王桂青,姚 紅,吳嘉誠,MUHAMMAD Anwar,曾黎輝
(福建農(nóng)林大學(xué) 園藝學(xué)院,福州 350002)
中國水仙(Narcissustazettavar.chinensis)是中國十大傳統(tǒng)名花之一,是一類觀賞價值極高的經(jīng)濟植物[1-2]。然而水仙花色單調(diào)、品種單一,制約著水仙產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展?;伾男纬芍饕怯深慄S酮、類胡蘿卜素和生物堿三類物質(zhì)決定。其中,屬于類黃酮類物質(zhì)的花青素(anthocyanin)為天然水溶性色素, 決定絕大多數(shù)植物的花色, 可以使花朵呈現(xiàn)出紅、粉、藍和紫等顏色[3-4]。類黃酮代謝還有原花青素代謝、黃酮醇代謝等其他代謝分支途徑,黃酮醇途徑中黃酮醇能和花青素共同作用使植物呈現(xiàn)豐富多彩的顏色[5]。中國水仙花色以黃白色為主,主要原因是缺乏花青素[6]。植物中很多調(diào)控黃酮類次生代謝的轉(zhuǎn)錄因子,主要包括編碼MYB、MYC、bZIP 蛋白、WD40蛋白和鋅指蛋白等基因家族[7]。MYB基因家族廣泛存在于植物中,高等植物中絕大多數(shù)的MYB基因都屬于R2R3-MYB,它們廣泛參與植物次生代謝調(diào)控,并對細胞分化、植物形態(tài)建成及抗病具有重要的調(diào)節(jié)作用[8-16]。R2R3類MYB轉(zhuǎn)錄因子在類黃酮代謝途徑產(chǎn)生色素的次生代謝過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用[17],R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子主要通過與類黃酮代謝途徑中某些關(guān)鍵酶基因啟動子中的重要順式作用元件結(jié)合,從而調(diào)控類黃酮生物合成途徑中一個或多個酶基因的表達,有效地調(diào)節(jié)類黃酮生物合成途徑[7]。
R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的共同特征是在其N端都具有一段高度保守的MYB結(jié)構(gòu)域[18],在C端有一個激活或抑制的結(jié)構(gòu)域[19]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的類黃酮代謝途徑R2R3-MYB激活因子有葡萄中的VvMYB1[20]、草莓中的FaMYB10[21]以及擬南芥中的AtMYB75、AtMYB90、AtMYB113等[22]。調(diào)控類黃酮合成的MYB基因,并非全都是正向調(diào)控作用,有些起負調(diào)控作用,抑制目標基因的表達,如擬南芥中的AtMYB3、AtMYB4、AtMYB7、AtMYB32等[23]以及棉花中的GhMYBL2[24]等,都是抑制因子,它們通過與靶基因啟動子結(jié)合來抑制結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄;草莓中的FaMYB1也是抑制因子,其通過競爭占據(jù)MBW復(fù)合體中其他MYB蛋白的結(jié)合位點,以此抑制花青素合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[25-26];此外,擬南芥中發(fā)現(xiàn)的R2R3-MYB蛋白AtMYBL2能直接與MBW復(fù)合體中的關(guān)鍵bHLH蛋白TT8結(jié)合形成復(fù)合體,進而抑制花青素的合成[27-28]。Xu等[29]在銀杏(Ginkgobiloba)中發(fā)現(xiàn)了類黃酮合成的負調(diào)控MYB蛋白GbMYBF2,并通過轉(zhuǎn)化擬南芥證實了它的功能。然而在單子葉植物中,對類黃酮合成起負調(diào)控作用的MYB基因研究相對較少。
本實驗從水仙鱗莖盤轉(zhuǎn)錄組中篩選得到一個R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子,命名為NtMYB7。用RT-PCR技術(shù)克隆該基因cDNA編碼區(qū)全長序列,采用生物信息學(xué)方法對其進行序列分析,熒光定量PCR檢測該基因在水仙不同部位不同發(fā)育時期的表達以及利用煙草瞬時表達對基因功能進行初步研究。研究結(jié)果為進一步了解NtMYB7基因的功能奠定基礎(chǔ),而且有助于進一步探究中國水仙不能合成花青素的分子機制。
以漳州水仙‘金盞銀臺’為試驗材料,分別采集中國水仙成花過程不同時期的花瓣和副冠,以及鱗莖盤、葉片,用液氮速凍,立即放入-80 ℃冰箱中貯存?zhèn)溆谩?/p>
瞬時表達實驗以普通煙草(Nicotianatabacum)為實驗材料,將普通煙草種子播種于土中,待其生長出4片真葉后用于后續(xù)試驗。
多糖多酚植物總RNA提取試劑盒購于北京百泰克生物技術(shù)有限公司;cDNA第一鏈合成試劑盒購于Thermo公司的RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit。
1.2.1總RNA的提取及cDNA第一鏈的合成參照RNA提取試劑盒的方法,提取中國水仙‘金盞銀臺’總RNA。利用紫外分光光度計Q-5000檢測RNA的濃度和純度,1%瓊脂糖凝膠檢測RNA條帶的完整性和清晰度;按照ReverAidTMFirst-Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒說明書合成cDNA的第一條鏈,放入-20 ℃冰箱中備用。
1.2.2PCR引物的設(shè)計與合成利用DNAMAN設(shè)計引物(表1),引物合成及基因測序工作均委托由上海鉑尚生物技術(shù)有限公司完成。
1.2.3NtMYB7基因cDNA的克隆以鱗莖盤cDNA為模板,進行PCR擴增。反應(yīng)體系為25 μL,其中10×Ex-Taq緩沖液 2.5 μL,dNTPs(10 mmol/L)0.5 μL,上下游引物(10 μmol/L)各0.5 μL,模板cDNA 1 μL,Ex-Taq(5 U /μL)0.2μL,加水至終體積25 μL。PCR反應(yīng)程序為:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃ 變性30 s,60 ℃ 退火30 s,72 ℃延伸1 min,35個循環(huán);最后72 ℃延伸10 min。PCR反應(yīng)結(jié)束后,經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,目的片段的回收按照Omega膠回收試劑盒的操作流程進行,并按照全式金pEASY-T1 Simple Cloning Kit說明連接至pEASY-T1載體,熱激法轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,篩選陽性克隆進行測序。
1.2.4生物信息學(xué)分析基因的分子特征分析主要采用生物信息學(xué)方法,利用DNAMAN軟件進行序列比對和蛋白質(zhì)翻譯;利用Blastn和Blastx(http://blast.ncbi.nlm.Nih,gov/Blast.c)進行核苷酸及蛋白質(zhì)同源性搜素;利用MEGA7.0軟件的鄰接法(Neighbor-Joining,NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進化樹。
1.2.5NtMYB7在中國水仙花不同發(fā)育階段和不同部位的表達以中國水仙‘金盞銀臺’Actin基因為內(nèi)參基因,熒光定量PCR研究NtMYB7在鱗莖盤、葉片以及3個發(fā)育時期的花瓣和副冠(花苞期、始花期和盛花期)的表達,引物見表1,在羅氏LightCycler 480熒光定量PCR儀上進行。將合成的cDNA(500 ng/μL)稀釋10倍作為模板,反應(yīng)體系為20 μL:2×SYBR Premix ExTaqⅡ10 μL,上下游引物(10 μmol/L)各0.8 μL,cDNA模板1 μL,ddH2O 6.4 μL,每個樣品進行3次技術(shù)重復(fù)。PCR反應(yīng)程序采用兩步法:95 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性5 s,60 ℃退火30 s,40個循環(huán)(PCR反應(yīng)過程);95 ℃ 5 s,60 ℃ 1 min(熔解曲線分析過程)。根據(jù)熒光定量PCR目的基因NtMYB7和內(nèi)參基因Actin的Ct值,利用2-ΔΔCt方法[30]對NtMYB7基因在不同發(fā)育階段和不同部位相對表達量進行分析,利用q檢驗法進行顯著性差異分析。
1.2.6NtMYB7基因植物表達載體的構(gòu)建采用In-Fusion方法構(gòu)建載體,按照In-Fusion HD Cloing Kit試劑盒說明進行。首先按要求設(shè)計新的引物(表1),PCR擴增NtMYB7目的基因,以pSAK277為表達載體,通過EcoRI和HindⅢ雙酶切及連接反應(yīng),正向接入到表達載體中。將重組載體pSAK277-NtMYB7導(dǎo)入農(nóng)桿菌GV3101感受態(tài)細胞中。完成載體構(gòu)建后,挑取陽性克隆菌落,采用菌液PCR檢測以及雙酶切鑒定,最后送生物公司測序,驗證載體是否構(gòu)建成功。
1.2.7煙草瞬時表達及定量分析首先將甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)劉玉匯博士贈送的花青素R2R3-MYB激活因子StMYB以及StbHLH的表達載體pSAK277-StMYB、pSAK277-StbHLH[31]以及對照質(zhì)粒pBI121(含有GUS基因)轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌GV3101中。分別挑取農(nóng)桿菌菌落于YEB培養(yǎng)基中,搖菌過夜至OD600為0.6~0.8。將菌液分別置于50 mL離心管中,4 000 r·min-1離心5 min,再用重懸緩沖液(10 mmol/L MES,150 μmol/L AS, 10 mmol/L MgCl2)重懸調(diào)至OD600為0.6,靜置3 h。按照1∶1比例混合不同質(zhì)粒后,用注射器分別注射煙草葉片:1)單獨注射StMYB;2)StMYB+pBI121;3)單獨注射NtMYB7;4)StMYB+NtMYB7;5)StMYB+NtMYB7+StBHLH。每個處理重復(fù)3次。
將注射后的煙草放入培養(yǎng)室中,經(jīng)過4~5 d后觀察葉片顏色變化,同時提取煙草注射部位以及未注射正常煙草的葉片RNA,逆轉(zhuǎn)錄成cDNA后,通過實時熒光定量PCR檢測煙草類黃酮代謝途徑中PAL(phenylalanine ammonia lyase)、4CL(4-coumarate:CoA ligase)、CHS(chalcone synthase)、CHI(chalcone isomerase)、F3H(flavonoid 3-hydroxylase)、F3′H(flavonoid 3′-hydroxylase)、FLS(flavonol synthase)、DFR(dihydroflavonol 4-reductase)、LAR(Leucoanthocyanidin reductase)、ANS(anthocyanidin sythase)、ANR(anthocyanidin reductase)、UFGT(UDP-glucose-flavonoid3-o-glucosyltransferase)等結(jié)構(gòu)基因的表達情況,引物見表2。
表1 引物及其序列
注:下劃線表示同源片段
Note: The horizontal lines indicate the homologous fragment
表2 煙草熒光定量PCR所用引物
特異性引物RT-PCR擴增NtMYB7 cDNA編碼全長序列,得到與預(yù)期基因片段大小一致的條帶(圖1)。測序結(jié)果顯示,開放閱讀框(ORF)全長為753 bp,編碼250個氨基酸,GenBank登錄號MF522208。
DNAMAN分析比對結(jié)果(圖2)發(fā)現(xiàn),該基因編碼蛋白存在明顯的R2和R3保守結(jié)構(gòu)域,屬于R2R3-MYB蛋白。 經(jīng)Blast比對發(fā)現(xiàn),該序列與NCBI上已登錄的多種植物R2R3-MYB基因編碼蛋白相似性較高,其中與蘆筍Myb4-like、油棕Myb4-like、海棗Myb4-like和香蕉亞種Myb4相似性分別為57%、57%、54%和53%。通過MEGA7.0軟件,將NtMYB7蛋白與其他物種MYB基因編碼蛋白構(gòu)建系統(tǒng)進化樹分析發(fā)現(xiàn),NtMYB7與AtMYB3等MYB4-like花青素合成抑制因子聚在一起(圖3)。進化樹中花青素合成激活因子單獨聚為一類;花青素合成抑制因子分成3類,其中R2R3-MYB有MYB4-like和FaMYB1-like兩個亞類,R3-MYB抑制因子與其他MYB基因編碼蛋白親緣關(guān)系較遠。
M. DL2000;1. NtMYB7擴增產(chǎn)物圖1 NtMYB7基因的克隆M. DL2000;1. PCR products of NtMYB7 geneFig.1 Cloning of NtMYB7 from Chinese narcissus
熒光定量PCR結(jié)果顯示,NtMYB7的表達水平在不同的部位不同,鱗莖盤中表達量最高,表達量是花苞期花瓣表達量的近20倍。在花瓣中,NtMYB7基因的相對表達量隨著水仙花的開放逐漸升高,盛花期達到最高;在副冠中,始花期表達量最高,花苞期和盛花期表達量較低(圖4)。
將NtMYB7構(gòu)建植物表達載體,對重組質(zhì)粒進行菌落PCR鑒定、雙酶切瓊脂糖凝膠電泳及測序分析均顯示載體構(gòu)建成功(圖5)。
NtMYB7注射煙草葉片進行瞬時表達研究。如圖6,單獨注射花青素激活因子StMYB的煙草葉片明顯呈現(xiàn)深紅色;對照帶有GUS基因的pBI121與StMYB混合注射葉片也呈現(xiàn)深紅色,與單獨注射StMYB差別不大;單獨注射NtMYB7部位煙草葉片無反應(yīng),呈現(xiàn)淺綠色;將NtMYB7與StMYB混合注射葉片呈現(xiàn)淡紅色;注射StMYB+NtMYB7+StbHLH三個基因混合物的葉片也呈現(xiàn)淡紅色,但比NtMYB7與StMYB混合注射顏色略深。
NtMYB7. 水仙;AtMYB4. 擬南芥;AtMYB32. 擬南芥;AmMYB308. 金魚草;PhMYB4. 矮牽牛;VvMYB4A. 葡萄;BrMYB4. 甘藍型油菜;GhMYB4. 棉花;FaMYB1. 草莓圖2 NtMYB7與R2R3-MYB氨基酸序列的多重序列比對NtMYB7. Narcissus tazetta var.chinensis;AtMYB4. Arabidopsis thaliana;AtMYB32. Arabidopsis thaliana;AmMYB308. Antirrhinum;PhMYB4. Petunia hybrida;VvMYB4A. Vitis vinifera;BrMYB4. Brassica rapa subsp. rapa;GhMYB4. Gossypium hirsutum;FaMYB1. Fragaria ananassa;Fig.2 Multiple alignment of the NtMYB7 with other R2R3-MYB proteins
煙草葉片中結(jié)構(gòu)基因瞬時表達的定量PCR結(jié)果(圖7)顯示,單獨注射NtMYB7的葉片中,PAL、4CL的表達顯著上調(diào);FLS的表達量顯著下調(diào),對照未注射的煙草葉片中FLS的表達量是注射NtMYB7葉片的近14倍;NtMYB7還抑制CHS、CHI、F3H、F3′H、ANR和UFGT的表達;由于煙草中DFR、LAR、ANS的表達量太低,不能判斷出NtMYB7是否抑制這幾個基因的表達(圖7)。
圖3 NtMYB7與類黃酮相關(guān)MYB因子的系統(tǒng)進化樹分析Fig.3 Phylogenetic tree of NtMYB7 and other flavonoid related MYBs
1P. 花苞期花瓣;2P. 始花期花瓣;3P. 盛花期花瓣;1C. 花苞期副冠:2C. 始花期副冠;3C. 盛花期副冠;L. 葉片;B. 鱗莖盤;不同小寫字母表示組織間差異顯著(P<0.05)圖4 NtMYB7基因在水仙中不同發(fā)育階段和不同組織的表達1P. Petals of budding stage;2P. Petals of early flowering stage;3P. Petals of full-bloom stage;1C. Coronas of budding stage;2C. Coronas of early flowering stage;3C. Coronas of full-bloom stage;L. Leaf;B. Basal plate;The different normal letters indicate significant differences among organs (P<0.05)Fig.4 Relative expression of NtMYB7 gene at different development stages and organs in Chinese narcissus
除FLS和ANR外,煙草中類黃酮生物合成途徑中的結(jié)構(gòu)基因PAL、4CL、CHS、CHI、F3H、F3′H、DFR、LAR、ANS、ANR和UFGT的表達都被StMYB誘導(dǎo)顯著上調(diào)(圖8);在StMYB和NtMYB7混合注射的葉片中,除PAL和4CL外,被StMYB誘導(dǎo)上調(diào)表達的結(jié)構(gòu)基因的表達量都顯著下調(diào),說明NtMYB7抑制這些基因的表達;StMYB、NtMYB7和StBHLH三者混合注射葉片中,與StMYB和NtMYB7混合注射葉片中一樣,煙草CHS、CHI、F3H、F3′H、DFR、LAR、ANS和UFGT的表達量都下降(圖8)。
M1. DL2000;1~3. 重組質(zhì)粒酶切產(chǎn)物;4. 重組質(zhì)粒;M2. DL15000圖5 重組質(zhì)粒pSAK277-NtMYB7雙酶切鑒定M1. DL2000;1-3. Enzyme digestion products of recombinant plasmid;4. Recombinant plasmid;M2. DL15000Fig.5 Enzyme digestion identification of recombinant plasmid pSAK277-NtMYB7
R1~R3. 3個重復(fù);a.StMYB;b.StMYB+pBI121;c.NtMYB7;d.StMYB+NtMYB7;e.StMYB+NtMYB7+StBHLH;0~9.不同色塊表示注射不同基因后的顏色差異圖6 NtMYB7煙草瞬時表達R1-R3. 3 repetitions;a.StMYB;b.StMYB+pBI121;c.NtMYB7;d.StMYB+NtMYB7;e.StMYB+NtMYB7+StBHLH;0-9. Different color-blocks indicate the color difference after different gene injectionFig.6 Transient expression analysis of NtMYB7 in tobacco
WT. 野生型(未注射的煙草葉片);NtMYB7. 單獨注射NtMYB7的煙草葉片;PAL.苯丙氨酸解氨酶;4CL.輔酶a連接酶;CHS.查耳酮合酶;CHI.查耳酮異構(gòu)酶;F3H.類黃酮3;F3′H.類黃酮3′;FLS.黃酮醇合酶;DFR.二氫黃酮醇4-還原酶;LAR.無色花色素還原酶;ANS.花青素合成酶;ANR.花青素還原酶;UFGT.類黃酮糖基轉(zhuǎn)移酶。下同圖7 瞬時表達煙草葉片中結(jié)構(gòu)基因的表達WT. Wild type(Non-injected tobacco leaf);NtMYB7. Separate injection NtMYB7;PAL.Phenylalanine ammonia lyase;4CL.4-coumarate CoA ligase;CHS.Chalcone synthase;CHI.Chalcone isomerase;F3H.Flavonoid 3-hydroxylase;F3′H.Flavonoid 3′-hydroxylase;FLS.Flavonol synthase;DFR.Dihydroflavonol 4-reductase;LAR.Leucoanthocyanidin reductase;ANS.Anthocyanidin sythase;ANR.anthocyanidin reductase, UFGT.UDP-glucose-flavonoid3-o-glucosyltransferase. The same as below.Fig.7 Expression analysis of structural genes in transient expression leaves of tobacco
擬南芥中R2R3-MYB基因根據(jù)保守元件的不同被分為22個不同的亞族,其中擬南芥S4亞家族、S5亞家族、S6亞家族、S7亞家族基因參與花青素和類黃酮類化合物生物合成途徑中相關(guān)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[32-35]。通過系統(tǒng)進化樹比對分析發(fā)現(xiàn),NtMYB7同擬南芥S4家族中的AtMYB3、AtMYB4有較高的相似性[36],屬于R2R3-MYB抑制基因中MYB4-like類,表明NtMYB7的基因功能可能與MYB4-like類抑制因子相似,發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用,使類黃酮生物合成途徑的某些結(jié)構(gòu)基因的表達受阻。
WT.野生型(未注射的煙草葉片);StMYB. 單獨注射StMYB的煙草葉片;StMYB+NtMYB7. 注射StMYB+NtMYB7的煙草葉片; StMYB+NtMYB7+StBHLH. 注射StMYB+NtMYB7+StBHLH的煙草葉片;不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)圖8 瞬時表達煙草葉片中結(jié)構(gòu)基因的表達WT. Wild type(Non-injected tobacco leaf);StMYB. Separate injection StMYB;StMYB+NtMYB7. Injection StMYB+NtMYB7;StMYB+NtMYB7+StBHLH. Injection StMYB+NtMYB7+StBHLH;The normal letters indicate significant differences among treatments (P<0.05)Fig.8 Expression analysis of structural genes in transient expression leaves of tobacco
瞬時表達實驗中,花青素激活因子StMYB誘導(dǎo)煙草葉片生成花青素的作用被NtMYB7抑制,證明了NtMYB7是花青素合成的抑制因子,但是抑制效果較弱;單獨注射NtMYB7葉片中FLS的表達被顯著抑制,說明NtMYB7可能抑制黃酮醇代謝分支途徑;在StMYB和NtMYB7混合注射的葉片中,原花青素代謝途徑的關(guān)鍵基因LAR和ANR的表達量也下降,說明NtMYB7也會抑制原花青素代謝途徑。因此,NtMYB7可能同時抑制類黃酮代謝途徑不同分支的代謝,是類黃酮合成途徑的抑制因子。研究發(fā)現(xiàn),從白色智利草莓(Fragariachiloensis)中分離出的FaMYB1的同源蛋白FcMYB1可能通過下調(diào)表達ANS,上調(diào)表達原花青素合成關(guān)鍵基因ANR和LAR來決定該草莓果實的無色表型[37]。銀杏(Ginkgobiloba)中發(fā)現(xiàn)的MYB4-like類轉(zhuǎn)錄抑制因子GbMYBF2在擬南芥中的過表達能顯著抑制花青素及黃酮類物質(zhì)的生成,并且類黃酮合成途徑中的CHS、F3H、FLS、ANS等結(jié)構(gòu)基因表達均受到抑制[38]。單子葉植物花青素合成抑制因子的報道較少,瞬時表達結(jié)果顯示NtMYB7可以抑制類黃酮合成途徑的大部分基因。
FaMYB1、GbMYBF2等R2R3-MYB蛋白均含有保守的抑制基序pdLNLD/ELxiG/S,相關(guān)研究表明擁有保守抑制基序的蛋白,其作用機制主要為主動抑制[39]。還有一些特殊的R2R3-MYB因子,不含EAR抑制基序,但在某些特定條件下也能抑制花青素的積累。如擬南芥AtMYB60,在萵苣(Lactucasativa)中過表達該基因時,轉(zhuǎn)化植株由野生型紅葉表型變?yōu)榫G葉表型,相應(yīng)的DFR表達也下調(diào)[40]。蘋果MdMYB6也沒有保守抑制域,在高濃度蔗糖處理條件下MdMYB6能使大部分結(jié)構(gòu)基因的表達下調(diào),抑制花青素的積累[41]。序列分析表明NtMYB7不含pdLNLD/ELxiG/S保守抑制基序,這可能與其抑制效果較弱有關(guān),有待進一步研究。在瞬時表達中,向NtMYB7+StMYB混合液中加入StBHLH進行注射,顏色有所加深。NtMYB7的抑制作用是通過直接抑制結(jié)構(gòu)基因的表達或者與激活因子競爭bHLH有待進一步研究。
熒光定量實驗結(jié)果中,NtMYB7基因在水仙不同器官中的表達量分析表明,NtMYB7在鱗莖盤中表達量最高。中國水仙鱗莖盤中的黃酮類物質(zhì)主要是原花青素,花中的黃酮類物質(zhì)主要是黃酮醇[6],NtMYB7有可能在鱗莖盤中主要抑制黃酮醇和花青素的合成,而在花瓣和副冠中主要抑制花青素和原花青素的合成,但這個推測有待進一步的驗證。