周麗霞 曹紅星
摘要:【目的】研究低溫脅迫下WRKY轉錄因子基因表達特性,并分析其與油棕抗寒性的相關性,為闡明WRKY轉錄因子在油棕生長和低溫響應機制中的功能和作用提供理論參考?!痉椒ā恳杂妥仄贩NXJS30和SJ64為材料,對其進行低溫馴化處理(0 h、1 d和7 d)及冷處理(10 ℃ 4 h、8 ℃ 4 h、6 ℃ 4 h、4 ℃ 4 h和2 ℃ 4 h),利用實時熒光定量PCR(qPCR)檢測不同處理時間的WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40和WRKY55基因表達特性,并分析其與油棕抗寒性的相關性。【結果】WRKY1和WRKY7基因在低溫馴化結束時的表達量較冷處理結束時高,說明其在低溫馴化過程中對XJS30的抗寒性構成發(fā)揮調(diào)控作用。WRKY22、WRKY40和WRKY55基因均在XJS30冷處理中表達量最高,說明其在冷處理過程中對XJS30的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。WRKY1基因在低溫馴化結束時的表達量較冷處理結束時低,說明其在冷處理過程中對SJ64的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。WRKY7基因在低溫馴化結束時的相對表達量較冷處理結束時高,說明其在低溫馴化過程中對SJ64的抗寒性構成發(fā)揮調(diào)控作用。【結論】油棕的WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40和WRKY55基因均屬于低溫應激反應型基因。
關鍵字: 油棕;WRKY轉錄因子;低溫脅迫;實時熒光定量PCR(qPCR);表達特性
中圖分類號: S565.9 文獻標志碼:A 文章編號:2095-1191(2018)08-1490-08
0 引言
【研究意義】油棕(Elaeis guineensis Jacq.)屬棕櫚科單子葉多年生木本油料作物,是世界上產(chǎn)油率最高的油料植物之一(Basri et al.,2005),在我國海南、廣東、廣西及云南等?。▍^(qū))均有種植。其喜高溫,在月平均溫度21 ℃以上的環(huán)境下才能正常生長,最適生長溫度25~28 ℃(Verheye,2010),當氣溫低于18 ℃時,其生長緩慢,生殖器官發(fā)育受阻,產(chǎn)油量嚴重減少(來自于中國氣候資源數(shù)據(jù)庫)??梢姡蜏厥菦Q定油棕產(chǎn)油量及品質(zhì)的非生物因素之一。研究發(fā)現(xiàn),WRKY是植物最大的轉錄因子家族之一,其C端有一個鋅指結構,N端有一個由約60個氨基酸殘基組成的WRKYGQK結構域(謝政文等,2016),參與調(diào)控多種植物的生長發(fā)育、應激反應、生物及非生物脅迫等(余迪求等,2006;李元元等,2017;王秋穎等,2017)。因此,研究油棕WRKY基因在低溫脅迫下的表達特性,對揭示其功能具有重要意義。【前人研究進展】自Ishiguro和Nakamura于1994年首次從馬鈴薯中克隆獲得WRKY基因以來,又陸續(xù)從擬南芥(Pater et al.,1996)、油菜(Deyholos et al.,2009)、甘薯(王連軍等,2013)、蒺藜苜蓿(宋輝和南志標,2014)、辣椒(刁衛(wèi)平等,2015)、冬小麥(王明芳等,2015)、谷子(邢國芳等,2016)、桃(谷彥冰等,2016)、玉米(決登偉等,2017a)、桑樹(劉潮等,2017)和櫻桃(徐麗等,2018)等克隆獲得WRKY基因。研究表明,WRKY轉錄因子廣泛參與植物多種生理生化過程,如白梨的103個PbWRKY基因中,有44個PbWRKY在干旱脅迫下表達上調(diào)(Huang et al.,2008);擬南芥AtWRKY25、AtWRKY26和AtWRKY33基因在低溫和高鹽誘導下表達明顯上調(diào)(付乾堂和余迪求,2010);陸地棉GhWRKY4基因在鹽和干旱脅迫下誘導表達,GhWRKY5在干旱脅迫下誘導表達(張娜等,2012);水稻OsWRKY基因在高鹽、干旱、低溫脅迫和脫落酸信號響應下具有重疊表達的特性,說明其在非生物逆境中具有功能多效性及相互間具有協(xié)同調(diào)控作用(孫利軍等,2014;劉夢佳和李海峰,2016);香蕉MaWRKY11在冷脅迫誘導下表達上調(diào),說明其與早期應答蛋白MaERD相互作用以調(diào)控香蕉的冷脅迫抗性(徐群剛等,2015);橡膠樹HbWRKY27基因在割膠和乙烯等調(diào)控膠乳代謝中發(fā)揮重要作用,且可能與橡膠樹死皮病的發(fā)生相關(閆棟等,2016);高粱中有10個PmWRKY基因表達受干旱脅迫誘導,16個PmWRKY基因表達受低溫脅迫誘導(Yue et al.,2016);玉米中ZmWRKY22-like、ZmWRKY55-like和ZmWRKY74-like基因在果實發(fā)育過程中發(fā)揮作用,其中ZmWRKY55-like和ZmWRKY74-like基因分別參與玉米對鹽和低溫脅迫的響應(決登偉等,2017b,2017c)。綜上,WRKY轉錄因子在植物生長發(fā)育和逆境脅迫響應中均發(fā)揮非常重要的作用?!颈狙芯壳腥朦c】目前,鮮見有關油棕WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40和WRKY55基因在低溫協(xié)迫下表達特性的研究報道?!緮M解決的關鍵問題】以兩個抗寒能力差異較大的油棕品種XJS30和SJ64為材料,運用生物信息學方法從其基因組中得到WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40和WRKY55基因序列,通過實時熒光定量PCR(qPCR)分析其在低溫脅迫下的表達情況,為揭示油棕WRKY基因在響應逆境脅迫中的表達特性提供理論參考。
1 材料與方法
1. 1 試驗材料
供試油棕品種為XJS30和SJ64,分別采集于我國云南省保山市和海南省文昌市,其中XJS30是由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院椰子研究所油棕種質(zhì)資源圃經(jīng)過多年的引種試種選育出抗寒性較強的油棕品種,其抗寒性較SJ64弱。主要試劑:RNA提取試劑盒購自海南海道森科技有限公司,Prime Script RT試劑盒和SYBR Green熒光定量PCR試劑盒購自寶生物工程(大連)有限公司,其他試劑購自??诃偵饺R客(海南)科技服務中心。主要儀器設備:三色光培養(yǎng)箱(LED-30HL1,美國),超速冷凍離心機(Eppendorf Centrifuge 5810 R型,德國)和實時熒光定量PCR儀(安捷倫Mx 3000P,美國)等。
1. 2 樣品處理及采集
選取同一時期培育,植株粗細、大小相近,無病蟲害,高約75 cm,地徑35~40 cm的半年生實生油棕幼苗進行盆栽,每盆栽1株,每個品種各栽3株,共6株,將其置于可控植物三色光培養(yǎng)箱。首先,對油棕幼苗進行低溫馴化處理(晝17 ℃/夜12 ℃),分別在0 h、1 d和7 d 3個時間點進行取樣,待低溫馴化處理7 d后進行冷處理,并在對應的處理時間點進行取樣,具體處理及取樣時間見表1。
1. 3 總RNA提取及cDNA第一鏈合成
采用植物RNA提取試劑盒提取油棕葉片的總RNA,然后參照Prime Script RT試劑盒說明反轉錄合成cDNA第一鏈。
1. 4 引物設計及合成
從NCBI搜索獲得油棕基因組序列,從Arabidopsis Information Resource(TAIR)數(shù)據(jù)庫搜索獲得WRKY基因,并與油棕基因組序列進行比對,找出同源基因。通過蛋白氨基酸序列比對,將存在WRKY保守結構域的蛋白編碼基因判定為油棕WRKY基因。利用Primer 5.0設計油棕WRKY基因的qPCR引物,以Actin為內(nèi)參基因,引物序列見表2,由北京六合華大基因科技股份有限公司合成。
1. 5 WRKY基因的qPCR檢測
qPCR反應體系25.0 ?L:2×SYBR Green Master Mix 12.5 ?L,10 ?mol/L的正、反向引物各1.0 ?L,40 ?mol/L cDNA模板2.0 ?L,ddH2O補足至25.0 ?L。擴增程序:94 ℃預變性5 min;94 ℃ 10 s,58 ℃ 25 s,72 ℃ 30 s(延伸階段采集信號),進行30個循環(huán)后作溶解曲線(95~65 ℃,0.1 ℃/s)。每個樣品重復3次,結果采用2-ΔΔCt法計算基因的相對表達量。當基因表達量上調(diào)或下調(diào)大于2倍時判定為存在表達差異。
2 結果與分析
2. 1 低溫協(xié)迫下WRKY1基因的表達情況
如圖1-A所示,8個處理下XJS30的WRKY1基因表達量為0.21~2.30;與處理1相比,WRKY1基因在處理3、處理4、處理5和處理6中的表達量均顯著上升(P<0.05,下同),在處理2和處理8中的表達量均顯著降低,在處理7中的表達量略降低,但未達顯著水平(P>0.05,下同),且WRKY1基因在冷處理結束時(處理8)的表達量較低溫馴化結束時(處理3)降幅較大,推測WRKY1基因在低溫馴化過程中對XJS30的抗寒性構成中發(fā)揮調(diào)控作用。如圖1-B所示,8個處理下SJ64的WRKY1表達量為2.61~50.30;與處理1相比,WRKY1基因在處理2、處理5、處理6、處理7和處理8中的表達量均顯著上升,在處理4中的表達量略上升,但未達顯著水平,在處理3中的表達量顯著降低,且WRKY1基因在冷處理結束時(處理8)的表達量較低溫馴化結束時(處理3)升幅較大,且在處理8中的表達量達最大值,推測WRKY1基因在冷處理過程中在SJ64的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。由圖1-C可知,在處理1中XJS30相對于SJ64的WRKY1基因表達量為7.50,除處理3中XJS30相對于SJ64的WRKY1基因表達量較處理1顯著上升外,其他處理中的WRKY1基因表達量較處理1均顯著降低,XJS30相對于SJ64的WRKY1基因表達量在低溫馴化結束時(處理3)達最大值,進一步證實WRKY1基因在低溫馴化過程中對XJS30的抗寒性構成發(fā)揮調(diào)控作用,在冷處理過程中對SJ64的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。
2. 2 低溫協(xié)迫下WRKY7基因的表達情況
如圖2-A所示,8個處理下XJS30的WRKY7基因表達量為0.15~1.10;與處理1相比,WRKY7基因在處理2的表達量無顯著變化,在處理3~處理8中的表達量均顯著降低,尤其是處理3、處理7和處理8的降幅較大,且WRKY7基因在冷處理結束時(處理8)的表達量較低溫馴化結束時(處理3)低,推測WRKY7基因在低溫馴化過程中對XJS30的抗寒性構成發(fā)揮調(diào)控作用。由圖2-B可知,8個處理下SJ64的WRKY7基因表達量為0.40~5.80;除WRKY7基因在處理6中的表達量較處理1顯著降低外,在其他處理中的表達量均顯著上升,且WRKY7基因在SJ64冷處理結束時(處理8)的相對表達量較低溫馴化結束時(處理3)低,推測WRKY7基因在低溫馴化過程中對SJ64的抗寒性構成發(fā)揮調(diào)控作用。由圖2-C可知,在處理1中XJS30相對于SJ64的WRKY7基因表達量為3.20,除在處理6中XJS30相對于SJ64的WRKY7基因表達量較處理1顯著上升至最大值外,在其他處理中的表達量均顯著降低,表明WRKY7基因受低溫誘導明顯,對XJS30和SJ64的抗寒性均發(fā)揮調(diào)控作用。
2. 3 低溫協(xié)迫下WRKY22基因的表達情況
如圖3-A所示,8個處理下XJS30的WRKY22基因表達量為0.20~3.33;與處理1相比,WRKY22基因在處理2和處理4中的表達量顯著上升,但在處理3、處理5、處理6和處理8中的表達量顯著降低,在處理7中的表達量略降低,未達顯著水平,且WRKY22基因在XJS30冷處理結束時(處理8)的相對表達量較低溫馴化結束時(處理3)變幅小,推測WRKY22基因在低溫馴化中對XJS30抗寒性未發(fā)揮明顯的調(diào)控作用。由圖3-B可知,SJ64的WRKY22基因表達量為0.23~15.30;除處理5中的WRKY22基因表達量較處理1顯著降低外,其他處理中WRKY22基因表達量均顯著上升,其中以處理2升幅最大;WRKY22基因在SJ64冷處理結束時(處理8)的表達量較低溫馴化結束時(處理3)降幅較大,可推測WRKY22基因在低溫馴化過程中對SJ64抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。由圖3-C可知,在處理4和處理5中XJS30相對于SJ64的WRKY22基因表達量較處理1顯著升高,但在其他處理的表達量顯著降低;XJS30相對于SJ64的WRKY22基因表達量在處理4中達最大,且較處理1升幅較大,表明WRKY22基因受冷誘導明顯,其在冷處理過程中對XJS30的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。
2. 4 低溫協(xié)迫下WRKY40基因的表達情況
由圖4-A可知,8個處理下XJS30的WRKY40基因表達量為0.60~18.70;與處理1相比,WRKY40基因在處理3和處理7中的表達量顯著下降,在處理6和處理8中的表達量略上升,但未達顯著水平,WRKY40基因在處理2、處理4和處理5中的表達量顯著上升,其中以處理4的表達量升幅最大,推測WRKY40基因在冷處理中對XJS30的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。由圖4-B可知,SJ64的WRKY40基因表達量為0.78~3.81;與處理1相比,在處理2、處理3、處理6和處理7中的表達量顯著上升,其中以處理2的表達量升幅最大,在處理4中的表達量顯著降低,且WRKY40基因在SJ64冷處理結束時(處理8)的表達量較低溫馴化結束時(處理3)變幅較小,推測WRKY40基因在低溫馴化和冷處理中對SJ64的抗寒性無明顯調(diào)控作用。由圖4-C可知,在處理1中XJS30相對于SJ64的WRKY40基因表達量為0.31,除處理4中XJS30相對于SJ64的表達量較處理1顯著上升外,其他處理的表達量降低或無顯著上升,表明WRKY40基因受低溫誘導明顯,其在低溫冷處理過程中對XJS30的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。
2. 5 低溫協(xié)迫下WRKY55基因的表達情況
由圖5-A所示,8個處理下XJS30的WRKY55基因表達量為0.13~13.40;WRKY55基因在低溫馴化中(處理1~處理3)的表達量呈顯著降低趨勢,在處理4中的表達量顯著上升至最大值,隨后,在處理5、處理7和處理8中的表達量較處理1顯著上升,僅在處理6中的表達量為顯著降低,推測WRKY55基因在冷處理過程中對XJS30的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。由圖5-B可知,SJ64的WRKY55基因表達量為0.32~1.58;WRKY55基因在低溫馴化中(處理1~處理3)的表達量呈顯著降低趨勢,在處理4中的表達量顯著上升至最大值,隨后,處理5和處理8中的表達量較處理1顯著降低,其他處理中的表達量與處理1無顯著差異;WRKY55基因在SJ64冷處理結束時(處理8)的表達量較低溫馴化結束時(處理3)變幅小,且冷處理過程中的表達量總體上較處理1變幅小,推測WRKY55基因?qū)J64的抗寒性無明顯的調(diào)控作用。由圖5-C可知,處理1中XJS30相對于SJ64的WRKY55基因表達量為0.03;與處理1相比,XJS30相對于SJ64的WRKY55表達量在處理4、處理5和處理8中均顯著上升,以處理5中的表達量最大,在處理2、處理3、處理6和處理7中均下降,但除處理6外均未達顯著水平,表明WRKY55基因受低溫誘導明顯,其在低溫冷處理過程中對XJS30的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。
3 討論
近年來,WRKY轉錄因子基因家族已成為研究熱點,在植物的生長發(fā)育及生物和非生物脅迫抗性中均發(fā)揮重要的調(diào)控作用(顏君等,2015)。谷彥冰等(2015)通過對蘋果的42個WRKY基因進行表達分析,發(fā)現(xiàn)不同基因在各組織中的表達量存在差異,其中有7個WRKY基因在各組織中均不表達,有2個基因(MdWRKY1和MdWRKY110)僅在根中表達,有1個基因(MdWRKY16)僅在花中表達。向小華等(2016)研究發(fā)現(xiàn),普通煙草的164個WRKY基因中,大部分可在根、莖和葉中表達,但不同基因的表達模式不同,其中NtWRKY26、NtWRKY30和NtWRKY32基因的表達模式受黑脛病病原菌誘導??拙S龍等(2017)研究表明,甜菜在熱脅迫條件下其BvWRKY16、BvWRKY21、BvWRKY20、BvWRKY22、BvWRKY32、BvWRKY33和BvWRKY34均上調(diào)表達;鹽脅迫條件下其BvWRKY1、BvWRKY6、BvWRKY19、BvWRKY31和BvWRKY33均上調(diào)表達,表明BvWRKY33對熱脅迫和鹽脅迫均有明顯響應。本研究結果表明,冷處理下兩個油棕品種XJS30和SJ64的WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40和WRKY55的表達量存在明顯差異,WRKY1基因在XJS30低溫馴化結束時的表達量比冷處理結束時的表達量高,推測WRKY1基因在低溫馴化中對XJS30的抗寒性構成發(fā)揮調(diào)控作用;WRKY1基因在SJ64低溫馴化結束時的表達量比冷處理結束的表達量低,且在冷處理結束時的表達量達最大值,推測WRKY1基因在冷處理過程中對SJ64的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用;WRKY7基因的表達量分別在XJS30冷處理和SJ64低溫訓化中達最大值,推測WRKY7對兩個油棕品種的抗寒性均發(fā)揮調(diào)控作用,進一步證實Xu等(2014)的研究結果即WRKY7基因受低溫誘導表達,并參與信號轉導途徑中的早期基因調(diào)控;WRKY22、WRKY40和WRKY55基因均在XJS30冷處理中表達量最高,其中WRKY22基因及WRKY40基因在XJS30相對于SJ64中的表達量達最大(處理4),WRKY55基因在XJS30相對于SJ64中的表達量達最高(處理5),且與處理1相比升幅較大,與王明芳等(2015)研究報道的冬小麥WRKY40和WRKY55基因的表達模式相似,即在低溫脅迫下表達顯著上調(diào),推測WRKY22、WRKY40和WRKY55在XJS30的抗寒性發(fā)揮調(diào)控作用。
4 結論
油棕的WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40及WRKY55基因均屬于低溫應激反應型基因,其中WRKY22、WRKY40和WRKY55在不同冷處理下表達差異顯著,對XJS30的抗寒性發(fā)揮重要的調(diào)控作用。
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(責任編輯 陳 燕)