酵母表達(dá)載體pYES2及pGBKT7、亞細(xì)胞定位載體pBI121-GFP均由本實(shí)驗(yàn)室保存;植物組織總RNA提取試劑盒Plant RNA Kit、質(zhì)粒提取試劑盒Plasmid Mini Kit及瓊脂糖凝膠電泳回收試劑盒Gel Extraction Kit均購(gòu)自O(shè)MEGA公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser、DNA Marker 2000、限制性內(nèi)切酶等均購(gòu)自TaKaRa公司;大腸桿菌DH5α感受態(tài)、載體連接試劑盒pEASY-Uni Seamless Cloning andAssembly Kit均購(gòu)自北京全式金公司;引物合成及序列測(cè)定由北京華大基因有限公司完成。
取0.1 g白番紅花葉片材料(-80 ℃超低溫冰箱保存),利用Plant RNA Kit試劑盒提取總RNA,提取的RNA用NanoDrop 2000檢測(cè),利用1%凝膠電泳檢測(cè)RNA質(zhì)量。選擇A260/A280值在1.9到2.1之間,質(zhì)量濃度大于200 ng·μL-1且條帶清晰的RNA用于反轉(zhuǎn)。利用PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser 反轉(zhuǎn)試劑盒進(jìn)行總RNA的cDNA反轉(zhuǎn)錄,合成第一鏈cDNA。
根據(jù)NCBI已發(fā)表的鳶尾科植物馬藺[IrislacteaPall. var.chinensis(Fisch.) Koidz.]的IlCBF1基因序列(GenBank登錄號(hào)DQ131497)設(shè)計(jì)特異性引物CrCBF1-F/R(表1)。以cDNA為模板,使用TaKaRa Ex Taq RR001聚合酶進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增條件為:95 ℃ 5 min;95 ℃ 30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 60 s,共35個(gè)循環(huán);72 ℃ 5 min。使用1%瓊脂糖凝膠電泳對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)并回收,產(chǎn)物純化后連接到pMD19-T載體上,轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞,挑取單克隆菌落搖菌,菌液PCR鑒定陽(yáng)性菌株測(cè)序。
根據(jù)CrCBF1基因的cDNA序列,利用NCBI的ORF finder工具尋找開(kāi)放閱讀框,再將ORF序列翻譯成氨基酸序列。利用ExPASy網(wǎng)站的ProtParam工具計(jì)算CrCBF1蛋白的理論分子量、等電點(diǎn)等基本參數(shù)。利用NCBI CDD工具分析序列的結(jié)構(gòu)域及功能元件。利用MEGA5.0軟件通過(guò)鄰近法構(gòu)建蛋白系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。利用Phyre2分析CrCBF1蛋白的二級(jí)及三級(jí)結(jié)構(gòu)。
構(gòu)建pBI121-CrCBF1-GFP融合植物表達(dá)載體,利用SmaI限制性內(nèi)切酶把環(huán)狀pBI121-GFP載體切成線狀。設(shè)計(jì)引物CrpBI121-F/R(表1),以pMD19-CrCBF1質(zhì)粒為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物回收,利用pEASY?-Uni Seamless Cloning and Assembly Kit試劑盒,把目的基因片段連入pBI121-GFP線性載體,構(gòu)建pBI121-CrCBF1-GFP重組載體。轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,挑取單克隆菌落,PCR檢測(cè)為陽(yáng)性的菌株送北京華大基因公司測(cè)序,序列比對(duì)正確的菌株搖菌,提取質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌EHA105。利用農(nóng)桿菌瞬時(shí)轉(zhuǎn)化法,把含有融合表達(dá)載體的農(nóng)桿菌注射到2周大的本氏煙草葉片的組織細(xì)胞間隙,共培養(yǎng)3~5 d,然后用激光共聚焦顯微鏡觀察煙草葉片表皮,同時(shí)以不含目的基因的pBI121-GFP空載體為對(duì)照。
構(gòu)建酵母表達(dá)載體pGBKT7-CrCBF1,用BamH I 和EcoR I 限制性內(nèi)切酶對(duì)pGBKT7 載體進(jìn)行雙酶切,對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行純化回收。設(shè)計(jì)引物CrpGBKT7-F/R(表1),以pMD19-CrCBF1質(zhì)粒為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,產(chǎn)物純化回收。利用pEASY?-Uni Seamless Cloning and Assembly Kit試劑盒,把目的基因片段連入pGBKT7 線性載體,構(gòu)建pGBKT7-CrCBF1重組載體。轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,挑取單克隆菌落,PCR檢測(cè)為陽(yáng)性的菌株送北京華大基因公司測(cè)序。序列比對(duì)正確的菌株搖菌,提取質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化酵母Y2H,酵母的轉(zhuǎn)化采用PEG/LiAc法[15],轉(zhuǎn)化后的酵母經(jīng)SD/-Trp固體篩選培養(yǎng)基30 ℃倒置培養(yǎng)2~3 d,挑取單菌落接種于SD/-Trp單缺液體培養(yǎng)基,30 ℃震蕩培養(yǎng)至OD600為2.0。菌液分別點(diǎn)于SD/-Trp/-His及SD/-Trp/-His/X-α-Gal 固體篩選培養(yǎng)基上。30 ℃倒置培養(yǎng)2~3 d,觀察菌落的生長(zhǎng)及顯色情況,并以轉(zhuǎn)入空載pGBKT7的酵母作為陰性對(duì)照,同時(shí)以含有pGBKT7-EsDREB2B載體的酵母菌株作為陽(yáng)性對(duì)照[16]。
構(gòu)建酵母表達(dá)載體pYES2-CrCBF1,利用Kpn1單酶切質(zhì)粒pYES2,設(shè)計(jì)特異性引物CrpYES2-F/R(表1),以pMD19-CrCBF1質(zhì)粒為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,產(chǎn)物純化回收,利用pEASY?Uni Seamless Cloning and Assembly Kit試劑盒,目的基因片段連入pYES2線性載體,構(gòu)建酵母表達(dá)載體pYES2-CrCBF1,轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,挑取單克隆菌落,PCR檢測(cè)為陽(yáng)性的菌株送北京華大基因公司測(cè)序,序列比對(duì)正確的菌株搖菌,提取質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化釀酒酵母INVSc1,酵母的轉(zhuǎn)化采用PEG/LiAc法[15]。酵母涂布于SC-U尿嘧啶缺陷型固體篩選培養(yǎng)基(終濃度2%葡萄糖為碳源)中30 ℃培養(yǎng)2~3 d。挑取單克隆酵母菌落于SC-U(終濃度2%葡萄糖為碳源)液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)至OD600為0.8,之后菌體重懸于SC-U(終濃度2%半乳糖為碳源)誘導(dǎo)培養(yǎng)基中,調(diào)整OD600為0.4,30 ℃誘導(dǎo)培養(yǎng)36 h。收集菌體重懸于SC-U(終濃度2%葡萄糖為碳源)液體培養(yǎng)基中,調(diào)整OD600為2.0。-20 ℃冷脅迫72 h[17-18]。脅迫后的菌液在SC-U(終濃度2%葡萄糖為碳源)固體培養(yǎng)基上進(jìn)行梯度稀釋驗(yàn)證,觀察菌株的存活狀況,并以轉(zhuǎn)入空載pYES2的酵母作為對(duì)照。
以白番紅花cDNA為模板,以設(shè)計(jì)的全長(zhǎng)引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,把純化的PCR產(chǎn)物連接到pMD19-T載體后送樣測(cè)序,得到CrCBF1完整的cDNA序列。結(jié)果顯示白番紅花CrCBF1基因開(kāi)放閱讀框長(zhǎng)度為642 bp,共編碼213個(gè)氨基酸。
ProtParam工具計(jì)算顯示,CrCBF1蛋白的分子量為23.8 kD,理論等電點(diǎn)為4.99。利用NCBI中BLASTP同源性檢索,發(fā)現(xiàn)該序列和馬藺(Irislacteavar.lactea)IlCBF1(AAZ57434.1)、擬南芥(Arabidopsisthaliana)AtCBF1(NM118681)、蘿卜(Raphanussativus)RsCBF1(ACX48435.1)的相似性分別達(dá)到97%、98%和77%。利用ExPASy的SOPMA工具對(duì)CrCBF1氨基酸序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,顯示CrCBF1蛋白由32.39%的α-螺旋(alpha helix),7.98%的β-折疊(beta turn),15.02%的延伸主鏈(extended strand)和44.60%的無(wú)規(guī)卷曲(random coil)組成,可以看出,無(wú)規(guī)卷曲是CrCBF1蛋白的主要組成部分,α-螺旋、β-折疊以及延伸主鏈則散布在蛋白序列中。利用NCBI蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析工具CDD分析顯示,CrCBF1蛋白在第46~106個(gè)氨基酸之間是AP2/ERF保守序列(圖1)。利用Phyre 2.0工具分析CrCBF1蛋白的AP2結(jié)構(gòu)域,顯示這個(gè)結(jié)構(gòu)域由3條反向的β折疊、1條α螺旋和一段無(wú)規(guī)卷曲組成,其對(duì)應(yīng)的序列在圖1中標(biāo)出。利用MEGA5.0軟件,通過(guò)鄰近法構(gòu)建CrCBF1蛋白與其他物種的同源關(guān)系進(jìn)化樹(shù)(圖2),系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析顯示:白番紅花CrCBF1蛋白除了與單子葉植物馬藺蛋白進(jìn)化樹(shù)關(guān)系相近,與其他單子葉植物大麥、水稻及羅漢竹的CBF1蛋白進(jìn)化樹(shù)關(guān)系較遠(yuǎn),而與雙子葉植物親緣關(guān)系較近,發(fā)現(xiàn)與十字花科物種的擬南芥、小白菜和蘿卜CBF1蛋白進(jìn)化樹(shù)關(guān)系相近。
DQ074478.蘋(píng)果;ABV27087.擬南芥;AAL84170.大麥;.β-折疊;.α-螺旋圖1 白番紅花CrCBF1與其他植物CBF1蛋白的多重序列比對(duì)DQ074478.Malus domestica;ABV27087.Arabidopsis thaliana;AAL84170.Hordeum vulgare;.β-sheet;.α-helixFig.1 Multiple alignment of CBF1 proteins in Crocus alatavicus and other plants
含有融合表達(dá)載體pBI121-CrCBF1-GFP的農(nóng)桿菌注射到2周大的本氏煙草幼苗中,使得農(nóng)桿菌進(jìn)入到煙草的組織細(xì)胞間隙,利用激光共聚焦顯微鏡觀察煙草葉片表皮,顯示目的蛋白攜帶的GFP發(fā)出的綠色熒光定位在細(xì)胞核(圖3),在空載的對(duì)照中,GFP發(fā)射的熒光定位于細(xì)胞核和細(xì)胞膜(圖3)。結(jié)果表明白番紅花CrCBF1蛋白定位于細(xì)胞核,此結(jié)果和擬南芥AtCBF1蛋白定位結(jié)果一致[5]。
觀察在涂有X-α-Gal的篩選培養(yǎng)基上陽(yáng)性菌株的生長(zhǎng)及顯色情況來(lái)檢測(cè)基因的自激活活性,結(jié)果如圖4所示,結(jié)果表明:陰性對(duì)照,即轉(zhuǎn)pGBKT7空載Y2H酵母,在單缺培養(yǎng)基上可以生長(zhǎng),在雙缺培養(yǎng)基及涂有X-α-Gal的雙缺培養(yǎng)基上不能生長(zhǎng)不顯色,陽(yáng)性對(duì)照(實(shí)驗(yàn)室保存)和重組酵母均可以在雙缺培養(yǎng)基上生長(zhǎng),并在涂有X-α-Gal雙缺培養(yǎng)基上生長(zhǎng)顯藍(lán)色,表明CrCBF1蛋白具有轉(zhuǎn)錄自激活活性。
圖4 CrCBF1自激活活性分析Fig.4 Transactivation activity assay of CrCBF1 in yeast cells
A~C. CrCBF1在煙草中的定位情況;D~F. 空載pBI121-GFP在煙草中的定位情況。A、D. 熒光通道;B、E. 明場(chǎng);C、F. 疊加圖;圖3 白番紅花CrCBF1蛋白在煙草中的亞細(xì)胞定位A-C.Nicotiana tabacum L. cells were transformed with CrCBF1; D-F.N. tabacum L. cells were transformed with pBI121-GFP. A, D. Fluorescence;B, E. Bright field;C, F. MergeFig.3 Subcellular localization of CrCBF1 protein in N. tabacum L.
10-1、10-2、10-3、10-4、10-5分別代表菌液稀釋10、100、1 000、10 000、100 000倍A. 無(wú)脅迫(對(duì)照);B. -20 ℃冷脅迫72 h圖5 重組酵母和對(duì)照酵母在冷脅迫條件下的生長(zhǎng)狀況10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 represent 10, 100, 1 000, 10 000, 100 000 times dilutions of yeast cellsA. Non-stress (control);B. Freezing stress (-20 ℃) for 72 hoursFig.5 Growth of S. cerevisiae yeast cells transformed with the empty vector pYES2 and with the pYES2-CrCBF1 under cold stress conditions
為研究CrCBF1基因的功能,挑取重組酵母和對(duì)照酵母單克隆菌落,在以葡萄糖為碳源的SC-U篩選培養(yǎng)基中培養(yǎng)至OD600為0.8,然后在以β-半乳糖為碳源的SC-U誘導(dǎo)培養(yǎng)基中(調(diào)整OD600為0.4)誘導(dǎo)培養(yǎng)36 h,進(jìn)行冷脅迫處理。由圖5可見(jiàn),在非脅迫條件下重組酵母和對(duì)照酵母的生長(zhǎng)狀況基本一致(轉(zhuǎn)基因酵母相對(duì)于對(duì)照酵母長(zhǎng)勢(shì)稍差一些),而在20 ℃黑暗冷處理72 h后,重組酵母的生長(zhǎng)狀況明顯優(yōu)于對(duì)照酵母的生長(zhǎng)狀況,表明在酵母中過(guò)表達(dá)CrCBF1基因可以提高酵母的抗寒能力。
AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的大家族轉(zhuǎn)錄因子,包括4個(gè)主要的亞家族:AP2、RAV、ERF和DREB亞家族[19],CBFs蛋白又稱為DREB1蛋白[20],屬AP2/EREBP家族轉(zhuǎn)錄因子,能識(shí)別CRT/DRE冷及脫水響應(yīng)元件,在擬南芥中很多冷及脫水響應(yīng)相關(guān)基因的啟動(dòng)子中均含CRT/DRE元件[21],CRT/DRE元件含有保守的5 bp核心基序CCGAC[22]。
本實(shí)驗(yàn)克隆得到了白番紅花CrCBF1基因的cDNA序列,序列分析表明,CrCBF1蛋白有一個(gè)由60個(gè)氨基酸組成的AP2結(jié)構(gòu)域,且在AP2結(jié)構(gòu)域的上下游分別含有被認(rèn)為是CBF轉(zhuǎn)錄因子特征序列的兩段短肽序列PKK/RPAGRxKFxETRHP和DSAWR[23],分別位于AP2基序的上游和下游,推測(cè)可能為CBF蛋白的核定位信號(hào)區(qū)及轉(zhuǎn)錄激活區(qū)[5, 24],這2段保守序列也表明CrCBF1是典型的CBF轉(zhuǎn)錄因子。
亞細(xì)胞定位實(shí)驗(yàn)顯示,CrCBF1轉(zhuǎn)錄因子主要作用于細(xì)胞核,這一結(jié)論與擬南芥AtCBF1轉(zhuǎn)錄因子[5]、短柄草BdCBF1轉(zhuǎn)錄因子[14]定位結(jié)果一致,但也有些轉(zhuǎn)錄因子定位于細(xì)胞核和細(xì)胞膜,如OsDREB2E轉(zhuǎn)錄因子[25],有研究表明一些轉(zhuǎn)錄因子可分布在細(xì)胞質(zhì)中作為結(jié)構(gòu)蛋白參與細(xì)胞質(zhì)的重要反應(yīng)[26]。轉(zhuǎn)錄因子主要在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)揮作用,所以一般定位于細(xì)胞核,一些轉(zhuǎn)錄因子含有一個(gè)或者多個(gè)NLS區(qū),可引導(dǎo)其進(jìn)入細(xì)胞核,也有些轉(zhuǎn)錄因子不含NLS,通過(guò)和其它轉(zhuǎn)錄因子形成復(fù)合物以進(jìn)入細(xì)胞核,轉(zhuǎn)錄因子也可以在分子伴侶及其它跨膜蛋白的作用下通過(guò)對(duì)自身構(gòu)象的改變以作用于不同的細(xì)胞器。
在酵母功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,對(duì)轉(zhuǎn)CrCBF1基因酵母和轉(zhuǎn)空載酵母進(jìn)行干、鹽、冷和熱脅迫,結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)基因酵母在冷脅迫下,其耐冷性強(qiáng)于轉(zhuǎn)空載酵母,而在干(30% PEG6000 48 h)、鹽(5 mol·L-1NaCl 48 h)及熱(45 ℃ 48 h)的脅迫下,其生長(zhǎng)狀況和轉(zhuǎn)空載酵母相比并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)(實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)表),表明CrCBF1基因在酵母中主要參與調(diào)控冷相關(guān)基因的表達(dá),不響應(yīng)干、鹽及熱等脅迫,這一結(jié)論與在擬南芥中AtCBF1基因的表達(dá)只受低溫脅迫調(diào)控,而不受干、鹽脅迫調(diào)控結(jié)果一致[27]。本實(shí)驗(yàn)采用的酵母為釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)INVSc1菌株,冷脅迫處理方法為-20 ℃處理72 h,Rodriguezvargas報(bào)道,在釀酒酵母中過(guò)表達(dá)ERG10基因,在-20 ℃處理5 d后,釀酒酵母出現(xiàn)生存率表型差異[18],李海燕等報(bào)道,在釀酒酵母中過(guò)表達(dá)齒肋赤蘚ScDREB基因,-20 ℃處理36 h后,釀酒酵母出現(xiàn)表型差異[28],這些實(shí)驗(yàn)不同的冷處理時(shí)間可能和脅迫前菌液的濃度以及脅迫后點(diǎn)樣的量相關(guān),也可能是由于過(guò)表達(dá)不同的基因?qū)湍傅淖饔脵C(jī)制不同導(dǎo)致表型差異所需的時(shí)間不同。
本實(shí)驗(yàn)克隆得到了白番紅花CrCBF1基因,初步探討了該基因的一些特性,酵母功能驗(yàn)證表明CrCBF1基因可以提高酵母的耐冷性能,為下一步擬南芥體系功能驗(yàn)證及基因開(kāi)發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。
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