姚新轉(zhuǎn),陳凌霄,張寶會(huì),呂立堂
(1.貴州大學(xué)茶學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;2.貴州大學(xué)農(nóng)業(yè)生物工程研究院/貴州省農(nóng)業(yè)生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550025)
茶樹(shù)(Camelliasinensis(L.) O. Ktze.)是我國(guó)最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的作物之一,茶是世界三大主要飲品之一,茶中含有許多對(duì)人體有益的成分,如:氨基酸、茶多酚、咖啡堿和芳香物質(zhì)等,具有調(diào)節(jié)人體精神狀態(tài),提高人體免疫力和抗菌消炎的作用。隨著對(duì)茶葉的深入研究,β-葡萄糖苷酶對(duì)提高茶葉品質(zhì)和茶樹(shù)抗性育種的重要性不斷被發(fā)掘,成為了非常熱門(mén)的茶葉研究領(lǐng)域。
β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BGLU)屬于水解酶,能夠催化水解芳香基或烴基與糖基原子團(tuán)之間的糖苷鍵生成葡萄糖釋放。經(jīng)過(guò)加熱處理后的茶葉勻漿物加入β-葡萄糖苷酶會(huì)有芳樟醇、香葉醇的生成,可以推測(cè)出在茶葉中有以葡萄糖苷形式存在的芳樟醇、香葉醇的香氣前體[1]。香氣是決定茶葉品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[2],茶葉香型主要是栗香、青草香、清香、高香、花果香、甜香和高火香等[3-4],茶葉含有醇類、脂類、醛類、酮類以及含氮化合物等十余類香氣成分,目前已從茶葉中分離出700多種香氣物質(zhì)[5],香氣形成的途徑主要有四個(gè):其一,兒茶素氧化作用及類胡蘿卜素經(jīng)過(guò)偶聯(lián)氧化降解形成醇及醛類物質(zhì)組成的多種香氣成分,類胡蘿卜素氧化降解形成紫羅蘭酮系等香氣物質(zhì)[6];其二,脂肪酸過(guò)氧化及降解途徑形成青葉醇、己烯醛等化合物[7];其三,氨基酸的脫氨脫羧和美拉德反應(yīng)形成醛類芳香物質(zhì)[8];最后,利用糖苷類香氣前體在葡萄糖苷酶的作用下水解生成相應(yīng)的醇類[9]。白茶萎凋時(shí)間比較長(zhǎng),這一階段是茶葉加工中品質(zhì)形成的重要過(guò)程[10],鮮葉隨著萎凋開(kāi)始大量失水,茶葉中水解酶類活性提高,各種氧化還原反應(yīng)和水解反應(yīng)在葉片內(nèi)部不斷進(jìn)行著,推動(dòng)白茶品質(zhì)的形成[11]。β-葡萄糖苷酶的活性直接影響茶葉的品質(zhì),這些物質(zhì)在茶葉深加工和制藥領(lǐng)域也起著重要的作用。
茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和茶葉產(chǎn)量都會(huì)受到各種生物和非生物脅迫影響,如干旱、高溫、寒冷等不同的逆境脅迫。在茶樹(shù)的進(jìn)化過(guò)程中,茶樹(shù)可以感受到外界脅迫傳遞的信號(hào),從而調(diào)控茶樹(shù)內(nèi)部酶的活性,在一定程度上抵消逆境脅迫帶來(lái)的危害,因此通過(guò)挖掘這種抗性基因來(lái)提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì),增加經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分關(guān)鍵。茶樹(shù)體內(nèi)可能存在含氰糖苷和含氰類脂物質(zhì),當(dāng)茶樹(shù)受到破壞時(shí),經(jīng)β-葡萄糖苷酶水解釋放出氫氰酸,對(duì)生物脅迫和病原真菌有抗性作用[12], 在許多植物中,BGLU基因都以基因家族的方式存在染色體中,參與細(xì)胞壁木質(zhì)化、酶活性的調(diào)控、信號(hào)的傳導(dǎo)以及激素的活化等生理過(guò)程[13-14]。在擬南芥中有48個(gè)BGLU基因[15],在水稻中有40個(gè)BGLU基因[16],擬南芥中的AtBGLU10可以催化產(chǎn)生游離的ABA,以此來(lái)提高植物的抗干旱和抗鹽脅迫能力[17],而水稻OsBGLU基因也會(huì)受到干旱和低溫脅迫誘導(dǎo)表達(dá)[18],說(shuō)明BGLU基因在茶樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育和逆境響應(yīng)過(guò)程中有著很重要的作用。
通過(guò)對(duì)茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從茶樹(shù)基因組中鑒定到BGLU基因,并對(duì)該基因家族成員的蛋白理化性質(zhì)、亞細(xì)胞定位、進(jìn)化關(guān)系、染色體定位等進(jìn)行生物信息學(xué)分析,同時(shí)分析了茶樹(shù)BGLU家族成員在PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫、茉莉酸甲酯處理、鹽脅迫、冷脅迫處理中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),為茶樹(shù)BGLU家族基因機(jī)制和抗逆響應(yīng)中的功能奠定基礎(chǔ)。
在茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)TPIA(http://tpia.teaplant.org/)、植物基因組數(shù)據(jù)庫(kù)(https://plants.ensembl.org/index.html)、擬南芥基因組數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.arabidopsis.org/)中下載茶樹(shù)、擬南芥的全基因組數(shù)據(jù),包括基因組注釋、CDS、染色體定位、蛋白結(jié)構(gòu)等信息,用于茶樹(shù)BGLU基因家族的生物信息學(xué)分析。
利用TBtools上的BLAST功能,結(jié)合茶樹(shù)基因組(http://tpia.teaplant.org)及NCBI((http://www.ncbi.nlm.nih.gov)數(shù)據(jù)庫(kù)確定BGLU基因的CDS序列、蛋白序列;將蛋白序列上傳到NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)在線軟件分析其保守結(jié)構(gòu)域;利用Expasy(https://web.expasy.org/protparam/)上的ProtParam工具預(yù)測(cè)BGLU蛋白序列的蛋白長(zhǎng)度(Length)、分子量(MW)、等電點(diǎn)(PI)。從茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中提取CDS、基因組DNA等信息;最后通過(guò)亞細(xì)胞定位分析軟件WoLF PSORT II(https://www.genscript.com/tools/wolf-psort)預(yù)測(cè)該蛋白在細(xì)胞中的定位情況。
將29個(gè)茶樹(shù)BGLU基因的CDS序列輸入GSDS 2.0(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)中分析其基因結(jié)構(gòu),再由MEME(http://meme-suite.org/)分析29個(gè)茶樹(shù)BGLU基因的保守結(jié)構(gòu)域,motif數(shù)目設(shè)置為15個(gè),motif寬度設(shè)置6~50,利用TBtools繪制保守結(jié)構(gòu)基序的圖片。
從NCBI中下載擬南芥和茶樹(shù)的BGLU基因家族蛋白序列,并利用Clustal W軟件對(duì)FtsH蛋白進(jìn)行多序列比對(duì),分析BGLU基因家族的進(jìn)化關(guān)系。對(duì)29個(gè)茶樹(shù)和35個(gè)擬南芥的BGLU蛋白序列進(jìn)行分析,在MEGA 7.0軟件中采用鄰接法(NJ)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),自展值為1 000,導(dǎo)出進(jìn)化樹(shù)結(jié)果,使用PS軟件進(jìn)行進(jìn)化樹(shù)編輯與美化。
通過(guò)對(duì)茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)TPIA(http://tpia.teaplant.org/)的分析,利用HMM 3.0軟件中的perl 腳本從茶樹(shù)的基因組中獲取BGLU基因的信息,BGLU的基因名稱根據(jù)其在染色體上的位置順序進(jìn)行命名。BGLU基因的染色體定位信息來(lái)源于茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)庫(kù),利用MapInspect軟件對(duì)茶樹(shù)染色體上的BGLU基因進(jìn)行定位。
從茶樹(shù)的基因組中尋找到BGLU基因啟動(dòng)子起始密碼子上游的2 000 bp序列,再分別提交至在線分析軟件PlantCARE(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)和SoftBerry (http://linux1.soft berry.com/all.htm) 進(jìn)行啟動(dòng)子區(qū)域可能含有的順式作用元件和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的預(yù)測(cè)。
根據(jù)鑒定出的茶樹(shù)BGLU基因的編號(hào),在TPIA(http://tpia.teaplant.org)數(shù)據(jù)庫(kù)下載它們?cè)诓铇?shù)不同組織(包括頂芽、嫩葉、成熟葉、老葉、花、莖、根、果)、鹽脅迫、冷脅迫、PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫和MeJA處理后的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)(TPM值),結(jié)果使用TBtools軟件制作熱圖。
通過(guò)擬南芥、茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)BLASTP比對(duì)出來(lái)的假設(shè)CsBGLU基因提交到NCBI-CDD在線網(wǎng)站進(jìn)行保守域的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證,最終得到了29個(gè)茶樹(shù)BGLU基因,并根據(jù)基因在染色體的位置及其同源關(guān)系將其命名。進(jìn)一步對(duì)茶樹(shù)BGLU基因編碼的蛋白質(zhì)進(jìn)行理化性質(zhì)分析(表1),結(jié)果顯示,茶樹(shù)最長(zhǎng)的BGLU蛋白是CsBGLU 06,最短的蛋白是CsBGLU 29;相對(duì)分子量在11.5(CsBGLU 28和CsBGLU 29)~62.4 kD(CsBGLU 14和CsBGLU 15);理論等電點(diǎn)(Pi)介于4.56(CsBGLU 27)~9.34(CsBGLU 19)之間,同時(shí)發(fā)現(xiàn)Pi<7的CsBGLU 蛋白達(dá)到了62.52%(19個(gè))以上,表明大部分CsBGLU蛋白富含酸性氨基酸。BGLU基因家族成員外顯子數(shù)目也不同(表2),不同BGLU基因之間外顯子數(shù)目的變化,體現(xiàn)了該基因受到環(huán)境影響的程度不同,經(jīng)歷了不一樣的進(jìn)化歷程。根據(jù)亞細(xì)胞定位可知茶樹(shù)BGLU基因大部分都定位在液泡中,而CsBGLU 28、CsBGLU 29基因定位在細(xì)胞核和液泡上。
根據(jù)茶樹(shù)BGLU基因組DNA序列和CDS序列提交至GSDS 2.0的結(jié)果進(jìn)行基因結(jié)構(gòu)分析,通過(guò) MEME進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域分析,利用TBtools繪制基因結(jié)構(gòu)、蛋白保守基序。根據(jù)圖1可知,茶樹(shù)BGLU家族有一定的保守性,至少有15個(gè)保守基序(Motif),由圖可知CsBGLU的基序個(gè)數(shù)由2個(gè)(CsBGLU 26、CsBGLU 27、CsBGLU 28、CsBGLU 29)到15個(gè)(CsBGLU 01、CsBGLU 02、CsBGLU 09、CsBGLU 10),Motif 1~Motif 15廣泛分布在茶樹(shù)BGLU基因中, CsBGLU 10和CsBGLU 11擁有相同的保守基序, CsBGLU 14和CsBGLU 15也擁有相同的保守基序, Motif 7除了CsBGLU 17、CsBGLU 18、CsBGLU 19、CsBGLU 21、CsBGLU 23、CsBGLU 24和CsBGLU 25不存在之外在其他CsBGLU都有, Motif 2、Motif 3、Motif 4、Motif 5、Motif 6、Motif 7、Motif 8、Motif 10、Motif 12和Motif 15分布于大部分茶樹(shù)CsBGLU基因中,結(jié)果說(shuō)明這些基序在茶樹(shù)BGLU基因中發(fā)揮著重要的作用。
表1 茶樹(shù)BGLU基因家族基因的特征Table 1 Characteristics of BGLU gene family genes in tea
為了研究茶樹(shù)BGLU基因家族成員的分類,將47個(gè)擬南芥、35個(gè)煙草BGLU的蛋白序列與篩選得到的29條茶樹(shù)BGLU蛋白,總共111個(gè)BGLU蛋白進(jìn)行多序列比對(duì)并構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)(圖2)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙草、茶樹(shù)BGLU基因在四個(gè)亞家族中都有分布,說(shuō)明茶樹(shù)BGLU基因和擬南芥同源性很高,BGLU基因物種分化非常保守,蛋白序列的相似性表明這兩個(gè)物種的BGLU基因可能具有相似的生物學(xué)功能。根據(jù)擬南芥的同源基因分類,將擬南芥、煙草和茶樹(shù)BGLU基因家族分為四個(gè)亞家族,茶樹(shù)BGLU在GroupⅠ~Group Ⅳ亞家族分別有2、11、7、9個(gè)成員。
為了解茶樹(shù)BGLU基因染色體定位分布情況,將鑒定到的29個(gè)CsBGLU基因與茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)TPIA比對(duì)分析,獲取CsBGLU基因在染色體上的起始位置信息,利用TBtools軟件繪制染色體定位(圖3)。結(jié)果顯示,CsBGLU 04、CsBGLU 24、CsBGLU 28基因不能定位到染色體上,其他26個(gè)CsBGLU基因都能定位到染色體上,其中Chr 7號(hào)染色體包含基因個(gè)數(shù)最多,有7個(gè)CsBGLU基因,分別是CsBGLU 10、CsBGLU 11、CsBGLU 12、CsBGLU 14、CsBGLU 15、CsBGLU 16、CsBGLU 20;而Chr 1、Chr 2、Chr 13號(hào)染色體上最少,都只有一個(gè)CsBGLU基因,分別是CsBGLU 13、CsBGLU 08、CsBGLU 17;Chr 4、Chr 9、Chr 10號(hào)染色體不含CsBGLU基因。
表2 BGLU基因家族外顯子數(shù)目及占比Table 2 The exon numbers and proportion of BGLU gene family
為探究茶樹(shù)BGLU基因家族順勢(shì)作用元件情況,將鑒定到的29條CsBGLU基因利用plant CARE軟件確定順勢(shì)作用元件,結(jié)果用Excel軟件制作表格(表3)。結(jié)果表明,大多數(shù)CsBGLU基因還含有脫落酸、赤霉素、生長(zhǎng)素、茉莉酸甲酯、水楊酸等激素類順式作用元件,還有響應(yīng)高溫、低溫、鹽、干旱、冷脅迫的順式作用元件,除此之外還有參與晝夜控制的順式作用元件,參與分生組織表達(dá)的順式作用元件,參與防御和應(yīng)激反應(yīng)的順式作用元件,比如:有72.4%的成員含有干旱脅迫應(yīng)答元件,有58.6%的成員含有脫落酸應(yīng)答件,說(shuō)明CsBGLU基因在參與茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育和響應(yīng)非生物脅迫中具有重要的意義。
圖2 茶樹(shù)和擬南芥BGLU基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)Fig.2 Phylogenetic trees of BGLU gene families in tea and Arabidopsis thaliana
為了解茶樹(shù)BGLU基因家族的表達(dá)情況,從TPIA數(shù)據(jù)庫(kù)下載它們?cè)诓铇?shù)八大組織(花、根、莖、嫩元葉、成熟葉、老葉、頂芽、果實(shí))的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),結(jié)果使用TBtools軟件制作熱圖(圖4)。結(jié)果顯示,CsBGLU在多種組織中均有表達(dá),如:CsBGLU 01、CsBGLU 03、CsBGLU 06、CsBGLU 08、CsBGLU 09、CsBGLU 13、CsBGLU 14、CsBGLU 15、CsBGLU 20在所有組織中均具有較高的表達(dá)水平,而CsBGLU 02、CsBGLU 05、CsBGLU 17、CsBGLU 19、CsBGLU 21、CsBGLU 22、CsBGLU 27在各組織表達(dá)水平較低。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)CsBGLU 14、 CsBGLU 15和CsBGLU 20在各組織中表達(dá)量較高且數(shù)值相同,而CsBGLU 24、CsBGLU 25、CsBGLU 28和CsBGLU 29在各組織中表達(dá)量較低且數(shù)值也一樣。相對(duì)其他基因而言,CsBGLU 01在葉、頂芽和莖中的表達(dá)水平比在其他組織的高,并且它的表達(dá)量隨著葉片的成熟度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但是該基因在果實(shí)表達(dá)量低。由此可見(jiàn)不同CsBGLU基因參與到茶樹(shù)不同部位的生長(zhǎng)過(guò)程。
圖3 茶樹(shù)BGLU基因的染色體位點(diǎn)Fig.3 Chromosome loci of BGLU gene in tea tree
圖4 茶樹(shù)BGLU基因在不同組織中表達(dá)模式Fig.4 The expression pattern of tea BGLU genes in different tissues
本研究對(duì)茶樹(shù)BGLU基因在PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫(0、24、48、72 h)、鹽脅迫處理(0、24、48、72 h)平均溫度達(dá)到10 ℃以上,茉莉酸甲酯處理(0、24、48 h)以及冷處理(非馴化ck;最低點(diǎn),完全馴化CA 1;平均溫度達(dá)到10 ℃以上,去馴化CA 3)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,結(jié)果顯示,在干旱脅迫下,與其他基因的表達(dá)水平相比,CsBGLU 01、CsBGLU 03、CsBGLU 08、CsBGLU 14、CsBGLU 15、CsBGLU 20的表達(dá)量在0 h都較高,在24 h后受到了干旱抑制,48 h后表達(dá)量有所上升,最后在72 h下降;CsBGLU 06基因的表達(dá)量在干旱下被抑制(圖5 A)。
表3 茶樹(shù)BGLU順式作用元件分析Table 3 Cis-elements analysis of tea BGLU genes
在鹽脅迫處理下,CsBGLU 01、CsBGLU 03、CsBGLU 06、CsBGLU 14、CsBGLU 15、CsBGLU 17、CsBGLU 20等基因的表達(dá)量在鹽脅迫下被抑制;CsBGLU 09基因受鹽脅迫時(shí)表達(dá)量急劇增高,隨著時(shí)間延長(zhǎng),在48 h和72 h慢慢下降;CsBGLU 08基因在24 h和48 h鹽脅迫下都具有較高的表達(dá)量,在72 h表達(dá)量大幅度降低;CsBGLU 10、CsBGLU 11、CsBGLU 16的表達(dá)量在24 h被顯著誘導(dǎo)上調(diào),而在48 h和72 h時(shí)下調(diào)(圖5 B)。
在茉莉酸甲酯誘導(dǎo)下,CsBGLU 08、CsBGLU 12、CsBGLU 14、CsBGLU 15、CsBGLU 20的表達(dá)量在12 h和24 h受到抑制,而在48 h被誘導(dǎo)上調(diào),總體呈先降低后升高的趨勢(shì);而CsBGLU 17的表達(dá)水平在MeJA 處理后的12 h或24 h時(shí)誘導(dǎo)上調(diào),而在48 h時(shí)受到抑制;CsBGLU 01基因在MeJA處理過(guò)程中的表達(dá)量較高,在48 h的表達(dá)量最高;同時(shí)發(fā)現(xiàn)CsBGLU 03、CsBGLU 06的表達(dá)量波動(dòng)不大,受 MeJA 處理的影響較小(圖 5 C)。
在冷處理下,CsBGLU 14、CsBGLU 15、CsBGLU 20的表達(dá)量在CA 1被小幅度誘導(dǎo)上調(diào),在CA 3急劇上調(diào);CsBGLU 08的表達(dá)量在CA 1和CA 3時(shí)都受到抑制;CsBGLU 24、CsBGLU 25、CsBGLU 28、CsBGLU 29的表達(dá)量在CA 1被抑制,在CA 3急劇上升;CsBGLU 07、CsBGLU 13、CsBGLU 23、CsBGLU 26的表達(dá)量在CA 1誘導(dǎo)上調(diào),在CA 3受到抑制(圖5 D)。
圖5 BGLU基因在干旱(A)、鹽(B)、茉莉酸甲酯(C)和冷(D)脅迫下的表達(dá)分析Fig.5 Expression analysis of BGLU gene under drought (A), salt (B), methyl jasmonate (C) and cold (D) stress
該研究在全基因組水平上一共鑒定到29個(gè)茶樹(shù)CsBGLU基因。CsBGLU基因等電點(diǎn)范圍(PI)介于4.56(CsBGLU 27)~9.34(CsBGLU 19)之間,同時(shí)發(fā)現(xiàn)PI<7的CsBGLU 蛋白達(dá)到了62.52%(19個(gè))以上,表明大部分CsBGLU蛋白富含酸性氨基酸,可能會(huì)在酸性環(huán)境下發(fā)揮重要作用。通過(guò)亞細(xì)胞定位可知BGLU基因大部分都定位在液泡上,有部分定位在細(xì)胞核。將煙草、茶樹(shù)BGLU基因進(jìn)行多序列比對(duì)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),并分為4個(gè)亞家族,由圖2可知,茶樹(shù)BGLU基因在4個(gè)亞家族中都有分布,說(shuō)明煙草、茶樹(shù)BGLU基因同源性很高;茶樹(shù)BGLU基因分布在7號(hào)染色體上的基因最多,有7個(gè);從茉莉酸甲酯、冷脅迫、鹽脅迫、PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫后的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)得到熱圖了解到,當(dāng)茶樹(shù)受到各種脅迫時(shí)BGLU基因表達(dá)量的改變有助于發(fā)掘更多的抗脅迫基因。
茶樹(shù)是多年生植物,同樣是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物,在茶樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育中,會(huì)受到環(huán)境和人為的影響。BGLU基因在茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育和響應(yīng)非生物脅迫中具有重要的作用,而目前為止對(duì)茶樹(shù)BGLU基因家族的研究還未見(jiàn)報(bào)道,所以本研究根據(jù)生物信息學(xué)分析,了解到茶樹(shù)BGLU基因廣泛參與到茶樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫,對(duì)茶樹(shù)BGLU基因家族的每個(gè)成員進(jìn)行鑒定,篩選出對(duì)脅迫具有敏感性的基因,為深入了解β-葡萄糖苷酶在提高茶葉品質(zhì)和茶樹(shù)抗性育種中的作用奠定了基礎(chǔ)。