李慧娟,楊 陽,常 平,鄭甲成,陳 亮,胡銀崗
(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌 712100)
小麥(TriticumaestivumL.)是僅次于水稻的世界第二大糧食作物,種植面積最大、分布最廣。在我國,由于小麥主栽區(qū)氣候特征的影響,小麥灌漿期降水量嚴(yán)重不足,最終導(dǎo)致大幅減產(chǎn),因此抗旱性成為小麥育種的重要指標(biāo),而提高蒸騰效率是抗旱性改良的關(guān)鍵。
ERECTA(ER)是調(diào)控植物蒸騰效率的1個(gè)編碼類受體蛋白激酶的基因,通過與大分子物質(zhì)的相互作用來調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育,并且在植物抵御病菌侵染、干旱、高溫等生物和非生物脅迫中也發(fā)揮重要作用[1]。Xing等[2]在擬南芥中過表達(dá)楊樹的ER基因,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株生物量、光合速率和長期水分利用效率都有顯著提高。Villagarcia等[1]發(fā)現(xiàn)在番茄中過表達(dá)缺失激酶催化結(jié)構(gòu)域的擬南芥ER基因,對生長造成負(fù)面效應(yīng)的同時(shí)降低了對水分虧缺的抗性。針對禾本科作物的研究表明,過表達(dá)ER基因的轉(zhuǎn)基因玉米、高粱和水稻也表現(xiàn)出相似的特性[3-4]。此外,Shen等[5]研究發(fā)現(xiàn),擬南芥ER基因?qū)χ参锏哪蜔嵝砸灿泻軓?qiáng)的效應(yīng)。盡管對擬南芥、水稻中ER基因的效應(yīng)有了比較深入詳細(xì)的研究,但是目前小麥TaER基因的功能研究尚處于起步階段,且其轉(zhuǎn)化相關(guān)研究還未見報(bào)道。
轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)是近年來興起的一種針對整個(gè)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定量分析的測序技術(shù),通過對不同樣品所有mRNA的高通量測序,既能夠分析不同樣品在特定生長發(fā)育時(shí)期所有基因的表達(dá)量,也可以分析相同組織在不同條件下的基因表達(dá)差異[6-7],已被廣泛應(yīng)用于植物應(yīng)對逆境響應(yīng)等研究。生物或非生物脅迫下,植物為了抵御逆境所造成的傷害,在基因的表達(dá)水平、分子代謝及生物代謝途徑方面都會(huì)發(fā)生極顯著的變化[8]。植物首先接收并識(shí)別由于環(huán)境變化而產(chǎn)生的信號,其次,在多種激酶及激素類物質(zhì)的作用下對信號進(jìn)行傳導(dǎo),并通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)、轉(zhuǎn)錄后加工及翻譯水平來對逆境進(jìn)行及時(shí)的響應(yīng),從而減少逆境對植物生長發(fā)育所帶來的傷害[9]。因此,轉(zhuǎn)錄水平上的改變是植物對環(huán)境響應(yīng)的第一步,通過對逆境下基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)和富集通路的深入分析有助于挖掘與逆境相關(guān)的重要基因及代謝途徑,從而進(jìn)一步揭示植物響應(yīng)脅迫的調(diào)控機(jī)制。
小麥TaER對抗旱性的效應(yīng)及作用機(jī)制尚不明確,本研究以本實(shí)驗(yàn)室前期構(gòu)建的過表達(dá)TaER基因的小麥T3代轉(zhuǎn)基因株系及其野生型為材料,利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù),比較分析轉(zhuǎn)基因株系與野生型在干旱脅迫下的基因表達(dá)差異,通過功能富集,深入分析過表達(dá)TaER株系在干旱脅迫下所引起的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并測定其光合、蒸騰參數(shù),初步闡明TaER基因在干旱脅迫下的應(yīng)答機(jī)制,以期為小麥ER基因的功能研究奠定基礎(chǔ),促進(jìn)小麥TaER基因應(yīng)用于小麥的抗旱性改良。
以T3代轉(zhuǎn)基因小麥株系[以小麥栽培品種Cadenza為受體,將位于小麥7BS上的TaER基因(NCBI數(shù)據(jù)庫中的編號為JQ599261.2)的cDNA序列連接玉米組成型ubiqutin啟動(dòng)子構(gòu)建表達(dá)載體,經(jīng)基因槍遺傳轉(zhuǎn)化獲得]通過目的基因檢測及表達(dá)水平分析獲得的高表達(dá)株系L1、L2及其野生型栽培品種Cadenza為材料。
試驗(yàn)于2016-2017年間在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院抗旱棚內(nèi)(34°7′ N,108°4′ E)進(jìn)行。根據(jù)完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)充分灌溉(well-watered,WW)和干旱脅迫(water-stressed,WS)兩種水分處理,每個(gè)處理設(shè)4次重復(fù)。
播種前充分灌溉,越冬、返青、拔節(jié)期,WW和WS處理依賴自然降水,期間的降水量為 184.2 mm。拔節(jié)后,抗旱棚平時(shí)開啟,雨天關(guān)閉,WS處理停止灌溉,WW處理分別在抽穗和灌漿初期各灌水20 mm。在灌漿中期分別取正常灌水與干旱脅迫下各株系的12個(gè)單株的旗葉樣品,其中4個(gè)單株旗葉樣品直接液氮速凍,-80 ℃超低溫冰箱保存用于DNA提取,其余8個(gè)單株的旗葉等量混樣速凍后用于轉(zhuǎn)錄組測序總RNA的提取。
CTAB法提取各株系基因組DNA,在目的基因和載體區(qū)域分別設(shè)計(jì)正、反向引物對T3代轉(zhuǎn)基因株系的外源基因進(jìn)行檢測,目的片段大小為354 bp,4個(gè)生物學(xué)重復(fù)。引物序列見表1。由上海生工生物工程有限公司合成。PCR反應(yīng)體系為10 μL:5.0 μL的2×taqPCR Star Mix,正、反向引物(10 μM)各0.5 μL,0.5 μL的模板DNA(100 ng·μL-1),ddH2O 3.5 μL。反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性2 min,94 ℃變性30 s,61 ℃退火30 s,72 ℃延伸20 s,35個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸 5 min。PCR產(chǎn)物使用1%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測,最終確定T3代轉(zhuǎn)基因陽性株系。
利用qRT-PCR檢測目的基因TaER的表達(dá)水平,使用Trizol法提取三葉期T3代轉(zhuǎn)基因陽性單株第一葉的總RNA并進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。反應(yīng)總體積為20 μL,具體各組分參照SuperReal PreMix Color (SYBR Green) Kit熒光定量試劑盒說明書配置。反應(yīng)程序如下:95 ℃預(yù)變性 15 min,95 ℃變性10 s,60 ℃退火30 s,設(shè)置40個(gè)循環(huán),引物序列見表1。以TaActin為內(nèi)參基因,用2-△△Ct法計(jì)算相對表達(dá)量,每個(gè)樣品3次重復(fù)。
表1 PCR及qRT-PCR引物序列Table 1 Primer sequences for PCR and qRT-PCRW
用Trizol法提取總RNA,使用e-spect蛋白核酸分析儀對RNA質(zhì)量進(jìn)行檢測,檢測合格的樣品送至北京諾禾致源科技股份有限公司進(jìn)行后續(xù)建庫及測序。將測序獲得的序列去除接頭序列及低質(zhì)量reads之后,將clean data比對到水稻參考基因組上,使用HTseq進(jìn)行表達(dá)量的計(jì)算。
用FPKM值統(tǒng)計(jì)基因的表達(dá)水平[10],用基于平均值的高斯分布和基于統(tǒng)計(jì)量的經(jīng)驗(yàn)分布通過DEGseq[11]軟件進(jìn)行差異基因的篩選,閾值為FDR≤0.01和│log2(fold change)│≥1,分別對充分灌水和干旱脅迫處理下的野生型與過表達(dá)株系的差異表達(dá)基因(DEGs)進(jìn)行分析。
以q value <0.05為閾值,分別利用KOBAS3.0和GOseq[12]對差異基因進(jìn)行GO(Gene Ontology)功能和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)通路富集分析。
為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的可靠性,以各處理葉片cDNA為樣品,選擇6個(gè)在不同水分處理下的差異表達(dá)的基因(表1),用qRT-PCR分析其表達(dá)量,3個(gè)重復(fù),具體反應(yīng)及程序參照1.3。
用LI-6400便攜式光合儀(Li-Cor,Lincoln/NE,USA)測定灌漿期各株系的光合、蒸騰參數(shù),同時(shí)參考Martin等的方法[13]測定并計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率。用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與整理,SPSS16.0進(jìn)行方差分析與多重比較。
對T3代轉(zhuǎn)基因株系基因組DNA進(jìn)行多次重復(fù)PCR檢測。結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)基因陽性植株可以擴(kuò)增出354 bp的特異片段,而非陽性植株和野生型則未擴(kuò)增出目的條帶;15個(gè)株系中,有9個(gè)株系為陽性株系(圖1),陽性率為60%,表明部分T3代轉(zhuǎn)基因株系尚有分離。野生型標(biāo)記為WT,T3代轉(zhuǎn)基因株系標(biāo)記為L。
對獲得的陽性轉(zhuǎn)基因株系目的基因的表達(dá)量進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明,所有陽性轉(zhuǎn)基因株系中外源TaER基因的表達(dá)量都不同程度的上調(diào)(圖2),其中株系L1和L2上調(diào)幅度較高,因此以L1和L2株系為材料,進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,進(jìn)一步分析干旱脅迫下過表達(dá)TaER的轉(zhuǎn)基因株系與野生型在基因表達(dá)及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的差異。
M:DNA Maker DL2000; 1~16分別為L1、WT、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13、L14和L15。
M:DNA Maker DL2000; 1~16 represent L1,WT,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10,L11,L12,L13,L14 and L15,respectively.
圖1 轉(zhuǎn)基因植株TaER基因的PCR檢測結(jié)果
Fig.1 PCR analysis of transgenic plants forTaERgene
圖2 T3轉(zhuǎn)基因株系TaER基因的qRT-PCR檢測結(jié)果Fig.2 QRT-PCR analysis of TaER gene for T3 transgenic lines
對2個(gè)水分處理下的野生型、L1和L2株系共6個(gè)混合樣品進(jìn)行測序,經(jīng)過原始數(shù)據(jù)過濾、質(zhì)控之后,野生型(WT_WW、WT_WS)、轉(zhuǎn)基因株系L1(L1_WW、L1_WS)和轉(zhuǎn)基因株系L2(L2_WW、L2_WS)分別獲得76 217 622、61 641 432、61 915 306、74 464 998、79 375 080和61 391 468條clean reads,樣品平均GC含量60.44%,Q20比例為94.21%,Q30比例為86.62%,表明測序數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,可進(jìn)行下游分析。
將clean reads比對到水稻參考基因組上,結(jié)果(表2)顯示,6個(gè)樣品在基因組上都有比較高的比對率,平均比對率為87.76%,最低為87.08%,最高為89.73%。考慮到六倍體小麥遺傳背景的復(fù)雜性,超過87%的比對結(jié)果表明測序結(jié)果可靠,可以很好的滿足后期的分析需求。
以FDR≤0.01和│log2(fold change)│≥1作為閾值,野生型為對照組,進(jìn)行差異表達(dá)基因篩選,結(jié)果如表3所示,同時(shí)通過韋恩圖分析四組差異表達(dá)基因(圖3)。結(jié)果表明,充分灌溉下,有1 439個(gè)基因在2個(gè)轉(zhuǎn)基因株系和野生型之間均差異表達(dá),其中470個(gè)上調(diào)表達(dá),969個(gè)下調(diào)表達(dá);干旱脅迫下,有607個(gè)基因表現(xiàn)出共同的差異表達(dá),其中352個(gè)上調(diào)表達(dá),255個(gè)下調(diào)表達(dá)。
表2 測序數(shù)據(jù)與參考基因組比對結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of sequencing data mapped in reference genome
表3 過表達(dá)株系與野生型的差異表達(dá)基因數(shù)Table 3 Statistics of DEGs between over-expression lines and wild type
圖3 差異表達(dá)基因的韋恩圖Fig.3 Veen plots of DEGs
為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組表達(dá)數(shù)據(jù)的可靠性,選擇6個(gè)在干旱處理下野生型與轉(zhuǎn)基因株系顯著差異表達(dá)的基因,用qRT-PCR進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果(圖4、圖5)表明,除了TRIAE_CS42_7DS_TGACv1_622753_AA2044770與轉(zhuǎn)錄組表達(dá)量數(shù)據(jù)有細(xì)微的差別外,其余基因都表現(xiàn)出與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)一致的表達(dá)情況,表明轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)是客觀可靠的。
2.5.1 差異表達(dá)基因的GO富集分析
對正常灌水處理下的1 439個(gè)DEGs進(jìn)行GO功能分析,差異基因富集到分子功能、細(xì)胞組分和生物學(xué)過程3個(gè)類別的40個(gè)GO功能分類。其中,參與生物學(xué)過程的基因最多,其次為分子功能,較少的是細(xì)胞組分,分別占總數(shù)的58.65%、 28.05%和13.29%。富集差異基因數(shù)較多的20個(gè)GO功能(表4)中,細(xì)胞組分中類囊體和類囊體組的DEGs最多,均有28個(gè),其次是光系統(tǒng)(24個(gè))和光合膜(24個(gè));分子功能中DEGs富集最多的是催化活性(502個(gè))、水解酶活性(211個(gè))和氧化還原酶活性(140個(gè));生物學(xué)過程中代謝過程(548個(gè))、光合作用(27個(gè))的DEGs數(shù)量最多。
對干旱脅迫處理下的607個(gè)DEGs進(jìn)行注釋,經(jīng)分析,DEGs富集到GO數(shù)據(jù)庫的生物學(xué)過程和分子功能2個(gè)類別,共有30個(gè)功能分類。其中,參與到生物學(xué)過程的DEGs占9.70%,參與到分子功能的占71.66%。富集差異基因數(shù)較多的20個(gè)GO功能(表5)中,生物學(xué)過程的DEGs較多富集在脂質(zhì)代謝(34個(gè))和膜脂代謝(12個(gè))過程;分子功能中主要是與催化活性(260個(gè))和水解酶活性(139個(gè))相關(guān)的基因。
1~6:TRIAE_CS42_7DS_TGACv1_622753_AA2044770,TRIAE_CS42_7AS_TGACv1_569613_AA1820410,TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_409850_AA1366530,TRIAE_CS42_4AL_TGACv1_288169_AA0939290,TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_406947_AA1351690,and TRIAE_CS42_2BS_TGACv1_145841_AA0446640
圖4野生型和L1株系在干旱處理下差異基因的表達(dá)量FPKM值
Fig.4FPKM values of DEGs between wild lineand L1 line under drought stress
1~6:TRIAE_CS42_7DS_TGACv1_622753_AA2044770,TRIAE_CS42_7AS_TGACv1_569613_AA1820410,TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_409850_AA1366530,TRIAE_CS42_4AL_TGACv1_288169_AA0939290,TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_406947_AA1351690,and TRIAE_CS42_2BS_TGACv1_145841_AA0446640
圖5野生型和L1株系在干旱處理下差異基因的相對表達(dá)量
Fig.5Relative expression of DEGs between wildline and L1 line under drought stress
表4 正常灌水處理下野生型和過表達(dá)株系的差異表達(dá)基因GO注釋Table 4 GO annotation of DEGs under normal irrigation for wild type and over-expression lines
B、C、M分別為生物學(xué)過程、細(xì)胞組分、分子功能。表5同。
B:Biological process; C:Cellular component; M:Molecular function. The same in table 5.
2.5.2 差異表達(dá)基因的KEGG富集分析
結(jié)合KEGG數(shù)據(jù)庫,分析表明,正常灌水與干旱脅迫下,DEGs均顯著富集到8條途徑(表6)。干旱脅迫下,甘油磷脂、亞油酸、甘油脂和α-亞麻酸代謝途徑顯著富集,而光合作用-捕光蛋白及所涉及的3個(gè)氨基酸代謝途徑不再富集。
在小麥灌漿期,測定正常灌水與干旱脅迫處理下過表達(dá)株系和野生型旗葉的凈光合速率與蒸騰速率(表7)。結(jié)果表明,正常灌水處理下,TaER過表達(dá)株系L1和L2的凈光合速率均顯著高于野生型,平均提高18.58%;蒸騰速率平均提高了21.24%;瞬時(shí)水分利用效率平均提高了19.94%。干旱脅迫處理后3個(gè)株系的凈光合速率與蒸騰速率均降低,但是過表達(dá)株系L1和L2的凈光合速率仍顯著高于野生型;蒸騰速率平均較野生型降低了8.83%;而瞬時(shí)水分利用效率平均為野生型的1.9倍。
表5 干旱脅迫處理下野生型與過表達(dá)株系差異表達(dá)基因的GO注釋Table 5 GO annotation of DEGs under drought stress for wild type and over-expression lines
表6 野生型與過表達(dá)株系差異表達(dá)基因的KEGG富集分析Table 6 KEGG enrichment analysis of the DEGs between wild type and over-expression lines
-:無富集的差異表達(dá)基因。
-:Non-enriched differentially expressed genes.
表7 灌漿期光合和蒸騰性狀分析Table 7 Analysis of photosynthesis and transpiration traits at grain-filling stage
*和**分別表示轉(zhuǎn)基因株系和野生型在0.05和0.01水平上差異顯著。
* and ** indicate significant differences between transgenic lines and wild type at 0.05 and 0.01 levels,respectively.
近年來,轉(zhuǎn)錄組水平的測序技術(shù)在很大程度上促進(jìn)了生物基因功能方面的研究。如今,RNA-seq也廣泛應(yīng)用于植物應(yīng)對逆境的響應(yīng)。本研究通過對正常灌溉和干旱脅迫的2個(gè)T3代轉(zhuǎn)基因株系及其野生型旗葉進(jìn)行RNA-seq測序,篩選出在2個(gè)轉(zhuǎn)基因株系與野生型之間正常灌水下的1 439個(gè)共同的差異表達(dá)基因,干旱脅迫下607個(gè)共同的差異表達(dá)基因。這表明某些基因參與小麥抗旱性的調(diào)控。而在正常灌溉條件下,L1和L2株系與野生型差異表達(dá)基因數(shù)目有較大的差異(L1為4 077個(gè),而L2為2 769個(gè)),這可能是由于在基因轉(zhuǎn)化過程中插入位點(diǎn)、拷貝數(shù)的不同以及在基因重組互換過程中產(chǎn)生的差異而影響了其他基因表達(dá)的變化。目前對于小麥轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究處于起步階段,基因功能注釋信息不夠完善,部分序列或基因無法獲得功能注釋信息,而水稻功能信息則比較完善,因此將水稻基因組作為參考進(jìn)行比對。
正常灌水下DEGs的GO功能主要富集到光合作用、催化活性、水解酶活性和氧化還原酶活性、類囊體、類囊體組分,干旱脅迫下的DEGs富集到的主要是脂質(zhì)、膜脂代謝基因、催化活性和水解酶活性。表明光合作用、脂質(zhì)和膜脂代謝基因在干旱脅迫下顯著富集,暗示這些基因可能在TaER過表達(dá)株系在適應(yīng)干旱方面發(fā)揮著重要 作用。
本研究KEGG分析表明,干旱脅迫下,DEGs富集到半乳糖代謝、淀粉和蔗糖代謝、甘油(磷)脂代謝、亞油酸代謝、光合作用-捕光蛋白和α-亞麻酸代謝,與前人在禾本科早熟禾屬的結(jié)果基本一致[14]。干旱脅迫后的差異基因主要參與了脂類代謝和光合作用,且甘油酯途徑中的糖基轉(zhuǎn)移酶差異基因上調(diào)表達(dá),擬南芥糖基轉(zhuǎn)移酶UGT75X被鹽脅迫、干旱脅迫誘導(dǎo)表達(dá),通過糖基化脫落酸、油菜素內(nèi)酯、赤霉素、細(xì)胞分裂素和其他小分子物質(zhì)提高植物抗旱性[15]。表明這些基因可能通過植物激素調(diào)節(jié)對干旱的適應(yīng)。亞油酸和α-亞麻酸代謝中的脂氧合酶(LOX)基因下調(diào)表達(dá)。其參與生成脫落酸、茉莉酸等抗性信號分子響應(yīng)干旱脅迫,也可以催化亞麻酸氫過氧化而抑制光合電子的傳遞[16]。因此,這些基因可能通過植物激素、光合作用正調(diào)控干旱脅迫。光合作用-捕光蛋白途徑中Lhca1、Lhcb(1、3、4和6)差異表達(dá)基因在充分灌溉下均下調(diào)表達(dá),而干旱脅迫后該途徑則無差異表達(dá)基因的富集,這些基因參與光吸收和光信號轉(zhuǎn)導(dǎo),是光系統(tǒng)的組成部分[17]。在擬南芥光合作用調(diào)控中,ERECTA通過影響羧化酶最大羧化速率和電子傳遞能力來影響其光合能力[18],推測這些基因可能通過調(diào)控光電子傳遞途徑,從而適應(yīng)水分逆境。
植株的凈光合速率可以作為評價(jià)其抗旱性強(qiáng)弱的生理指標(biāo)之一,抗旱性強(qiáng)的品種,能夠維持較高水平的光合特性[19]。分析田間光合、蒸騰參數(shù),結(jié)果表明TaER過表達(dá)提高了轉(zhuǎn)基因小麥株系的光合作用,這與擬南芥中ERECTA過表達(dá)提高凈光合速率的結(jié)果一致[18],且在干旱脅迫下維持較高的凈光合速率與瞬時(shí)水分利用效率,降低蒸騰速率。因此,干旱脅迫下,TaER過表達(dá)株系可能通過調(diào)控光合作用和脂類代謝等途徑提高凈光合速率,為TaER調(diào)控蒸騰效率和響應(yīng)干旱脅迫提供了理論基礎(chǔ)。