高世敏,董 陽,王 武,陶建敏
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,江蘇 南京 210095)
赤霉素作為一種植物內(nèi)源激素,在種子的萌發(fā),莖和根的伸長,葉片伸展,花和果實(shí)的發(fā)育等植物生長的整個(gè)生命周期起著重要的調(diào)控作用[1-7]。目前關(guān)于赤霉素生物合成路徑的研究已趨于完善[8-11],此過程需要多種酶參與完成,包括參與 GA 合成早期步驟的一些酶,如古巴焦磷酸合成酶(CPS)、內(nèi)根-貝殼杉烯合成酶(KS)、內(nèi)根-貝殼杉烯氧化酶(KO)和內(nèi)根-貝殼杉烯酸氧化酶(KAO)及參與后期步驟的一些酶,如GA20-氧化酶(GA20ox)、GA3β羥基化酶(GA3ox) 和GA2-氧化酶(GA2ox),其中,CPS、GA20ox和GA3ox被認(rèn)為是整個(gè)赤霉素的生物合成過程中起關(guān)鍵作用的酶,GA20ox的主要作用是通過多步反應(yīng)將 GA12和GA53催化合成 GA9和 GA20,從而形成有生物活性的GAs[12-13]。
葡萄是世界上廣泛種植的果樹之一,中國的鮮食葡萄產(chǎn)量占全球葡萄產(chǎn)量的 14%[14],金手指葡萄(Golden Finger,V.viniferaL. ×V.larbruscaL.)為鮮食葡萄的一種,甘甜爽口,有濃郁的冰糖味和牛奶味,且果粒形狀奇特美觀,深受廣大消費(fèi)者喜愛。由于自然環(huán)境及自身生長因素的影響,在成熟時(shí)葡萄果粒往往形態(tài)大小不一致,造成商品質(zhì)量下降。為了更加有效地提高生產(chǎn)質(zhì)量,開展葡萄果實(shí)形狀的研究變得尤為重要。傳統(tǒng)的改良果實(shí)形狀的育種方法主要是雜交實(shí)生選種,這需要較長的時(shí)間和較大的種植規(guī)模[15]。目前生產(chǎn)上多使用植物生長調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)果實(shí)發(fā)育,改善果實(shí)品質(zhì),外源赤霉素(GA3)作為一種重要的生長調(diào)節(jié)劑,在果實(shí)的發(fā)育及膨大方面起著重要作用,可調(diào)節(jié)果實(shí)形狀[16-18]。有研究結(jié)果表明外源GA3處理對(duì)葡萄的果形指數(shù)影響較大,鄭煥等[17]發(fā)現(xiàn)鐘山紅葡萄果形指數(shù)隨著盛花期使用GA3濃度的增加而增大,當(dāng)濃度達(dá)到一定值后,果形指數(shù)并無顯著提高。但赤霉素調(diào)節(jié)葡萄果實(shí)形狀的分子機(jī)制仍不清楚,GA20ox作為赤霉素合成過程中的關(guān)鍵酶,可能調(diào)節(jié)果實(shí)發(fā)育,影響葡萄果形變化。染色質(zhì)免疫共沉淀表明AtGA20ox1基因作為AtOFP1的靶基因調(diào)控著果實(shí)的發(fā)育,AtOFP1轉(zhuǎn)錄因子通過抑制AtGA20ox1的表達(dá),從而抑制下胚軸細(xì)胞的生長,產(chǎn)生矮小的植株表型,過量表達(dá)AtOFP1的擬南芥角果縱徑變短[19]。目前在葡萄中關(guān)于GA20ox2基因的研究主要集中在GA20ox在赤霉素合成過程中的調(diào)控,因此探討GA20ox2基因在葡萄果實(shí)形狀上的作用具有重要的實(shí)際意義和參考價(jià)值。
針對(duì)金手指葡萄果形的特異性,掌握合適的GA3處理時(shí)間及濃度對(duì)果實(shí)的生長及形狀的一致性尤為關(guān)鍵,本試驗(yàn)以金手指葡萄盛花后7 d的幼果為材料,克隆出VvGA20ox2基因,對(duì)其進(jìn)行序列特征及表達(dá)分析,以期從分子水平上初步了解赤霉素調(diào)控葡萄果實(shí)發(fā)育機(jī)理,為葡萄果形方面的研究提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2017年5月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)湯山葡萄試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試品種為5年生金手指葡萄,采用平棚架避雨栽培,株行距為 3.0 m×6.0 m, T型架,常規(guī)田間管理。
1.2.1 田間處理 選取3株長勢一致的金手指葡萄樹,為了增強(qiáng)試驗(yàn)的可靠性,在處理前統(tǒng)一修剪花序,序尖留約4 cm,試驗(yàn)進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù),在每株樹的兩臂分別為處理組和對(duì)照組。以每個(gè)花序一半以上的小花開放時(shí)期作為盛花期,在盛花后7 d,用質(zhì)量濃度為25 mg/L的赤霉素溶液對(duì)幼果進(jìn)行浸泡處理,處理時(shí)間大約為10 s,以清水處理作為對(duì)照(CK)。
1.2.2 樣品采集 分別采集處理后1 d、3 d、5 d、7 d、14 d 5個(gè)時(shí)期的對(duì)照組及處理組葡萄果實(shí)樣品,從3 次生物學(xué)重復(fù)的植株上隨機(jī)采集,取樣時(shí)兼顧陰陽兩面,用液氮速凍,帶回實(shí)驗(yàn)室,保存于-80 ℃冰箱中待用。果實(shí)成熟時(shí),在處理組和對(duì)照組中各選取30粒果粒用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室,測量其縱橫徑。
1.2.3 RNA的提取及cDNA第一條鏈的合成 采用多糖多酚植物組織總RNA提取試劑盒(成都福際公司產(chǎn)品)提取上述各時(shí)期樣品的總RNA,利用反轉(zhuǎn)錄試劑盒PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit (TaKaRa公司產(chǎn)品)反轉(zhuǎn)錄合成 cDNA 第一條鏈,稀釋后的 cDNA 用于實(shí)時(shí)熒光定量 PCR。
1.2.4VvGA20ox2基因ORF的克隆及生物信息學(xué)分析 根據(jù)已知RNA-seq測序結(jié)果,在NCBI中查找到GA20ox2在葡萄中的預(yù)測序列(XP_002266536.1),其CDS區(qū)在GenBank的登錄號(hào)為KC898186,利用DNAMAN 8.0設(shè)計(jì)特異性引物M1(表1),以盛花后7 d果實(shí) cDNA為模版,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)體系(25.0 μl)為:稀釋后的cDNA 1.0 μl,5×PrimeSTAR GXL buffer 5.0 μl,dNTP mixture 2.0 μl,PrimeSTAR GXL DNA polymcrace 0.5 μl,上、下游引物各0.5 μl,滅菌后ddH2O 15.5 μl;反應(yīng)程序:98 ℃預(yù)變性5 min;98 ℃變性10 s,55 ℃退火15 s,68 ℃延伸80 s,35個(gè)循環(huán);68 ℃延伸10 min,4 ℃保存。瓊脂糖凝膠電泳檢測后用 DNA凝膠回收試劑盒回收目標(biāo)片段,并連接到pEASY-Blunt載體(全式金),轉(zhuǎn)化大腸桿菌 DH5α 感受態(tài)細(xì)胞,陽性克隆鑒定后由擎科公司進(jìn)行測序。
利用BioXM和 Prot-Param 在線軟件對(duì)VvGA20ox2基因編碼的氨基酸序列、蛋白質(zhì)分子量和等電點(diǎn)等理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測分析,利用MEGA5.0軟件進(jìn)行同源性分析和系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建。
表1引物序列
Table1Sequenceofprimers
引物名稱 上游引物(5'→3') 下游引物(5'→3')M1ATGGACTCGAGTGCCTCAACTTATTTGGTTTGAGAT-GAGAGAGACGM2GCTTATTGTCAGAGAAGGCTGGAGAGTATCATTATTGGM3CTGCCCTTTCGAAAGATCCCATAACGTCATGCATTACATGactinTACAATTCCATCATGAAGTGT-GATGTTAGAAGCACTTCCTGTGAA-CAATG
1.2.5VvGA20ox2基因的亞細(xì)胞定位 通過Gateway系統(tǒng),構(gòu)建PMDC43-GFP/VvGA20ox2表達(dá)載體。首先將已鑒定測序正確的VvGA20ox2基因連接到入門級(jí)載體pDONR221,然后使用BsrGI將其單酶切線性化,通過同源重組與PMDC43 載體進(jìn)行連接,從而完成PMDC43-GFP/VvGA20ox2瞬時(shí)表達(dá)載體的構(gòu)建,最后將獲得的連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到EHA105農(nóng)桿菌感受態(tài)細(xì)胞中,經(jīng)PCR 擴(kuò)增(引物M3見表1)篩選陽性克隆,并對(duì)陽性克隆進(jìn)行測序驗(yàn)證正確后,進(jìn)行煙草瞬時(shí)侵染試驗(yàn)。
農(nóng)桿菌介導(dǎo)重組載體的煙草瞬時(shí)轉(zhuǎn)化及激光共聚焦掃描顯微鏡觀察亞細(xì)胞定位的方法參考已有報(bào)道[20]進(jìn)行。
1.2.6VvGA20ox2基因的表達(dá)分析 根據(jù)VvGA20ox2基因堿基序列設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)熒光定量 PCR 特異引物M2(表 1),以葡萄Actin(XM_002265440)作為內(nèi)參基因。PCR反應(yīng)體系(20.0 μl)為: cDNA 1.2 μl,2×SYBR PremixExTaqTM (TaKaRa公司)10.0 μl,上、下游引物各 0.4 μl,滅菌后ddH2O補(bǔ)足至20.0 μl。反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃ 4 min;95 ℃ 20 s,60 ℃ 20 s,72 ℃ 40 s,40個(gè)循環(huán)。每個(gè)樣品設(shè)3次重復(fù),采用ABI7300system 軟件和 2-△△Ct[21]方法分析數(shù)據(jù)。
1.2.7 果實(shí)縱、橫徑的測量及果形指數(shù)的計(jì)算 果實(shí)成熟后,每個(gè)處理各取30個(gè)有代表性的果粒,用電子游標(biāo)卡尺測量其縱、橫徑,計(jì)算果形指數(shù)。數(shù)據(jù)采用SAS 9.1軟件進(jìn)行方差分析。
根據(jù)先前RNA-seq研究結(jié)果中選擇差異表達(dá)基因GA20ox2,在NCBI中獲得此基因的預(yù)測序列。以盛花后14 d金手指葡萄幼果為材料,擴(kuò)增出一條1 000 bp左右的片段(圖1)。測序并通過DNAMAN軟件將得到的序列與預(yù)測序列(XP_002266536.1)進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn),CDS序列長度一致,長度為1 134 bp。第547位核苷酸發(fā)生突變,由TGG變成AGG,其編碼氨基酸由色氨酸變成精氨酸(圖2)。
M:DL2000 market;1:VvGA20ox2基因片段擴(kuò)增產(chǎn)物。圖1 VvGA20ox2基因擴(kuò)增結(jié)果Fig.1 Amplification of VvGA20ox2 gene
方框內(nèi)為突變位點(diǎn)。圖2 VvGA20ox2基因ORF及其推導(dǎo)的氨基酸序列Fig.2 The open reading frame of VvGA20ox2 and the sequence of deduced amino acid
2.2.1 VvGA20ox2蛋白的理化性質(zhì)分析VvGA20ox基因編碼377個(gè)氨基酸,包含51個(gè)酸性氨基酸(Asp+Glu),49個(gè)堿性氨基酸(Arg+Lys),編碼產(chǎn)物相對(duì)分子量為42 788.605,等電點(diǎn)為6.93,蛋白質(zhì)的不穩(wěn)定系數(shù)是32.8,平均親水系數(shù)為-0.649,屬于親水蛋白質(zhì)。
2.2.2 VvGA20ox2蛋白的疏水性、信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)分析 疏水性分析結(jié)果表明,VvGA20ox2蛋白沒有明顯的疏水性區(qū)域,屬于親水蛋白。 TMHMM Servecr v.2.0分析結(jié)果表明,VvGA20ox2蛋白沒有跨膜區(qū)域。利用SignalP4.0軟件預(yù)測信號(hào)肽,結(jié)果表明VvGA20ox2蛋白沒有信號(hào)肽。
2.2.3 VvGA20ox2蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)和卷曲螺旋預(yù)測 VvGA20ox2蛋白包含32.10%的α-螺旋(Alpha helix),21.49%的β-折疊(Extended strand),10.61%β-轉(zhuǎn)角(Beta turn)和35.81%的無規(guī)則卷曲(Random coil),利用在線網(wǎng)站Net NES1.1預(yù)測VvGA20ox2蛋白的NES,結(jié)果表明VvGA20ox2蛋白僅有4個(gè)NES保守位點(diǎn),分別是亮氨酸(197,202),異亮氨酸(199,205)。
2.2.4 VvGA20ox2蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化樹 在Pfam數(shù)據(jù)庫(http://pfam.xfam.org/)中查找葡萄VvGA20ox2蛋白的結(jié)構(gòu)域,發(fā)現(xiàn)第59~171氨基酸位點(diǎn)為DIOX_N結(jié)構(gòu)域,第221~320位點(diǎn)是2OG-Fell_Oxy結(jié)構(gòu)域。
將VvGA20ox2蛋白氨基酸序列與其他物種的同源氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)(圖3),試驗(yàn)結(jié)果表明,所有氨基酸序列均含有上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)域,說明GA20ox蛋白在各個(gè)物種中是相對(duì)保守的,通過同源性比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)VvGA20ox2基因編碼的氨基酸序列與多種植物GA20ox氨基酸序列相似性在51%~67%,其中,與可可(EOX92603.1)和楊樹(PNT28192.1)的同源性較高,分別達(dá)到65%和67%,與草莓(ABB00359.1)、番茄(NP_001234070.1)、擬南芥(AGW24332.1)、水稻(AER45797.1)、玉米(AQK99102.1)、煙草(XP_016471245.1)的同源性分別為53%、55%、53%、55%、54%、56%,而與小麥(CFV04355.1)的同源性為51%。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果表明(圖4),葡萄VvGA20ox2蛋白與可可和楊樹親緣關(guān)系較近,與模式植物擬南芥、番茄等植物親緣關(guān)系較遠(yuǎn),系統(tǒng)進(jìn)化樹與物種進(jìn)化關(guān)系一致。
黑色方框代表DIOX_N結(jié)構(gòu)域,紅色方框代表2OG-Fell_Oxy結(jié)構(gòu)域。圖3 葡萄VvGA20ox2與其他植物GA20ox蛋白氨基酸序列的同源性比對(duì)Fig.3 Multiple sequence alignment of the VvGA20ox2 and GA20ox from other plants
圖4 葡萄VvGA20ox2與其他物種GA20ox蛋白氨基酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.4 Phylogenetic tree of VvGA20ox2 in grapevine and the GA20ox protein amino acid sequence in other species
為探索VvGA20ox2基因所編碼蛋白在植物亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的分布情況,進(jìn)一步構(gòu)建了VvGA20ox2的瞬時(shí)表達(dá)載體35S-VvGA20ox2-GFP,并將其轉(zhuǎn)化到煙草細(xì)胞內(nèi),借助綠色熒光蛋白來確定目標(biāo)蛋白在細(xì)胞內(nèi)的分布情況。利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化煙草細(xì)胞,在侵染后將煙草暗培養(yǎng)3 d后,制作臨時(shí)切片,用激光共聚焦掃描顯微鏡觀察綠色熒光蛋白信號(hào)。結(jié)果顯示,PMDC43-GFP空載體在整個(gè)細(xì)胞范圍內(nèi)都顯示出綠色熒光信號(hào)(圖5),而瞬時(shí)表達(dá)載體35S-VvGA20ox2-GFP表達(dá)的融合蛋白不僅在細(xì)胞核上有熒光信號(hào),在細(xì)胞膜上也可觀察到綠色熒光(圖5)。
圖5 VvGA20ox2在煙草表皮細(xì)胞中的亞細(xì)胞定位Fig.5 Subcellular localization of VvGA20ox2 in tobacco epidermal cells
GA3處理后不同時(shí)期金手指葡萄果實(shí)VvGA20ox2基因表達(dá)實(shí)時(shí)熒光定量分析結(jié)果顯示(圖6),在GA3處理后第1 d,VvGA20ox2基因處理組的VvGA20ox2基因表達(dá)量顯著低于對(duì)照,呈現(xiàn)顯著下降趨勢。隨后在GA3處理后第2 d,處理組VvGA20ox2基因表達(dá)急速上升,在第3 d時(shí)相對(duì)表達(dá)量達(dá)到最高。在GA3處理后第7 d,此基因表達(dá)水平與對(duì)照相比差異較小,在GA3處理后第14 d幾乎檢測不到該基因的表達(dá)。
圖6 VvGA20ox2 基因在赤霉素處理的金手指葡萄果實(shí)中不同時(shí)期的表達(dá)水平Fig.6 Expression level of VvGA20ox2 gene of Gold Finger grape treated by gibberellin at different development stages
葡萄果??v徑在赤霉素處理下相比對(duì)照均有增長,且差異極顯著(表2)。GA3處理下葡萄果粒橫徑增大,相比對(duì)照差異不顯著,25 mg/L赤霉素處理后果形指數(shù)與對(duì)照差異極顯著,說明葡萄果形發(fā)生顯著變化。
表2赤霉素處理對(duì)果粒形狀的影響
Table2Effectofgibberellintreatmentonfruitshape
同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。
在赤霉素生物合成途徑中,參與GA合成早期步驟的一些酶由單基因編碼,而參與后期步驟的一些酶則由多基因家族編碼。目前,許多赤霉素合成代謝中的關(guān)鍵基因在葡萄上已經(jīng)被克隆并進(jìn)行了研究[22-24],GA20ox家族基因是植物體內(nèi)合成活性赤霉素的關(guān)鍵基因,在活性赤霉素的合成過程起著極其重要的作用。在葡萄中關(guān)于GA20ox2基因的研究多集中于對(duì)赤霉素合成的調(diào)控,主要研究赤霉素處理葡萄在不同花期VvGA20ox3表達(dá)的變化[25]。改變基質(zhì)濃度研究GA20ox2對(duì)其基因調(diào)控產(chǎn)物 GA12合成的影響[26],及在不同品種中的GA20ox家族的組織特異性表達(dá)差異[27],并未深入探討GA20ox2基因在赤霉素調(diào)控合成中的作用對(duì)果實(shí)形狀的影響。本試驗(yàn)通過對(duì)金手指葡萄果形轉(zhuǎn)錄組的分析,找到差異表達(dá)基因VvGA20ox2,并在金手指葡萄中克隆出VvGA20ox2基因,與NCBI中預(yù)測基因相比,該基因發(fā)生點(diǎn)突變,但突變位點(diǎn)不在功能結(jié)構(gòu)域內(nèi),這可能是由于測序品種和試驗(yàn)品種不同造成的。多序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育樹分析結(jié)果顯示,在葡萄、楊樹、番茄、擬南芥、水稻、煙草、可可、小麥、草莓和玉米等 10 種植物中,VvGA20ox2基因與楊樹同源基因親緣關(guān)系最近,并且在10種植物中具有相似的保守結(jié)構(gòu)域,說明GA20ox2基因功能是相對(duì)保守的。
農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化煙草細(xì)胞瞬時(shí)表達(dá)結(jié)果顯示,VvGA20ox2蛋白同時(shí)定位在細(xì)胞核和細(xì)胞膜中,說明此基因編碼的產(chǎn)物不僅在細(xì)胞核上有功能,而且在細(xì)胞膜上起作用。由于膜上的蛋白質(zhì)主要有載體蛋白、與細(xì)胞活動(dòng)相關(guān)的離子泵、通道蛋白和蛋白受體等,因此VvGA20ox2的編碼產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜的穩(wěn)定或控制蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)具有一定的作用[28]。與VvGA20ox1蛋白定位結(jié)果一致[22],推測可能發(fā)揮相似的功能。
利用外源GA對(duì)花序和幼果處理可有效地提高果實(shí)品質(zhì),促進(jìn)果實(shí)發(fā)育及膨大,在許多果樹生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本試驗(yàn)采用外施GA3處理葡萄幼果,在果實(shí)成熟時(shí),處理后的果實(shí)縱徑顯著增長,與對(duì)照相比,果形發(fā)生明顯變化。為了進(jìn)一步了解VvGA20ox2基因在調(diào)節(jié)葡萄果形方面的功能,試驗(yàn)利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)對(duì)該基因在處理與對(duì)照樣品間的表達(dá)特性進(jìn)行了分析,試驗(yàn)結(jié)果表明,在GA3處理后1 d內(nèi),VvGA20ox2的表達(dá)受到抑制,其原因可能在于GA20ox2基因的轉(zhuǎn)錄水平受到GAs初期的反饋調(diào)節(jié)影響。由于施用了外源 GA 使得果實(shí)內(nèi) GA 含量增高,進(jìn)而抑制了該基因的表達(dá),這與 GA 應(yīng)答系統(tǒng)與活性 GA 含量之間存在著前饋和反饋調(diào)節(jié)的關(guān)系相一致,在GA3處理1 d后表達(dá)量迅速升高,并在第3 d達(dá)到峰值。在擬南芥中,AtGA20ox1 和AtGA20ox2基因可以促進(jìn)下胚軸生長及角果的伸長[29],推測AtGA20ox同源基因VvGA20ox2可能參與了葡萄果形拉長的調(diào)控,從而促進(jìn)果實(shí)的增長,產(chǎn)生長形果實(shí)。在GA3處理后第7 d,基因的表達(dá)逐漸下降,在第14 d幾乎沒有表達(dá),可能與赤霉素的作用減弱有關(guān)。有研究結(jié)果表明,外源GA3的作用效果可以持續(xù)7~15 d[30]。
關(guān)于GA3對(duì)葡萄果實(shí)形狀的調(diào)控作用,研究仍未深入,從擬南芥果形相關(guān)的研究中可知,AtGA20ox1基因作為AtOFP1的靶基因調(diào)控著果實(shí)的發(fā)育,影響植株大小。本試驗(yàn)從葡萄活性赤霉素合成中關(guān)鍵活性基因的序列功能及表達(dá)進(jìn)行了分析,通過GA3處理后GA20ox2基因在幼果中的表達(dá)變化,調(diào)節(jié)內(nèi)源赤霉素含量,從而影響果實(shí)發(fā)育,控制果形變化。同時(shí),推測GA20ox2基因可能作為控制果形OVATE基因的靶基因調(diào)控果實(shí)發(fā)育,影響果實(shí)形狀,但具體的調(diào)控機(jī)制仍不清楚,需要后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證兩者的關(guān)系,關(guān)于GA20ox2基因的在果形上的功能需要通過基因沉默和超表達(dá)進(jìn)一步研究。