煙草葉片原生質體制備及其在蛋白互作研究中的應用

劉敏 顧志敏

摘要 [目的]獲得高產量的煙草葉片原生質體。[方法]在前人的基礎上，在酶濃度和酶解時間上，對簡易大量制備本氏煙葉原生質體的條件進行了進一步的探索；并以此為基礎，通過雙分子熒光互補試驗進一步研究了其在蛋白互作研究中的應用。[結果]在纖維素酶濃度為1.3%，離析酶濃度為0.4%，果膠酶濃度為0.3%，酶解4 h，酶解溫度28 ℃，并在簡易純化的條件下制備原生質體，所得到的完整原生質體產量最高，并且細胞碎片和雜質均最少。[結論]該方法為瞬時表達于本氏煙葉中的熒光蛋白研究提供了重要的技術參考。

關鍵詞 煙草（Nicotiana benthamiana）；原生質體制備；雙分子熒光互補試驗；蛋白互作

中圖分類號 S572 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05002-05

植物原生質體（protoplast）一詞始自Hanstein，即指通過質壁分離，脫去細胞壁的細胞[1]。細胞壁是植物細胞的圍墻，用其相對堅固的結構包圍著其內部的原生質體，保護和支撐著植物細胞，其主要成分為纖維素、半纖維素、果膠質和少量蛋白質等。在原生質體的所有分離方法中，酶解法效果最佳[2]。隨著植物生物學的發展，原生質體已經越來越廣泛應用于植物生理學、細胞生物學、體細胞遺傳學等研究領域[1]，是生理生化研究、基因表達調控研究、基因定位研究、細胞器制備、細胞融合和新品種培育等研究的理想材料[3]。

目前，原生質體在植物分子生物學領域應用非常廣泛，其中就包括蛋白亞細胞定位和蛋白間相互作用研究。亞細胞定位是指某種蛋白或表達產物在細胞內的具體存在部位。例如在核內、胞質內或者細胞膜上存在。GFP是綠色熒光蛋白，將所研究蛋白與GFP融合構建到一個同框閱讀框內，然后轉化到植物中，提取原生質體，在掃描共聚集顯微鏡的激光照射下觀察綠色熒光信號，從而可以精確地定位蛋白質在細胞中的位置。植物原生質體雙分子熒光互補試驗（簡稱BiFC）使得活細胞內的蛋白互作可視化[4]。這種方法被成功的應用到不同生物中的不同表達系統。BiFC的基本原理是，增強的黃色熒光蛋白（eYFP）的片段通過分別融合到其末端的連接蛋白的互作重新形成熒光復合體。蛋白復合體的熒光能清晰觀察到熒光的空間定位，如果連接的2個蛋白不互作，則只會形成背景熒光[5-6]。

煙草作為一種模式植物，其發育生長周期非常快，在短期內就能繁育多代。且易于進行農桿菌侵染試驗，熒光蛋白分子在煙草內瞬時表達后，易于觀察。國內外眾多研究者提出了許多制備煙草原生質體的方法，比如機械法、化學法和酶解法等，其中酶解法是目前最有效、最快速、效果最佳的分離植物原生質體的方法[2]。目前很多文獻只是提及煙草原生質體制備的方法和步驟，對其在植物分子生物學中的應用研究鮮有報道。因此，筆者優化煙草原生質體制備過程中多種因素的設置，并利用改良后的制備體系，以期為煙草原生質體在蛋白互作中的應用提供一些可供參考的范例。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究對象。煙草種子（Nicotiana benthamiana），由浙江師范大學現代農業生物技術與作物病害防控重中之重學科提供。

1.1.2 載體。所用BiFC載體pSPYCE.A、pSPYCE.C和pSPYNE.B、pSPYNE.D均由實驗室構建保存；CBL1n：OFP為質膜定位標記蛋白和TPC1：OFP為液泡膜定位標記蛋白，均由德國明斯特大學Jorg Kudla提供。將以上載體經凍融法轉化入GV3101農桿菌中。

1.2 方法

1.2.1 樣品的初處理。取煙草種子，用75%的酒精浸泡30 s后，蒸餾水沖洗，然后用30%的次氯酸鈉浸泡30 min，再用蒸餾水浸種過夜。次日，播種于適宜濕度全元素培養土中，置于恒溫培養箱（光照14 h，28 ℃；黑暗10 h，25 ℃）培養；長出4片葉（約25 d）或6片葉（約35 d）時移栽至單個塑料培養杯內。移栽培養約25 d后進行農桿菌侵染。

1.2.2 農桿菌浸染接種。采用Walter的方法[4]并作修改。挑取含重組質粒的農桿菌于YEP液體培養基（Kan，75 μg/ml；Rif，25 μg/ml）中，28 ℃振蕩培養24 h；取60 μl菌液至含有終濃度為2 mmol/L MgSO4、10 mmol/L MES（pH5.8）、75 mg/L Kan、50 mg/L Rif和20 μmol/L AS的YEBi培養基中擴大培養，至OD600約為0.7左右；4 ℃，5 000 r/min離心10 min，去上清；加入含有終濃度為10 mmol/L MES（pH 5.8）和200 μmol/L AS的MMAi培養基于25 ℃，65 r/min條件下恢復培養3～4 h，至OD600約為2.8；將含pSPYCE.X載體的農桿菌菌液分別跟含pSPYNE-Y載體的農桿菌菌液等體積兩兩混合，振蕩混勻；在每株4～8周大小的本氏煙上選取3～4片葉片，用1.0 ml注射器針頭在選取的每片葉片背部刺1～2個小孔，一只手按住葉面的小孔處，另一只手用無針頭的針管從葉的背面將菌液沿小孔慢慢注入葉片組織空隙中；浸染接種后的煙草置于24 ℃條件下培養；農桿菌侵染后3～7 d可進行原生質體制備。

1.2.3 原生質體制備。原生質體制備過程中使用到的試劑參考Walter的方法[4]。

1.2.4 原生質體的快速游離和純化。取農桿菌侵染3 d后的煙草葉片，用尖頭鑷子夾住葉脈，從葉柄到葉尖方向撕取葉下表皮0.2～0.3 g，展平置于500 mmol/L 甘露醇中，培養30～60 min；甘露醇培養后，吸除甘露醇，加入500 μl的原生質體溶解液，真空培養5 min；45 r/min，28 ℃暗培養4 h，使原生質體充分釋放。原生質體的簡易純化參考Walter的方法[4]，其中轉速調整為300 r/min。通過共聚焦顯微鏡快速分析所制備的原生質體。

1.2.5 原生質體的觀察。吸取40 μl制備好的原生質體溶液，制片，置于熒光共聚焦倒置顯微鏡（Leica TCS SP5）下，用相應波長激發光激發，顯微鏡倍數設置為20×0.7，觀察視野內原生質體數并拍照，每個重復隨機選取10～50個視野拍照。試驗最終使用的W5均為80 μl。

1.2.6 原生質體的計數。（1）不同酶濃度組合所獲原生質體比較.試驗重復3次，每次觀察50個視野。以下“原生質體數/個”表示50個視野內原生質體個數的平均值。（2）不同酶解時間所獲原生質體比較。試驗重復3次，每次觀察10個視野。所用酶濃度為4%纖維素酶；1%離析酶（Japan），采用5個酶解時間對比。以下“原生質體數/個”表示10視野內原生質體個數的平均值。

所用蓋玻片為22×22 mm2，單個視野大小為750×750 μm2，所以每0.2 g產生的原生質體數為（蓋玻片面積/單個視野面積）×單個視野原生質體數均值×2。

1.2.7 原生質體產量的計算。每克本氏煙的原生質體產量=原生質體總數=單個視野原生質體數均值×（蓋玻片面積/單個視野面積）×2×5。

2 結果與分析

2.1 簡易大量制備原生質體條件探索

2.1.1 不同酶解時間所獲原生質體比較。試驗比較了不同酶解時間酶解原生質體的情況；試驗條件為采用5種酶解時間對比，所用酶濃度為3.0%纖維素酶（Cellulose R.10 Japan）；0.75%離析酶（Cellulose R.10 Japan），其他條件相同。

2.1.2 不同酶濃度酶解效果比較。試驗比較了在不同酶濃度下原生質體的解離情況；試驗條件為采用4種酶濃度對比，酶解時間為4 h，其他條件相同。由表1和圖3～4可知，纖維素酶（Cellulose R.10 Japan）濃度為1.3%，離析酶（Mecerozyme R.10及 Japan）濃度為0.75%，果膠酶（Pectinase R.10 Japan）濃度為0.1%時，原生質體產率最高，完整原生質體個數也最多，視野內雜質較少，原生質體清晰。

2.2 原生質體制備在蛋白互作研究中的應用 將連接了目的基因的BiFC雙元載體轉化入農桿菌GV3101，侵染本氏煙3 d后制備成原生質體。通過原生質體熒光定位，能更直觀觀察到互作蛋白在細胞內的定位情況。結果表明，連接了不同目的基因的BiFC雙元載體侵染的煙草，其熒光定位于細胞內不同部位，包括質膜、液泡膜等。

2.2.1 質膜與核熒光定位分析。圖5表明，A與B互作所形成的復合體，其熒光在質膜與核上均有分布[7]，在細中也有可能存在分布，這預示著A與B可能通過相互作用在質膜與核上行使其功能。

2.2.2 液泡膜熒光定位分析。植物液泡種類多樣，并且其功能各不相同。植物細胞內主要分布有中央大液泡和貯存性液泡[8]，其上分布的蛋白可能具有不同的功能。試驗通過對煙草原生質體的觀察，更清楚的觀察到了液泡在細胞中的各種形態以及相應的熒光模式。圖6左圖表明，C/D復合體所形成的熒光可能位于中央大液泡PSV上，也有可能在細胞質中也有熒光分布。但或許由于拍攝角度的不同，其熒光的呈現不是規則的膜熒光；圖6右圖表明，復合體的熒光則聚集于靠近細胞邊緣的液泡上，輕微的質壁分離可能導致了液泡膜形狀的不規則。圖7表明，E/F復合體所形成的熒光在細胞膜類似膜與囊泡膜上均有分布，這3類膜熒光分布圖可能由于拍攝角度的不同使得熒光模式有不同的呈現形式。這些囊泡膜可能是未成熟的液泡。以上的結果預示著C與D以及E與F可能通過相互作用在液泡膜膜上行使其功能。

3 結論與討論

對于煙草原生質體的制備方法，國內外許多研究者提出了許多的方法，比如有機械法、化學法和酶解法等，但很多方法都比較陳舊，并且效率非常低，在試驗中可重復性不強。因此試驗在前人研究的基礎上，對高效、快速制備煙草原生質體的方法進行了優化，并對其在植物分子生物學中的應用進行了示例。結果顯示，在纖維素酶濃度為1.3%，離析酶濃度為0.4%，果膠酶濃度為0.3%，酶解4 h，酶解溫度28 ℃，并在簡易純化的條件下制備原生質體，所得到的完整原生質體產量最高，并且細胞碎片和雜質均最少，這對于瞬時表達于本氏煙葉中的熒光蛋白研究提供了重要的技術參考。

酶解時間在原生質體的制備中是一個非常重要的因素。酶解時間過短，酶解不充分，原生質體得不到很好的釋放；酶解時間過長，質膜受到損傷[2，9]，原生質體的穩定性也較差，不利于制備以及最終的觀察。原生質體失去細胞壁的保護后變得非常脆弱。因此，制備原生質體所用各種溶液中的滲透壓穩定劑對于制備完整原生質體非常重要。尤其是原生質體懸浮液W5中的滲透壓穩定劑，決定了最終完整原生質體的數量以及保存時間。原生質體的收集方法對于原生質體的產率和活力也非常重要[3]。試驗采用了35 μm尼龍網過濾以及300 r/min的低速離心收集，降低了原生質體在收集過程中破碎的可能性。另外，對煙草來說，撕表皮法比剪碎法更利于原生質體的釋放。撕表皮法對于煙葉的質量要求較高，起皺的葉片不利于原生質體的制備，平展健壯的葉片更佳。

將本氏煙葉原生質體制備應用到BiFC中，先侵染后制備的方法，相比于其他生物如水稻原生質體的先制備后侵染，更高效更直觀。相比于完整煙葉細胞中的熒光定位，原生質體中的熒光定位能更清晰明了地觀察到蛋白互作位點或蛋白的亞細胞定位位點。這一點對于蛋白功能的明確大有裨益。近年來，煙草原生質體制備在BiFC中的應用極大地推動了蛋白互作以及蛋白功能確定的研究，已經成為細胞中各細胞器或其他組成物質功能研究的重要手段。

參考文獻

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[3] 江力，孔小衛，吳曉杰，等.煙草原生質體的分離純化[J].安徽大學學報：自然科學版，2006，30（6）：91-94.

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[8] 廖祥儒，陳彤，劉小麗.植物液泡的形成及其功能[J].細胞生物學雜志，2002，24（2）：95-101.

[9] EBRAHIM FRIOOZABADY.Rapid plant regeneration from Nicotiana mesophy protoplasts[J].Plant Science，1986，46（2）：127-131.