王丹琪,張皓,王鵬,張紹鈴,吳巨友
(南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院/江蘇省梨工程研究中心,江蘇 南京 210095)
在高等植物的生長發(fā)育中,糖既是營養(yǎng)物質又是信號分子[1]。模式植物擬南芥中已鑒定出14個單糖轉運蛋白(sugar transporter protein,STP)基因,STP的主要作用是轉運質外體的己糖[2]。其中,AtSTP1是一種高親和力的單糖轉運體,能夠運輸除果糖外的己糖[3],參與了保衛(wèi)細胞的單糖轉運[4]。AtSTP2是花粉特有的高親和力的己糖轉運體,主要負責在花粉成熟早期階段吸收胼胝質降解產(chǎn)生的葡萄糖[5]。AtSTP4也是高親和力的己糖轉運體,主要在根尖、花粉管和葉片中表達,當受到機械損傷或病原菌侵染時其表達量明顯上升[6]。另外3個己糖轉運蛋白基因AtSTP6、AtSTP9和AtSTP11在花粉發(fā)育的不同階段中也有表達[7-9]。AtSTP6在花粉外壁形成和花粉粒完全發(fā)育階段表達[7],AtSTP9是目前已知唯一的葡萄糖特異單糖轉運體[8],AtSTP11是花粉管特異表達的單糖轉運體[9]。AtSTP13也是高親和力己糖轉運體,該基因在花瓣維管組織中特異表達[10]。此外,在蘋果還發(fā)現(xiàn)MdSTP13a在山梨醇調控花粉管生長的過程中同時吸收己糖和蔗糖,以促進蘋果花粉管的生長[11]。
梨(Pyrusbretschneideri)屬于薔薇科果樹,分布區(qū)域廣,具有重要的經(jīng)濟和營養(yǎng)價值。糖既是果實重要的品質因子,也可以作為信號分子調控花粉管生長等發(fā)育過程,但是目前糖調控梨花粉管生長的信號轉導機制尚不清楚。隨著測序技術的迅速發(fā)展,‘碭山酥梨’的全基因組測序已順利完成[12],這為在全基因組水平上研究基因功能提供了條件。本研究基于已公布的梨全基因組數(shù)據(jù),篩選出梨STP基因,并通過生物信息學分析以及定量分析研究梨STP基因在各組織和花粉不同發(fā)育階段的表達情況,闡述其蛋白的基本特性;分析梨PbrSTP11蛋白的亞細胞定位,利用反義寡聚脫氧核苷酸(as-ODN)技術抑制PbrSTP11基因表達,驗證其在花粉管生長發(fā)育中的作用,為探明糖分進入梨花粉管的轉運機制和調控生長的功能特性奠定基礎。
供試梨品種為‘碭山酥梨’,種植于江蘇省徐州市豐縣果樹試驗園。2018年3月,采集梨的根、莖、葉、果實、花粉和花柱,其中花粉采自大蕾期的梨花,收集花藥,室溫自然散粉后放于硫酸紙袋,埋于硅膠保持干燥,放置于-20 ℃保存,取下的花柱保存于-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>
將梨花粉從冰箱中取出,先在4 ℃解凍2 h,然后在室溫(25 ℃)環(huán)境下解凍2 h。將花粉加入液體培養(yǎng)基,在黑暗、25 ℃條件下振蕩培養(yǎng)。液體培養(yǎng)基為:5 mmol·L-1MES、440 mmol·L-1蔗糖、0.55 mmol·L-1Ca(NO3)2、1.60 mmol·L-1MgSO4、1.60 mmol·L-1H3BO3、1.00 mmol·L-1KNO3,溶解于蒸餾水后用0.1 mol·L-1Tris溶液調pH值至6.5。
從擬南芥在線信息資源庫(http://www.arabidopsis.org)下載14個STP蛋白序列作為參考序列,基于擬南芥STP基因家族的保守結構域在Pfam數(shù)據(jù)庫(http://pfam.xfam.org)的Pfam號(PF00083),進行Hidden Markov Model搜索,將所有收集到的候選STP基因家族序列在InterProScan5數(shù)據(jù)庫(http://www.ebi.ac.uk/interpro/search/sequence/)中進行功能域注釋,剔除不含STP保守結構域的蛋白序列。最終將篩出的序列進行MUSCLE比對,利用MEGA7.0軟件基于鄰接法對梨中已篩出的蛋白與擬南芥14個STP蛋白一起構建系統(tǒng)發(fā)育樹,Bootstrap值設置為1 000。梨的基因組資源從網(wǎng)站(http://peargenome.njau.edu.cn)獲得。
利用GSDS 2.0網(wǎng)站(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)繪制基因結構。通過MEME 5.0.4(http://meme-suite.org/)識別STP基因的保守蛋白基序,具體設置參數(shù)如下:motif個數(shù)15;最小motif寬度10個氨基酸;最大motif寬度100個氨基酸。通過梨全基因組數(shù)據(jù)獲得已篩出的STP家族基因在染色體上的位置。利用Protparam軟件(http://web.expasy.org/protparam/)進行氨基酸數(shù)、相對分子質量、脂肪族氨基酸指數(shù)、理論等電點和蛋白質疏水性的分析。亞細胞定位利用CELLO v.2.5(http://cello.life.nctu.edu.tw/cgi/main.cgi)進行預測。
使用多糖多酚植物RNA提取試劑盒(成都福際生物技術有限公司)提取RNA,采用反轉錄試劑盒Transgene(TransScript Reverse Transcriptase,AT101-02)合成cDNA,使用RT-qPCR法分析PbrSTP基因的表達。設計目的基因特異引物,并使用NCBI網(wǎng)站(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/)的Primer-blast工具檢測引物的特異性。以PbrUBQ為內參基因,采用2-ΔΔCT法計算出目的基因相對表達量。RT-qPCR分析引物見表1。采用Excel 2007軟件繪制圖表和統(tǒng)計分析。結果均以3次重復的平均值±標準差表示。
表1 試驗所需引物及用途Table 1 Primers needed in the experiment and its application
在梨花粉離體培養(yǎng)試驗中,設置3種糖(蔗糖、葡萄糖和果糖)和不同糖質量濃度(0、50、100、150、200 g·L-1)的液體培養(yǎng)基培養(yǎng)花粉。這3種糖為培養(yǎng)基中支持花粉管生長的唯一碳源,以探究不同糖和不同糖質量濃度對梨花粉萌發(fā)及生長的影響。處理后,在梨花粉培養(yǎng)2 h時進行拍照,以統(tǒng)計花粉的萌發(fā)率;當梨花粉培養(yǎng)4 h進行拍照,以統(tǒng)計花粉管的長度。本試驗使用配備有CCD照相機的DP80(奧林巴斯,日本)的Olympus IX73顯微鏡進行拍照。利用Image J軟件(https://imagej.nih.gov/ij)統(tǒng)計花粉萌發(fā)率和花粉管長度。此外,所有處理花粉收集后提取總RNA,利用熒光定量PCR檢測目的基因表達量。
為了驗證梨花粉中STP蛋白的潛在功能,以不同發(fā)育階段‘碭山酥梨’花粉的轉錄組數(shù)據(jù)[13]為基礎,對35個PbrSTP基因進行表達分析。
對花粉高表達的PbrSTP11進行基因克隆和亞細胞定位試驗。以‘碭山酥梨’花粉cDNA為模板用高保真聚合酶Phanta?Max Super-Fidelity DNA Polymerase(Vazyme,P505)對PbrSTP11基因全長序列進行PCR擴增。PCR產(chǎn)物進行瓊脂糖凝膠電泳,切取目的條帶,按DNA回收試劑盒(江蘇康為世紀生物科技有限公司)說明書回收純化目的片段DNA。對p1300-35S-GFP載體質粒(TaKaRa)用XbaⅠ和BamHⅠ內切酶進行酶切。載體質粒酶切純化后,用重組連接酶(Vazyme)將目的基因和載體的酶切產(chǎn)物在37 ℃條件下連接0.5 h,轉化構建載體。測序準確構建載體成功后,將PbrSTP11的質粒轉入農(nóng)桿菌(GV3101)中,并在28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h。采用張皓等[14]的方法侵染煙草:將農(nóng)桿菌液按體積比1∶50的比例擴繁后5 000 r·min-1離心10 min收集菌液,并將菌液懸浮在含有10 mmol·L-1MES、10 mmol·L-1MgCl2和100 μmol·L-1乙酰丁香酮的誘導劑中,置于室溫50 r·min-1的搖床中孵育4 h;用1 mL去針頭無菌注射器吸入菌液緩緩注射到小葉本氏煙草的葉片背面,侵染完成后放在20~25 ℃的環(huán)境下繼續(xù)生長2 d,并使用ZEISS LSM800激光共聚焦顯微鏡拍照。試驗重復3次。亞細胞定位引物見表1。
酵母感受態(tài)的制備與轉化參照具體操作參照Clontech操作指南(Clontech Laboratories Inc.,USA)。將測序正確的PbrSTP11構建到酵母表達載體pYES 2.0上,并分別轉入糖轉運蛋白敲除的釀酒酵母突變體EBY.VW 4000(僅對麥芽糖有吸收能力)中。酵母轉化菌株在不同糖含量培養(yǎng)基上生長,以空載體pYES 2.0作為對照,調整SD/-Ura固體培養(yǎng)基中單糖底物質量濃度為2 g·L-1,研究梨單糖轉運蛋白對葡萄糖、果糖、蔗糖和山梨醇4種單糖的轉運能力及特殊性。具體操作如下:1)將轉化了梨PbrSTP基因的酵母菌株接種至5 mL SD/-Ura/麥芽糖液體培養(yǎng)基中,28 ℃、200 r·min-1搖菌,培養(yǎng)至D600值達到0.6左右;2)取1.5 mL酵母菌液置于2 mL離心管中,3 000g離心5 min后棄上清液,再加入1.5 mL的1×PBS緩沖液,4 000g離心5 min,重復3次;3)調整菌液D600至1.0,并按1∶10、1∶100和1∶1 000的體積比稀釋菌液;4)吸取原液和各稀釋液各5 μL至SD/-Ura/麥芽糖、SD/-Ura/葡萄糖、SD/-Ura/果糖、SD/-Ura/蔗糖、SD/-Ura/山梨醇固體培養(yǎng)基上,在28 ℃下倒置培養(yǎng)3~5 d后觀察菌落生長情況。
as-ODN引物序列的長度為17~22 bp,GC含量為60%~65%,以保證合適的解鏈溫度。每個基因設計5條as-ODN序列,以不與基因組任何序列完全互補的正義寡聚脫氧核苷酸(sense oligo nucleotide,s-ODN)序列為對照。首先將花粉在液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)40 min,取200 μL至離心管中,用合成好的as-ODN序列按5、10、20、30、40 mmol·L-1濃度梯度加入轉染試劑并在25 ℃培養(yǎng)箱中孵育15 min,轉染試劑終質量濃度為15 μg·mL-1,然后加入梨花粉培養(yǎng)基中培養(yǎng)2 h后,取樣觀察并統(tǒng)計。收集處理后的花粉并提取RNA,利用熒光定量PCR檢測目的基因表達量,篩選出效果最佳的as-ODN引物序列(表1),并通過觀察花粉管生長情況,篩選出最佳引物濃度。
通過對梨基因組數(shù)據(jù)的篩選,最終獲得35個STP基因,分別命名為PbrSTP1—PbrSTP35,其基本信息如表2所示。根據(jù)梨染色體基因組信息,分析35個STP基因在染色體上的分布情況,發(fā)現(xiàn)有32個基因不均勻地分布在染色體上,3個基因分布在scaffold上。分布基因最多的染色體為Chr16,分布有11個基因;其次是Chr2、Chr12和Chr13,各分布4個;Chr15分布3個,Chr1和Chr5各分布2個,Chr4和Chr8各分布1個。STP蛋白平均長度約為482個氨基酸,其中PbrSTP29最長為602個氨基酸,而PbrSTP3最短為273個氨基酸。
表2 梨STP基因基本信息Table 2 Basic information of STP genes in pear
續(xù)表2 Table 2 continued
將梨中35個PbrSTP基因與擬南芥中14個AtSTP基因編碼的蛋白序列構建系統(tǒng)發(fā)育樹,結果(圖1-A)顯示,梨STP基因家族分為5個亞家族,各家族的序列具有高度保守性,大部分序列的同源性達90%以上。梨STP基因CDS序列平均長度為1 536 bp左右,其中PbrSTP13(2 131 bp)基因序列最長,PbrSTP3(819 bp)序列最短。對梨STP的編碼區(qū)結構進行分析,結果(圖1-B)發(fā)現(xiàn)STP家族基因的外顯子數(shù)為 1~8個,其中,PbrSTP29含有8個,而PbrSTP3和PbrSTP4只有1個,表明STP基因家族在進化過程中出現(xiàn)了外顯子增加或者缺失現(xiàn)象。
對梨STP基因家族成員的蛋白序列分析發(fā)現(xiàn),梨STP蛋白的motif與擬南芥的高度一致,其中 motif 1—motif 11是高度保守的結構(圖1-C),絕大多數(shù)梨STP基因中均含有這11個motif,進一步說明STP基因在進化過程中的相對保守性。
圖1 擬南芥和梨STP基因家族系統(tǒng)發(fā)育關系(A)、基因結構(B)及蛋白motif分析(C)Fig.1 Phylogenetic relationship(A),gene structure(B)and protein motif analysis(C)of STP genes family in Arabidopsis thaliana and pear
對35個PbrSTP基因的基本理化性質進行分析,結果(表3)發(fā)現(xiàn)PbrSTP蛋白平均相對分子質量為(29.88~65.26)×103;理論等電點(pI)為8.54~9.83,蛋白質呈堿性;不穩(wěn)定指數(shù)為29.22~45.42,脂肪族指數(shù)為98.49~114.93;最大疏水系數(shù)為0.20~0.64,均為疏水性蛋白(最大疏水系數(shù)>0)。另外,利用CELLO v.2.5網(wǎng)站對這些基因的蛋白序列進行亞細胞定位預測分析,發(fā)現(xiàn)其均定位于細胞質膜上。
表3 梨STP基因家族基本特性Table 3 Basic characteristics of the STP gene families in pear
對35個PbrSTP在不同發(fā)育階段‘碭山酥梨’花粉中的表達進行分析,結果發(fā)現(xiàn)有17個PbrSTP基因在花粉中沒有表達,而其余18個基因的表達如圖2所示。PbrSTP9、PbrSTP10、PbrSTP15、PbrSTP16、PbrSTP17、PbrSTP22和PbrSTP26的表達量從水合花粉粒(HP)到停止生長的花粉管(SPT)過程中逐漸降低,而其他STP基因在梨花粉管發(fā)育過程中表達趨勢并不明顯。其中PbrSTP11從HP到正常生長的花粉管(PT)中的表達量比其他PbrSTP基因更高,甚至在SPT中還保持相對較高的表達量,表明其在花粉生長中可能具有重要的功能。
圖2 ‘碭山酥梨’花粉STP家族基因表達水平Fig.2 Expression level of STP gene families of‘Dangshansuli’pear pollen MP:花粉粒;HP:水合花粉粒;PT:生長的花粉管;SPT:停止生長的花粉管。紅色代表高表達,白色代表低表達。MP:Pollen grain;HP:Hydrated pollen grains;PT:Growing pollen tube;SPT:Stop growing pollen tube. Red indicated low expression and white indicated high expression.
由圖3可見:在含蔗糖的培養(yǎng)基中,無論是花粉萌發(fā)率還是花粉管長度都顯著高于含果糖、葡萄糖或不含糖的培養(yǎng)基。與無糖培養(yǎng)基相比,含糖培養(yǎng)基能夠促進花粉萌發(fā),隨著糖質量濃度的升高花粉萌發(fā)率呈先升高后降低的趨勢,高質量濃度(200 g·L-1)的果糖和葡萄糖對花粉萌發(fā)抑制明顯。與無糖的培養(yǎng)基相比,含糖培養(yǎng)基均能夠促進花粉管生長;低質量濃度的果糖和葡萄糖對花粉管生長的促進作用沒有蔗糖顯著。隨著單糖質量濃度的升高,花粉管長度沒有明顯變化,高質量濃度的單糖顯著抑制花粉管生長。
圖3 花粉在蔗糖、葡萄糖和果糖培養(yǎng)基中萌發(fā)率(A)和花粉管長度(B)Fig.3 Pollen germination rate(A)and the length of pollen tube(B)in the media with sucrose,glucose and fructose不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平上差異顯著,下同。Different letters above each bar indicate significant difference at 0.05 level among different treatments. The same below.
由圖4可見:不同質量濃度蔗糖對PbrSTP11表達量有影響但差異不顯著;在葡萄糖和果糖的培養(yǎng)基中,隨著單糖質量濃度升高,PbrSTP11表達量顯著升高,表明高質量濃度的單糖促進PbrSTP11基因表達。此外,通過對PbrSTP11基因在梨的根、莖、葉、果實、子房、花柱和花粉等組織中的RT-qPCR分析,發(fā)現(xiàn)PbrSTP11在花粉中表達量高,而在其他組織中幾乎不表達。
圖4 PbrSTP11基因在不同培養(yǎng)基(A)和組織(B)中的表達分析Fig.4 Expression analysis of PbrSTP11 gene in different medium(A)and tissues(B)
如圖5所示:綠色熒光蛋白(GFP)空載在煙草葉片的細胞中均有表達;而PbrSTP11的綠色熒光主要定位在細胞膜上,說明PbrSTP11為細胞膜蛋白,這與CELLO v.2.5網(wǎng)站預測結果一致。
圖5 PbrSTP11蛋白的亞細胞定位(標尺=20 μm)Fig.5 Subcellular localizations of PbrSTP11 protein(Bars=20 μm)
由圖6可見:轉化空載pYES 2.0酵母菌株EBY.VW 4000只能在含有麥芽糖的培養(yǎng)基上生長,而在其他碳源培養(yǎng)基上均呈現(xiàn)透明菌斑,但未生長;在含有20 g·L-1葡萄糖的培養(yǎng)基上,轉入PbrSTP11基因的酵母菌斑長勢很旺,在20 g·L-1果糖的培養(yǎng)基上酵母長勢相對于葡萄糖培養(yǎng)基上的長勢稍弱,100倍和1 000倍稀釋菌液較明顯;在含有20 g·L-1蔗糖和20 g·L-1山梨醇的培養(yǎng)基上,未觀察到轉入PbrSTP11基因的菌斑生長。綜上所述,含有PbrSTP11蛋白的酵母菌株對不同糖的吸收能力由大到小依次為:葡萄糖、果糖、蔗糖/山梨醇,表明PbrSTP11蛋白對單糖具有轉運能力,但不能轉運蔗糖和山梨醇。
圖6 PbrSTP11蛋白在酵母突變體EBY.VW 4000中的功能驗證Fig.6 Functional verification of PbrSTP11 in yeast mutant EBY.VW 4000酵母菌斑在每種培養(yǎng)基上從左至右分別為稀釋1倍、10倍、100倍和1 000倍。Yeast plaques were diluted 1-fold,10-fold,100-fold,and 1 000-fold from left to right on each medium.
圖7 敲低PbrSTP11表達抑制梨花粉管生長Fig.7 Knocking-down PbrSTP11 expression inhibited pollen tube growth A. RT-qPCR檢測PbrSTP11基因的表達Expression level of PbrSTP11 detected by RT-qPCR;B. as-ODN處理后花粉管長度統(tǒng)計 Statistical analysis of the pollen tube length after as-ODN treatment;C. as-ODN處理對花粉管生長的影響 The effect of as-ODN treatment on the growth of pollen tube.**P<0.01. Bar=200 μm.
由圖7可見:as-ODN處理可以顯著抑制花粉PbrSTP11的表達,當PbrSTP11表達下調后,花粉管的長度明顯變短,表明降低PbrSTP11的表達量抑制了梨花粉管生長。
STP屬于單糖轉運蛋白家族(monosaccharide transporter,MST)成員,廣泛存在于植物中[1-2,15]。本研究共鑒定出35個梨STP基因,其特性與已報道的擬南芥STP基因高度相似[1]。通過亞細胞定位軟件預測梨PbrSTP均定位在細胞膜上,亞細胞定位試驗也表明PbrSTP11定位于細胞膜,這與Zhang等[16]的研究結果一致,表明PbrSTP是一種膜蛋白。
花粉萌發(fā)和花粉管生長是植物生殖發(fā)育的重要過程[17],但是花粉無法進行光合作用并且是共質體分離,因此在花粉管生長過程中碳水化合物必須從雌蕊周圍的組織輸入[8-9]。在離體培養(yǎng)中,蔗糖是花粉萌發(fā)和生長所必需的,目前已在生長的花粉中鑒定出蔗糖轉運體[18-19]。Ylstra等[20]研究發(fā)現(xiàn)矮牽?;ǚ勰軐⑴囵B(yǎng)基中的蔗糖轉化為葡萄糖和果糖,表明花粉細胞壁中具有糖轉化酶的活性,同時也表明花粉管可以吸收單糖。因此探討單糖轉運蛋白在花粉萌發(fā)和生長中的作用至關重要。本試驗利用不同糖種類和濃度培養(yǎng)花粉,發(fā)現(xiàn)含蔗糖的培養(yǎng)基中花粉萌發(fā)率和生長速率都顯著高于含果糖、葡萄糖以及不含糖的培養(yǎng)基。同時,高質量濃度的葡萄糖和果糖抑制了花粉萌發(fā),說明不同糖種類對于梨花粉的萌發(fā)和生長調控機制不同,對于其生長發(fā)育的穩(wěn)態(tài)調控至關重要。
轉錄組數(shù)據(jù)有效評估了擬南芥花粉發(fā)育過程中不同STP基因的表達模式,AtSTP2、AtSTP4、AtSTP6、AtSTP9、AtSTP10、AtSTP11在擬南芥花粉發(fā)育過程中有表達,其中AtSTP2在小配子體發(fā)育早期表達,而AtSTP4、AtSTP6、AtSTP9和AtSTP11則在花粉成熟過程中積累,在萌發(fā)花粉和生長花粉管中,AtSTP11的表達最顯著,AtSTP4和AtSTP10的表達水平雖低,但也同樣顯著[2,21-23]。本研究根據(jù)梨花粉不同發(fā)育時期的轉錄組數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)有18個PbrSTP基因在花粉中表達,其中PbrSTP11(AtSTP11的同源基因)在花粉生長的不同階段都具有較高的表達水平,同時RT-qPCR也證實了PbrSTP11在花粉中特異性表達,這與AtSTP11只在成熟的花粉和花粉管中表達相一致[9]。通過酵母功能互補試驗證實PbrSTP11對葡萄糖、果糖具有轉運能力,并且對葡萄糖的轉運能力高于果糖,且PbrSTP11沒有轉運蔗糖和山梨醇的活性,說明PbrSTP11具有轉運糖的特異性。為了進一步探究梨PbrSTP11調控花粉生長發(fā)育的功能,通過as-ODN技術抑制PbrSTP11基因的表達,發(fā)現(xiàn)梨花粉管的生長減慢,可能是由于花粉生長過程中“庫”端糖類卸載受阻,同時蔗糖水解產(chǎn)生的果糖和葡萄糖在胞外大量積累,不能有效轉運至胞內,從而抑制了花粉管的生長。在含高質量濃度葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的花粉生長受到抑制,進一步證實了胞外葡萄糖抑制花粉管生長的特性。因此,PbrSTP11是將花粉胞外的單糖及時轉運至胞內的關鍵蛋白,對梨花粉的正常生長起重要作用。結合本研究結果,下一步將主要探索PbrSTP11的轉錄調控機制,包括糖信號、生物脅迫以及非生物脅迫等對PbrSTP11蛋白表達的調控,以期為糖分進入梨花粉管的轉運機制和調控生長的功能研究提供理論依據(jù)。