霍清清 夏雨新 李佳樂(lè) 韓 薇 張書(shū)雅 張哲 夏美玲 郭雯華 由香玲
(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院東北鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150040)
龍牙楤木(Aralia elata(Miq.)Seem),又名遼東楤木,屬五加科(Araliaceae)楤木屬落葉小喬木或灌木。龍牙楤木主要分布在我國(guó)東北地區(qū),以及俄羅斯、朝鮮和日本等地[1]。龍牙楤木具有較高的藥、食兩用價(jià)值,在保肝[2]、抗腫瘤[3-4]、抗炎[5]、降血糖[6-7]等方面有不同程度的藥理作用。近年來(lái)已從龍牙楤木的根、莖、葉、芽等部位中分離出大量活性成分,其中研究最多的為楤木皂苷[8],其結(jié)構(gòu)主要為齊墩果烷型五環(huán)三萜皂苷。
齊墩果烷型五環(huán)三萜皂苷主要是通過(guò)甲羥戊酸(MVA)途徑合成[9-12],而β-香樹(shù)素合成酶(β-AS)是皂苷合成途徑中的一個(gè)關(guān)鍵限速酶,其作用位點(diǎn)為三萜皂苷生物合成途徑的下游階段[13],是生物合成三萜皂苷的第一步,將2,3-氧化鯊烯催化合成β-香樹(shù)素?,F(xiàn)已從人參(Panax ginsengC.A.Mey)[14]、擬南芥(Arabidopsis thaliana)[15]、甘草(Glycyrrhiza uralensis)[16]、竹節(jié)參(Pana japonica)[17]等植物中克隆得到編碼β-香樹(shù)素合成酶基因的cDNA 序列。Wu等[18]首次從遼東楤木中克隆得到Aeβ-AS基因,并在酵母中成功表達(dá),但Aeβ-AS在植物中的表達(dá)尚鮮見(jiàn)報(bào)道。
本研究以龍牙楤木體胚苗為材料,應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)克隆齊墩果烷型皂苷生物合成途徑中一個(gè)關(guān)鍵限速酶β-AS基因,并構(gòu)建植物表達(dá)載體對(duì)煙草進(jìn)行異源轉(zhuǎn)化。該研究為進(jìn)一步解析龍牙楤木中三萜代謝合成途徑,利用基因工程手段來(lái)提高齊墩果烷型三萜皂苷的產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。
本研究所用材料為龍牙楤木(Aralia elata)體胚苗,由東北鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室龍牙楤木愈傷組織接種在分化培養(yǎng)基上培養(yǎng)得到,培養(yǎng)基配方為SH+3.0 mg·L-1IBA+30 g·L-1蔗糖;野生型煙草(Nicotiana tabacum)組培苗。
通用植物總RNA提取試劑盒(離心柱型)購(gòu)自北京百泰克生物技術(shù)有限公司;質(zhì)粒提取試劑盒、膠回收試劑盒購(gòu)自北京BioFlux 公司;DNA marker、PCR 相關(guān)試劑、限制性內(nèi)切酶、PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser 均購(gòu)自大連寶生物科技公司;TransStart?FastPfuDNA Polymerase,Trans1-T1 Phage Resistant Chemically Competent Cell,TransStart? Green qPCR SuperMix 均購(gòu)于北京全式金生物技術(shù)有限公司;農(nóng)桿菌(Agrobacterium)GV3101 由東北鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保存;植物表達(dá)載體pROKⅡ質(zhì)粒由山東師范大學(xué)張慧教授惠贈(zèng);試驗(yàn)所用引物合成、測(cè)序服務(wù)由北京擎科生物科技有限哈爾濱分公司完成。
參照BioTeKe 公司RNA 提取試劑盒說(shuō)明書(shū),提取龍牙楤木體胚苗的總RNA,檢測(cè)純度和濃度后,以0.5 μg 總RNA 為材料,利用PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser 試劑盒反轉(zhuǎn)錄合成第一鏈cDNA。根據(jù)龍牙楤木Aeβ-AS基因序列[19](GenBank:HM219225)并結(jié)合植物表達(dá)載體pROKⅡ序列的多克隆位點(diǎn)設(shè)計(jì)特異性引物擴(kuò)增目的片段,所用引物見(jiàn)表1。PCR 反應(yīng)體系為模板2 μL,引 物Aeβ-AS-F 1 μL、Aeβ-AS-R 1 μL、5×buffer 10 μL、FastPfu1 μL、dNTP 4 μL,用ddH2O 補(bǔ)足至50 μL,反應(yīng)條件為95 ℃ 2 min;95 ℃ 20 s,58 ℃20 s,72 ℃ 2 min 40 s,共40 個(gè)循環(huán);72 ℃ 5 min。反應(yīng)結(jié)束后,取2 μL PCR 產(chǎn)物進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳分析。
表1 試驗(yàn)中所用的引物Table 1 Primer sequences used in this study
利用同源重組的方法將質(zhì)粒與pROKⅡ載體按一定比例混合,在重組酶的催化下,37 ℃反應(yīng)30 min,完成表達(dá)載體的構(gòu)建,具體方法參照說(shuō)明書(shū)。利用液氮凍融法將pROKⅡ-Aeβ-AS質(zhì)粒轉(zhuǎn)入到農(nóng)桿菌GV3101感受態(tài)細(xì)胞內(nèi),隨機(jī)挑取單克隆進(jìn)行PCR 檢測(cè),擴(kuò)增引物pROKⅡ-F 和pROKⅡ-R序列見(jiàn)表1。
參照李爽等的煙草遺傳轉(zhuǎn)化方法,并進(jìn)行修改。將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的無(wú)菌野生型煙草葉片切成長(zhǎng)寬1.0 cm 大小的葉片,浸泡到制備好的菌液中(OD 值為0.2~0.3)侵染10 min,共培養(yǎng)2 d 后,轉(zhuǎn)移到含有40 mg·L-1卡那霉素和200 mg·L-1特美汀的分化培養(yǎng)基中,每隔1 d更換1次培養(yǎng)基直至無(wú)菌。待長(zhǎng)出不定芽后,將不定芽轉(zhuǎn)移到生根培養(yǎng)基中進(jìn)行生根培養(yǎng),得到再生植株。
對(duì)抗性植株進(jìn)行分子檢測(cè),用CTAB法提取煙草葉片DNA,以pROKⅡ-F 和pROKⅡ-R 為引物進(jìn)行PCR 反應(yīng),并用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),篩選出陽(yáng)性轉(zhuǎn)基因株系。
利用通用植物總RNA提取試劑盒(離心柱型)提取煙草轉(zhuǎn)基因株系的T0 代純合體葉片、莖和根的總RNA,以反轉(zhuǎn)錄后的cDNA 為模板,以Ntactin基因?yàn)閮?nèi)參基因,利用北京全式金生物技術(shù)有限公司的熒光定量試劑盒進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR。反應(yīng)體系:模板cDNA 2 μL,2×Mix 10 μL,上、下游引物各0.4 μL,Dye 0.4 μL,用ddH2O補(bǔ)足至總體積為20 μL。擴(kuò)增條件:95 ℃ 5 min;95 ℃ 30 s,60 ℃34 s,40 個(gè)循環(huán)。利用2-ΔΔCt法對(duì)Aeβ-AS基因的相對(duì)表達(dá)量進(jìn)行計(jì)算。
提取轉(zhuǎn)基因株系的T0 代純合體及野生型煙草葉片的總RNA。以反轉(zhuǎn)錄后的cDNA 為模板,以Ntactin基因?yàn)閮?nèi)參基因,進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR。具體步驟參照2.4。利用2ΔCt法分析定量數(shù)據(jù),計(jì)算不同株系中Aeβ-AS基因的相對(duì)表達(dá)量。
以香草醛-冰醋酸法檢測(cè)轉(zhuǎn)基因煙草總?cè)频暮浚?9-20]。將收獲的T1 代純合體煙草植株烘干并研磨,稱取0.05 g 樣品,以4 mL 95%乙醇浸泡24 h 后超聲40 min,70 ℃水浴萃取1 h,精密移取100 μL 上清,70 ℃水浴蒸干,加入200 μL 新配制的5%香草醛-冰醋酸溶液及800 μL 高氯酸,搖勻,70 ℃水浴15 min,流水冷卻至室溫,加入4 mL乙酸乙酯,于551 nm 處測(cè)量吸光值。以齊墩果酸為對(duì)照繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程Y=4.9235X-0.002 3,R2=0.990 3(Y表示三萜含量,X表示A值),線性范圍為0.002 5~0.080 0 mg。
根據(jù)煙草FPS基因序列(GenBank:GQ410573.1)、SS基因序列(GenBank:MG770310.1)、SE基因序列(GenBank:XM016579303.1),并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)熒光定量PCR 引物設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)煙草關(guān)鍵酶FPS、SS、SE基因的引物(表1),Actin為內(nèi)參基因。
利用qRT-PCR 的方法檢測(cè)煙草野生型與轉(zhuǎn)基因煙草關(guān)鍵酶基因FPS、SS、SE的表達(dá)情況,其反應(yīng)體系參照2.4,在調(diào)整計(jì)算域值和調(diào)整基線循環(huán)后,與Aeβ-AS基因一同進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析。
用SPSS 22.0 對(duì)Aeβ-AS基因在轉(zhuǎn)基因煙草中不同部位之間的表達(dá)量、各個(gè)轉(zhuǎn)基因煙草株系中Aeβ-AS基因及其上下游的關(guān)鍵酶基因的表達(dá)量以及各個(gè)株系中的三萜含量進(jìn)行差異顯著性分析(Duncan),用Excel 2019作圖。
基于NCBI 已知的龍牙楤木Aeβ-AS基因序列(GenBank:HM219225),以龍牙楤木體胚苗cDNA為模板,經(jīng)PCR擴(kuò)增后將PCR產(chǎn)物進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),得到2 300 bp 左右的產(chǎn)物,與預(yù)期片段大小一致(圖1)。
圖1 龍牙楤木Aeβ-AS基因的克隆M.Marker;1~3.PCR產(chǎn)物;4.陰性對(duì)照Fig.1 Cloning of DNA of Aeβ-AS gene from A.elata M.Marker;1-3.PCR product;4.Negative control
利用同源重組的方法將上述PCR 產(chǎn)物與pROKⅡ載體按一定比例混合,在重組酶的催化下,37 ℃反應(yīng)30 min,將其轉(zhuǎn)入感受態(tài)細(xì)胞中,在抗性板上挑取轉(zhuǎn)化子進(jìn)行菌落PCR 驗(yàn)證(圖2A),并提取陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子的質(zhì)粒送測(cè)序。最終結(jié)果表明,Aeβ-AS基因成功整合到植物表達(dá)載體pROKⅡ中,至此植物表達(dá)載體構(gòu)建完成。
圖2 植物表達(dá)載體pROKⅡ-Aeβ-AS的構(gòu)建A.pROKⅡ-Aeβ-AS菌液PCR 檢測(cè)(M.Marker;1~6.pROKⅡ-Aeβ-AS單菌落;7.陰性對(duì)照);B.農(nóng)桿菌GV3101轉(zhuǎn)化子的菌液PCR檢測(cè)(M.Marker;1~6.GV3101農(nóng)桿菌菌液PCR檢測(cè);7.陰性對(duì)照)Fig.2 Construction of plant expressional vector pROKⅡ-Aeβ-AS A.PCR identification of pROKⅡ-Aeβ-AS bacterial solution(M.Marker;1-6.pROKⅡ-Aeβ-AS single colony;7.Negative control);B.PCR identification of Agrobacterium GV3101 transforman(tM.Marker;1-6.PCR detection of GV3101 Agrobacterium;7.Negative control)
將測(cè)序正確的植物表達(dá)載體pROKⅡ-Aeβ-AS質(zhì)粒,以凍融法轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101,涂含相應(yīng)抗性的平板,隨機(jī)挑選6 個(gè)單克隆經(jīng)菌液PCR驗(yàn)證,得到6個(gè)目的條帶(圖2B),表明pROKⅡ-Aeβ-AS質(zhì)粒成功轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌中,可進(jìn)行下一步試驗(yàn)。
用含有pROKⅡ-Aeβ-AS的農(nóng)桿菌GV3101 侵染煙草葉片,共培養(yǎng)2 d(圖3A)后,將其放于選擇培養(yǎng)基上培養(yǎng)4 周左右,選擇從葉片周圍長(zhǎng)出的抗性芽(圖3B),切割分離后,接入含有卡那的生根培養(yǎng)基上生根培養(yǎng)4周(圖3C)。非轉(zhuǎn)基因的煙草會(huì)受到卡那霉素的抑制而生長(zhǎng)緩慢,逐漸死亡,轉(zhuǎn)基因煙草則會(huì)有抗性而正常生長(zhǎng)。提取野生型和7個(gè)已獲得抗性的轉(zhuǎn)基因株系的基因組DNA,利用表1 中pROKⅡ-F 和pROKⅡ-R 為引物對(duì)其進(jìn)行PCR 擴(kuò)增檢測(cè)(圖3D),結(jié)果顯示抗性植株中均含有目的基因,說(shuō)明外源基因已經(jīng)整合入煙草基因組中。
圖3 轉(zhuǎn)基因煙草的獲得A.共培養(yǎng)煙草;B.篩選培養(yǎng)20 d;C.轉(zhuǎn)基因植株;D.轉(zhuǎn)基因植株的PCR 檢測(cè)(M.Marker;P.陽(yáng)性對(duì)照;WT.野生型;2、8、14、21、25、27、30.轉(zhuǎn)基因株系;CK-.陰性對(duì)照)Fig.3 Identification of transgenic tobacco A.Co-cultured tobacco;B.Selected cultured for 20 d;C.Transgenic plant;D.PCR identification of different transgenic plants(M.Marker;P.Positive control;WT.Wild type;2,8,14,21,25,27,30.The transgenic plants with target gene;CK-.Negative control)
為了探究Aeβ-AS基因在煙草不同組織的表達(dá)差異,分別提取葉片、莖和根的總RNA,利用qRTPCR 檢測(cè)Aeβ-AS基因的表達(dá)水平,同時(shí)以煙草Ntactin基因作為內(nèi)參。結(jié)果如圖4所示,結(jié)果表明Aeβ-AS基因在檢測(cè)的不同組織中均有表達(dá),且在葉片部位具有高表達(dá),在根和莖部表達(dá)較低,存在明顯的組織特異性。
圖4 Aeβ-AS基因在轉(zhuǎn)基因煙草中不同器官中的表達(dá)分析采用Duncan多重比較,不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05);下同F(xiàn)ig.4 Expressional analysis of Aeβ-As gene in different organs of transgenic tobacco Duncan multiple comparison was used,and different lowercase letters indicated significant difference(sP<0.05);The same as below
為了研究Aeβ-AS基因在不同轉(zhuǎn)基因煙草株系中的表達(dá)情況,提取煙草葉片總RNA,進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR 檢測(cè)。結(jié)果如圖5 所示:與野生型煙草相比,7 個(gè)轉(zhuǎn)基因株系中均有Aeβ-AS基因的表達(dá),基因相對(duì)表達(dá)量從高到低排序依次為:L30、L2、L8、L14、L25、L21、L27。隨機(jī)選取4 個(gè)轉(zhuǎn)基因株系及野生型煙草,并檢測(cè)總?cè)坪浚▓D6),轉(zhuǎn)Aeβ-AS基因煙草中三萜含量顯著高于野生型煙草。
圖5 Aeβ-AS基因在煙草中的相對(duì)表達(dá)量*表示與同期對(duì)照相比達(dá)顯著水平(P<0.05);下同F(xiàn)ig.5 Relative expression level of Aeβ-AS gene in tobacco* Referred to a significant level compared with control group(P<0.05);The same as below
圖6 煙草中三萜含量Fig.6 Triterpenoid content of tobacco lines
利用qRT-PCR 的方法檢測(cè)了野生型與轉(zhuǎn)基因煙草Aeβ-AS、NtFPS、NtSS、NtSE基因相對(duì)表達(dá)量,結(jié) 果 如 圖7 所 示:轉(zhuǎn) 基 因 煙 草Aeβ-AS、NtFPS、NtSS、NtSE基因的相對(duì)表達(dá)量顯著高于野生型,其中株系L21 和L30 相對(duì)表達(dá)量顯著高于其他株系及對(duì)照,株系L21 的NtFPS、NtSS基因的相對(duì)表達(dá)量最高;株系L30 的NtSE、Aeβ-AS基因的相對(duì)表達(dá)量最高。
圖7 煙草關(guān)鍵酶基因相對(duì)表達(dá)量Fig.7 Relative expression levels of key enzyme genes in tobacco
β-香樹(shù)素合成酶(β-AS)為齊墩果烷型五環(huán)三萜皂苷合成途徑中的一個(gè)關(guān)鍵限速酶,催化2,3-氧化角鯊烯合成β-香樹(shù)素,進(jìn)而影響植物體中三萜的含量。本研究旨在探討龍牙楤木中Aeβ-AS基因?qū)θ圃碥蘸铣傻挠绊?。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn):張玉文等[21]通過(guò)RT-PCR 方法從藤茶(AmpeLopsis grossedentata)葉片cRNA 中擴(kuò)增到香樹(shù)脂醇合成酶基因,發(fā)現(xiàn)其在不同部位表達(dá)量不同。Jo 等[22]克隆得到了刺五加(Acanthopanax senticosus)Esβ-AS基因,并將其轉(zhuǎn)入煙草中得到了β-香樹(shù)素。本研究也將該基因轉(zhuǎn)入煙草中,得到的轉(zhuǎn)基因煙草也體現(xiàn)出了不同部位的表達(dá)差異,其中葉片中的表達(dá)量最高。將甘草和桔梗(Platycodon grandiflorus)β-AS基因分別轉(zhuǎn)入酵母中,也可得到β-香樹(shù)素[23-24],為提高三萜皂苷產(chǎn)量提供了新思路和參考。孫化鵬等[25]利用RACE 克隆技術(shù)克隆得到了洋常春藤(Hedera helix)中的β-AS基因,并通過(guò)qRT-PCR 技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)了Hhβ-AS基因與常春藤皂苷含量之間存在明顯的正相關(guān)性。部分研究發(fā)現(xiàn),β-AS基因的表達(dá)量可以影響植物中三萜皂苷的含量。Zhao 等[26]對(duì)人參中Pgβ-AS基因進(jìn)行干擾,發(fā)現(xiàn)β-香樹(shù)素和齊墩果烷型皂苷的含量降低。陳勤等[27]在珠子參(Panax japonicus)細(xì)胞中同時(shí)過(guò)表達(dá)PjFPS和Pjβ-AS基因,發(fā)現(xiàn)了過(guò)表達(dá)PjFPS和Pjβ-AS的細(xì)胞系中,PJS 合成途徑相關(guān)的多個(gè)關(guān)鍵酶基因的表達(dá)水平有不同程度的提高,且PJS的含量最高為普通細(xì)胞系的2.4 倍。雖然單獨(dú)過(guò)表達(dá)PjFPS也可增加PJS的合成,但雙基因(PjFPS和Pjβ-AS)協(xié)同調(diào)控PJS 合成的效果更好。本研究中獲得的轉(zhuǎn)基因煙草也可在β-AS基因的作用下利用其自身含有的β-香樹(shù)素合成酶的前體物質(zhì)2,3-氧化角鯊烯,合成相應(yīng)的產(chǎn)物。對(duì)煙草總?cè)坪窟M(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)與野生型煙草相比,轉(zhuǎn)基因煙草的總?cè)坪匡@著升高,證明了合成Aeβ-AS基因并在煙草中進(jìn)行異源轉(zhuǎn)化,可以使轉(zhuǎn)基因煙草內(nèi)的總?cè)坪匡@著升高。此結(jié)果為進(jìn)一步將Aeβ-AS基因在龍牙楤木中過(guò)表達(dá),研究其對(duì)產(chǎn)物含量的影響奠定基礎(chǔ)。