劉珂飴, 唐千惠, 張欣, 韋清俊, 曾亮, 吳致君
1. 西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2. 西南大學(xué) 種質(zhì)創(chuàng)制大科學(xué)中心,重慶 401125;3. 西南大學(xué) 川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶 400715;4. 西南大學(xué) 茶葉研究所,重慶 400715
核因子Y(nuclear factor Y, NF-Y)轉(zhuǎn)錄因子, 又稱為CCAAT結(jié)合因子(CBFs)或血紅素激活蛋白(HAPs), 通過與啟動子CCAAT-box元件結(jié)合調(diào)控下游基因轉(zhuǎn)錄[1]. CCAAT-box是真核生物生命活動重要的調(diào)控元件, 存在于30%真核啟動子中[2]. 植物中NF-Y家族由NF-YA,NF-YB和NF-YC亞家族成員組成[3]. NF-YA蛋白存在A1和A2兩個α螺旋結(jié)構(gòu)域組成的保守核心區(qū)域, 負責直接與CCAAT-box元件特異性結(jié)合[4-5]. NF-YA發(fā)揮轉(zhuǎn)錄功能還需要NF-YB和NF-YC參與互作, 聚合形成異三聚體復(fù)合物[6-7]. NF-YB和NF-YC蛋白的保守結(jié)構(gòu)域由3個α螺旋、 2個β鏈環(huán)和1個短αC螺旋組合而成[5-6, 8-9]. 此外, 異二聚體復(fù)合物NF-YB-YC還可以與其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合, 形成非典型的三聚體復(fù)合物, 結(jié)合到目標基因的啟動子區(qū)域順式元件上發(fā)揮作用[10-12].
光是植物賴以生存的基礎(chǔ),NF-Y家族部分成員響應(yīng)光且介導(dǎo)了光信號的調(diào)控[13-18]. 小麥光照處理后, 葉片中TaNF-YC3/5/8/9/11/12基因表達上調(diào)[14]. 在擬南芥中,AtNF-YA5和AtNF-YB9的T-DNA插入突變體表現(xiàn)出藍光介導(dǎo)的Lhcb基因表達水平降低[13];AtNF-YC1/3/4/9在光照條件下通過與組蛋白脫乙酰酶HDA15相互作用, 調(diào)節(jié)相關(guān)染色單體上的組蛋白H4乙?;? 從而抑制下胚軸伸長相關(guān)基因表達[17];AtNF-YC9在光介導(dǎo)下胚軸伸長過程中發(fā)揮抑制油菜素內(nèi)酯生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的雙重作用[16]. 小麥TaNF-YB3和馬鈴薯StNF-YB3的過表達顯著提高葉綠素生物合成途徑關(guān)鍵限速酶基因GluTR的表達水平[15, 18]. 研究發(fā)現(xiàn),NF-Y基因的過表達提高了植株對干旱、 高溫、 低溫、 洪澇、 鹽害等非生物脅迫的抗性, 轉(zhuǎn)基因植株中葉綠素質(zhì)量分數(shù)通常更高[19-21].
茶樹(CamelliasectThea)是一種山茶科、 山茶屬常綠木本經(jīng)濟植物, 廣泛種植于世界各地[22]. 葉綠素是茶葉中重要的色素成分, 其含量的高低與茶葉色澤品質(zhì)密切相關(guān)[23]. 茶樹中葉綠素易受環(huán)境光強的影響, 強光下易發(fā)生部分降解, 而適度遮蔭可促進其含量增加[24-25]. 研究發(fā)現(xiàn), 茶樹葉綠素代謝途徑的結(jié)構(gòu)基因, 包括GluTR、POR、CAO等, 受到了光信號調(diào)控[24]. 遮蔭條件下, 茶樹CsPIF7和CsHY5光信號通路轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)葉綠素代謝途徑基因CsPOR影響葉綠素的合成和降解[26-27]. 然而, 葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因光響應(yīng)啟動子元件眾多, 仍可能存在其他的光響應(yīng)調(diào)控路徑. 研究發(fā)現(xiàn), 茶樹NF-Y家族基因啟動子區(qū)域的光響應(yīng)元件數(shù)量和種類較多[28]. 轉(zhuǎn)錄組分析顯示, 光強引起了茶樹中部分NF-Y家族基因的表達差異[29], 并且茶樹葉綠素代謝途徑部分結(jié)構(gòu)基因啟動子區(qū)域存在CCAAT-box元件[30-31]. 因此,NF-Y家族基因可能在光信號中介導(dǎo)了茶樹葉綠素的代謝調(diào)控.
本研究通過對光強處理樣本轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析與檢索, 獲得了茶樹NF-Y家族和葉綠素代謝途徑中響應(yīng)光強信號的差異表達基因. 通過生物信息學(xué)分析, 以及光強處理茶葉中葉綠素質(zhì)量分數(shù)和基因表達實時熒光定量qRT-PCR檢測, 對可能調(diào)控葉綠素代謝的CsNF-Y家族成員進行了關(guān)聯(lián)與篩選. 本研究為光介導(dǎo)的茶樹葉綠素代謝調(diào)控研究提供了新的思路.
供試材料選用茶樹品種“福鼎大白茶”一年生扦插苗, 購自南京雅潤茶葉有限公司. 將茶樹幼苗種植于蛭石和營養(yǎng)土混合基質(zhì)的塑料盆中, 放置于人工氣候光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)30 d. 培養(yǎng)條件為: 溫度25 ℃、 相對濕度75%±5%、 光照160 μmol/(m2·s)、 光周期晝/夜為16 h / 8 h. 將預(yù)培養(yǎng)30 d后的茶樹幼苗分成4組, 分別暴露于15,160,200,240 μmol/(m2·s)光強下, 其他條件保持一致. 在光處理15 d時取幼苗第一葉和第二葉的混合樣品, 液氮速凍后保存于-80 ℃超低溫冰箱中, 用于總RNA的提取和葉綠素質(zhì)量分數(shù)的測定. 每個處理設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù), 采集的0 d樣品作為空白對照.
茶樹CsNF-Y家族基因基于基因組測序數(shù)據(jù)(https//tpia. teaplant. org/)和之前的鑒定報道[32-33]. 將擬南芥信息資源庫(https: //www. arabidopsis. org/)中獲得的葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因序列用作同源對比, 檢索茶樹基因組中注釋的葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因. 從本地茶樹轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中獲取茶樹CsNF-Y家族和葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因在光強處理下的FPKM值, 利用Heatmapper網(wǎng)站(http: //www. heatmapper. ca/expression/)繪制熱圖. 啟動子區(qū)域的檢索采用BioEdit軟件完成, 繪圖通過TBtools軟件完成.
采用無水乙醇與丙酮(V∶V=1∶2)浸提比色法測定葉綠素質(zhì)量分數(shù). 將茶樹葉片取下用蒸餾水清洗表面, 去掉中脈, 稱取約0.1 g放入研缽中. 加入1 mL蒸餾水, 在弱光條件下充分研磨, 轉(zhuǎn)入10 mL試管中. 用乙醇丙酮混合液沖洗研缽, 將所有沖洗液轉(zhuǎn)入10 mL試管中, 用乙醇丙酮混合液定容至10 mL, 置于黑暗條件下浸提3 h. 在645 nm和663 nm波長下測定提取液吸光度值, 每個樣品測定3次. 葉綠素質(zhì)量分數(shù)計算公式為: 葉綠素質(zhì)量分數(shù)(mg/g)=2.021×WOD645+0.802×WOD663. 利用SPSS軟件分析葉綠素質(zhì)量分數(shù)和基因表達譜皮爾遜相關(guān)性.
利用Quick RNA Isolation Kit試劑盒(北京華越洋生物科技有限公司)提取樣品中總RNA, 用反轉(zhuǎn)錄試劑盒GoldenstarTMRT6 cDNA Synthesis Kit(北京擎科生物科技有限公司)合成cDNA. 利用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計qRT-PCR檢測引物(表1). 茶樹CsTIP41作為光強處理的內(nèi)參基因[34]. 熒光試劑為MonAmpTMChemoHS qPCR Mix(Monad). 使用CFX96TMReal-Time System熒光定量PCR儀(美國伯樂公司)測定候選CsNF-Y基因表達譜. qRT-PCR擴增體系(20 μL): 10 μL MonAmpTMChemoHS qPCR Mix(Monad), 各1 μL正、 反向檢測引物, 2 μL模板cDNA和6 μL Nuclease-Free Water. 擴增程序為: 95 ℃預(yù)變性10 min; 95 ℃變性10 s, 60 ℃退火延伸30 s, 40個循環(huán). 3次生物學(xué)重復(fù)后, 采用2-ΔΔCt的方法計算基因的相對表達水平[35].
表1 qPT-PCR所用內(nèi)參基因和引物序列
根據(jù)之前的報道, 茶樹基因組中存在45個CsNF-Y家族基因[32]. 光強處理轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析顯示, 34個CsNF-Y基因在光照條件下響應(yīng)表達, 其中9個為差異表達基因(圖1a). 在LT4處理中,CsNF-YA5,CsNF-YA10和CsNF-YB19是顯著上調(diào)的, 而CsNF-YA6,CsNF-YA8,CsNF-YB8,CsNF-YB9,CsNF-YC5和CsNF-YC6是顯著下調(diào)的. 除此之外, 在LT4處理中,CsNF-YA2,CsNF-YB5,CsNF-YB17,CsNF-YB20,CsNF-YC3和CsNF-YC11呈現(xiàn)上調(diào)趨勢,CsNF-YA4,CsNF-YA7,CsNF-YB2,CsNF-YB7,CsNF-YB10和CsNF-YC8呈現(xiàn)下調(diào)趨勢. 進一步通過qRT-PCR方法驗證差異表達基因在4組光強條件下(LT1,LT2,LT3和LT4)的表達規(guī)律. 結(jié)果顯示,CsNF-YA5和CsNF-YA10的相對表達水平隨光強增加呈上升的趨勢, 而其他基因與強光差異的線性關(guān)系不明顯(圖1b).CsNF-YB19的相對表達水平呈先下降后上升的趨勢,CsNF-YA6,CsNF-YA8,CsNF-YB8,CsNF-YB9,CsNF-YC5和CsNF-YC6的相對表達水平呈先上升后下降的趨勢. 熒光定量結(jié)果中CsNF-YA5,CsNF-YA8和CsNF-YA10的表達趨勢與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)是一致的. 其他幾個基因表達盡管在兩種檢測中存在差異, 但似乎具有一定的規(guī)律: 隨光強增加, 轉(zhuǎn)錄組中下調(diào)的差異基因在熒光定量檢測中呈先上升后下降的趨勢, 而轉(zhuǎn)錄組中上調(diào)的差異基因在熒光定量檢測中呈先下降后上升的趨勢(圖1).
LT1,LT2,LT3,LT4光強處理分別為15,160,200,240 μmol/(m2·s).
a為茶樹CsNF-Y家族基因轉(zhuǎn)錄組熱圖; b-j為差異表達基因的qRT-PCR分析圖.圖1 不同光強處理下茶樹CsNF-Y家族基因轉(zhuǎn)錄組熱圖及差異表達基因的qRT-PCR分析
通過同源比對, 從茶樹基因組中檢測到18種酶參與了葉綠素的代謝(圖2a). 光強處理轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析顯示, 40個編碼基因在光照條件下響應(yīng)表達, 其中8個為差異基因(圖2a). 在LT4處理中,CsUROS,CsMgCh1,CsMgCh2,CsDVR1,CsCHLG和CsCBR2是顯著上調(diào)的, 而CsPOR1,CsPOR3是顯著下調(diào)的. 除此之外, 在LT4處理中,CsGluTRs,CsGSA-AM1,CsPBGS1,CsPBGDs,CsUROD3,CsCPOXs,CsCBR1,CsHCAR和CsSGR2等基因呈現(xiàn)上調(diào)趨勢,CsPBGS2,CsUROD2,CsPPOX和CsCAO等基因呈現(xiàn)下調(diào)趨勢. 在LT4處理中, 葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因表達整體呈上調(diào)趨勢, 在葉綠素生物合成途徑末端幾個基因下調(diào)表達較明顯. 進一步通過qRT-PCR方法驗證差異表達基因在4組光強條件下(LT1,LT2,LT3,LT4)的表達規(guī)律. 結(jié)果顯示:CsUROS,CsMgCh1,CsMgCh2,CsCBR2和CsCHLG的相對表達水平隨光強增加而呈上升的趨勢, 而其他基因與強光差異的線性關(guān)系不明顯(圖2b).CsDVR1的相對表達水平呈先升后降的趨勢,CsPOR1的表達水平呈先降后升的趨勢,CsPOR3的相對表達水平呈整體下降趨勢. 熒光定量結(jié)果中, 除了CsPOR1, 其他7個基因的表達趨勢與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)是一致的(圖2).
LT1,LT2,LT3,LT4光強處理分別為15,160,200,240 μmol/(m2·s).
CCAAT-box是NF-Y轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的特異結(jié)合位點, 有正向和反向兩種類型[36]. 為了分析茶樹中NF-Y家族對葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因可能的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用, 利用BioEdit軟件對葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因上游1 000 bp啟動子區(qū)域內(nèi)的CCAAT-box元件進行檢索(圖3). 結(jié)果顯示, 33個基因啟動子區(qū)域中共發(fā)現(xiàn)114個CCAAT-box元件, 其中正向56個和反向58個. 其他7個基因, 包括CsUROD1,CsCPOX1,CsMgPMT,CsDVR3,CsCHLG,CsHCAR和CsSGR3, 啟動子區(qū)域不含CCAAT-box元件. 所有檢測基因的CCAAT-box元件數(shù)量在0~13范圍. CCAAT-box元件最多的基因是CsGSA-AM1和CsGSA-AM2, 均含有13個CCAAT-box元件. 其次,CsGluTR3,CsCPOX2,CsMgPMEC1和CsMgPMEC1基因啟動子區(qū)域含5或6個CCAAT-box元件. 大多數(shù)基因啟動子區(qū)域的CCAAT-box元件數(shù)量在3個以內(nèi).CsPBGS1,CsUROD2,CsMgCh1,CsMgCh3,CsDVR1,CsCBR1,CsSGR1和CsSGR4只含正向CCAAT-box元件, 而CsPBGD1,CsPBGD2,CsUROS,CsPOR2,CsPOR3和CsCAO只含反向ATTGG-box元件. 此外,CsGluTR1,CsUROS,CsMgCh2和CsSGR2基因上游100 bp內(nèi)含有CCAAT-box元件.
a為茶樹葉綠素代謝途徑基因轉(zhuǎn)錄組熱圖; b-j為差異表達基因的qRT-PCR分析圖.圖2 不同光強處理下茶樹葉綠素代謝途徑基因轉(zhuǎn)錄組熱圖及差異表達基因的qRT-PCR分析
圖3 葉綠素代謝途徑結(jié)構(gòu)基因啟動子區(qū)域CCAAT-box元件分析
茶樹葉綠素質(zhì)量分數(shù)受到環(huán)境光強條件的影響[24-25]. 為了分析茶樹葉綠素質(zhì)量分數(shù)受光強影響的變化規(guī)律, 通過無水乙醇與丙酮浸提比色法測定了4組光強條件下(LT1,LT2,LT3,LT4)的葉綠素質(zhì)量分數(shù). 結(jié)果顯示, 葉綠素質(zhì)量分數(shù)隨光強的增加呈下降的趨勢(圖4c). 為了解CsNF-Y差異基因是否與葉綠素代謝相關(guān), 將4組光強條件下CsNF-Y與葉綠素代謝途徑差異表達基因的qRT-PCR結(jié)果進行皮爾遜相關(guān)性分析. 結(jié)果顯示,CsNF-YA5,CsNF-YA10的表達水平與CsUROS,CsMgCh1,CsMgCh2,CsCBR2和CsCHLG的表達量呈顯著正相關(guān), 與CsPOR3的表達水平呈顯著負相關(guān)(圖4a和4b). 同樣采用皮爾遜相關(guān)性方法, 對4組光強條件下葉綠素代謝途徑差異基因qRT-PCR結(jié)果和葉綠素質(zhì)量分數(shù)之間的相關(guān)性進行分析. 結(jié)果顯示,CsUROS,CsMgCh2和CsCBR2的表達量與葉綠素質(zhì)量分數(shù)顯著負相關(guān)(圖4b和4c). 因此, 從相關(guān)性角度,CsUROS,CsMgCh2和CsCBR2可能建立了CsNF-YA5,CsNF-YA10與葉綠素代謝之間的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控關(guān)系.
LT1,LT2,LT3,LT4光強處理分別為15,160,200,240 μmol/(m2·s).
實線代表正相關(guān), 虛線代表負相關(guān)(p<0.05).圖4 不同光強處理下CsNF-Y家族基因參與葉綠素代謝調(diào)控的相關(guān)性分析
研究表明, 植物NF-Y家族部分成員參與了光響應(yīng)調(diào)控[13-18]. 本研究發(fā)現(xiàn), 茶樹CsNF-Y的轉(zhuǎn)錄表達與光強條件密切相關(guān), 其中9個為統(tǒng)計上的差異表達基因, 涉及NF-YA,NF-YB和NF-YC亞家族. 通過同源基因的物種間比較,NF-Y家族基因的光響應(yīng)調(diào)控可能存在物種差異[14,37]. 小麥暴露于500 μmol/(m2·s)光強中, 葉片中TaNF-YC3/5/8/9/11/12的表達水平上調(diào), 而擬南芥暴露于同等光強下, 多個NF-YC亞家族成員(AtNF-YC1,AtNF-YC4和AtNF-YC8)表達水平下調(diào)[14, 37]. 在茶樹中,AtNF-YC1/4的同源基因CsNF-YC1/2在光照下未檢測到表達. 此外,NF-Y家族基因的光響應(yīng)表達與光照強度也有關(guān). 當擬南芥暴露于20 μmol/(m2·s)光強時, 葉片中AtNF-YC4的表達水平出現(xiàn)了上調(diào)[37]. 本研究通過4組光強的檢測發(fā)現(xiàn)光響應(yīng)的NF-Y家族基因的確在差異光強中表達水平是不穩(wěn)定的. 差異表達基因的熒光定量結(jié)果顯示, 茶樹NF-Y家族基因在一定范圍內(nèi)的光強響應(yīng)存在幾種表達模式, 包括上調(diào)、 先上調(diào)后下調(diào)和先下調(diào)后上調(diào), 表明茶樹NF-Y家族基因在光強響應(yīng)下可能參與多種生物學(xué)過程.
植物中葉綠素代謝受到了光信號的調(diào)控已在許多文獻中被報道[31, 38-41]. 本研究發(fā)現(xiàn), 茶樹葉綠素代謝途徑中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄表達與光強條件密切相關(guān), 其中8個為統(tǒng)計上的差異表達基因, 對應(yīng)編碼UROS,DVR,MgCh,POR,CHLG和CBR酶. UROS,DVR,MgCh,POR和CHLG參與葉綠素的生物合成, 催化羥甲基膽色素原到葉綠素a/b合成過程, 而CBR是葉綠素降解過程中的關(guān)鍵酶, 催化葉綠素b產(chǎn)生7-羥甲基葉綠素a, 從而激活葉綠素降解過程[42]. 熒光定量結(jié)果顯示, 這些基因在差異光強中表達模式具有一定的規(guī)律, 其中CsUROS,CsMgCh1,CsMgCh2,CsDVR1,CsCHLG和CsCBR2的表達水平隨光強增強而上調(diào),CsPOR3的表達水平隨光強增強而下調(diào),CsPOR1的表達水平隨光強增強呈先下調(diào)后上調(diào)的特征. 在不同植物中, 葉綠素代謝途徑中這些同源基因存在相似的光強響應(yīng)特征[31, 38-41]. 蘭花在光處理后, 葉片中UROS基因表達上調(diào)[38]; 擬南芥AtCHLG基因受光誘導(dǎo)表達[39]; 薇甘菊POR基因表達在強光中下調(diào)[40]; 鹽藻DsCBR基因表達在強光中上調(diào)[41]; 茶樹品種“黃金芽”遮光處理后, 葉片中CsDVR和CsMgCh基因表達顯著下調(diào)[31]. 我們注意到在葉綠素合成途徑末端茶樹CsPORs和CsCAO基因下調(diào)明顯, 且降解關(guān)鍵酶編碼基因CsCBR2顯著上調(diào). 研究表明, 擬南芥CBR酶編碼基因在強光中上調(diào)表達激活了葉綠素的降解程序[42]. 因此, 茶樹葉綠素途徑結(jié)構(gòu)基因表達盡管受強光誘導(dǎo)整體呈上調(diào)趨勢, 但這些基因可能在調(diào)控光強介導(dǎo)的葉綠素降解過程中發(fā)揮了重要作用.
CCAAT-box元件存在于動物、 植物和酵母的基因啟動子中, 可以通過與NF-Y轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合進而調(diào)控基因的表達[36, 43]. 研究發(fā)現(xiàn), NF-Y轉(zhuǎn)錄因子與CCAAT-box的親和力與CCAAT側(cè)翼序列、 基因距離有關(guān)[36, 43]. 高親和力的CCAAT-box結(jié)合位點含有[T/C][A/G][A/G]作為5’側(cè)翼序列, CA作為3’側(cè)翼序列, 側(cè)翼序列含有的核苷酸相似度越高, 親和力越高[43]. 通常, CCAAT-box主要出現(xiàn)于60~100 bp起始位點間[2]. 本研究通過對比茶樹葉綠素途徑結(jié)構(gòu)基因表達與啟動子區(qū)域CCAAT-box元件數(shù)量、 位置, 發(fā)現(xiàn)基因的表達水平與CCAAT-box元件數(shù)量無明顯關(guān)聯(lián), 而可能與該元件所在位置有關(guān). 啟動子區(qū)域100 bp內(nèi)存在CCAAT-box元件的基因, 包括CsGluTR1,CsUROS,CsMgCh2和CsSGR2, 均在強光中具有上調(diào)表達的趨勢. 茶樹NF-Y可能在光信號中參與了這幾個基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控. 在小麥和馬鈴薯中已發(fā)現(xiàn),GluTR基因的表達受到了NF-Y的調(diào)控[15, 18]. 在關(guān)聯(lián)分析中,CsUROS,CsMgCh2和CsCBR2基因響應(yīng)光強的上調(diào)表達模式與葉綠素質(zhì)量分數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系, 且與CsNF-YA5,CsNF-YA10的表達水平呈顯著正相關(guān).CsCBR2基因在0~100 bp起始位點間未發(fā)現(xiàn)CCAAT-box, 但在1 000 bp內(nèi)的ATTGG側(cè)翼存在TTG序列, 該側(cè)翼是否增強了NF-Y對結(jié)合位點的親和力尚待研究. 擬南芥NF-YA亞家族基因的過表達對葉綠素代謝的影響存在個體差異, 如過表達AtNF-YA5引起了葉綠素質(zhì)量分數(shù)的下降, 而過表達AtNF-YA7促進了葉綠素的形成[20,44]. 本研究中, 茶樹在強光中葉綠素的降解與NF-YA亞家族基因CsNF-YA5,CsNF-YA10表達上調(diào)是有關(guān)的.CsNF-YA5,CsNF-YA10可能通過CsUROS,CsMgCh2和CsCBR2參與了葉綠素代謝的調(diào)控.