水稻新生多肽結合復合體α鏈基因家族的表達分析

王曉靜,孫林靜,馬忠友,孫　玥,李軍玲,張融雪,閆雙勇,孫衛寧

(1.天津市農作物研究所,天津　300384;2.中國科學院 上海生命科學研究院 植物生理生態研究所,上海　200032)

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水稻新生多肽結合復合體α鏈基因家族的表達分析

王曉靜1,孫林靜1,馬忠友1,孫玥1,李軍玲1,張融雪1,閆雙勇1,孫衛寧2

(1.天津市農作物研究所,天津300384;2.中國科學院 上海生命科學研究院 植物生理生態研究所,上海200032)

水稻新生多肽結合復合體α鏈(Osα-NAC)基因家族共有3個成員,分別位于第1,3,5號染色體。為研究Osα-NAC基因家族在逆境環境中的生物學功能,利用RT-qPCR和Western Blot技術,詳細分析了Osα-NAC基因家族在不同組織中的表達情況,并進一步研究了Osα-NAC基因家族對非生物脅迫的應答模式。結果表明,在高鹽和模擬干旱條件下,Os1gNAC和Os5gNAC基因表達上調,Os3gNAC基因表達下調,提示Osα-NAC基因家族各成員在水稻響應非生物脅迫的過程中發揮不同的作用。上述試驗結果初步闡明該基因家族在非生物脅迫下的表達特性,為今后更深入研究該基因家族的功能提供了理論依據。

α-NAC;基因表達;蛋白表達;逆境脅迫

環境脅迫分為非生物脅迫(如高鹽、干旱、低溫、高溫、厭氧、重金屬、臭氧、UV和機械傷害等)和生物脅迫(如細菌、真菌和病毒等),這些脅迫嚴重影響了作物的生長和發育,使其產量降低。水稻在生長發育過程中會受到各種脅迫,由于不能像動物一樣移動,因此,在長期的進化過程中形成了一套有效對抗外界脅迫的調控系統。近20年來,隨著植物分子生物學的發展,通過基因芯片和蛋白質組學的高通量篩選方法,發掘了一些與抗逆相關的新基因,這些基因在分子和蛋白方面的表達水平及其在抗逆反應中的作用已逐步得到了解,并且它們所參與的與抗逆相關的信號通路也逐漸清晰。在研究水稻對鹽脅迫和冷脅迫響應的蛋白質組試驗中發現新生多肽結合復合體α鏈(Nascent polypeptide-associated complex alpha chain,α-NAC)是非生物脅迫響應蛋白,它在蛋白和基因表達水平上對鹽和低溫均有響應[1-2]。

NAC是由α和β 2個亞基組成的異二聚體復合物(Heterodimeric complex),在細胞質中廣泛分布。在蛋白質翻譯過程中,當新生多肽和細胞質蛋白相互結合造成不正確折疊時,NAC能夠與新生多肽鏈在核糖體上相互作用,阻止不正確折疊的形成,引導新合成的新生多肽鏈在細胞內的準確分布,起到分子伴侶的作用[3]。Beatrix等[4]發現組成NAC的2個亞基都與調節基因轉錄的過程有關,說明NAC是一種具有多功能的蛋白。NAC在古生細菌、酵母和動植物中均有分布,說明它是進化上較保守的蛋白,但其生物學功能至今還不完全清楚[5]。

生物體的NAC具有重要的生理功能,小鼠(Musmusculus)、果蠅(Drosophilamelanogaster)和線蟲(Caenorhabditiselegans)中NAC基因缺失會導致胚胎致死[6-8],但是NAC缺失的酵母(Saccharomycescerevisiae)突變體與野生型相比,沒有觀察到明顯的生長差異,但受到逆境脅迫后,突變體生長受阻[9]。近年來，在丹參、玉米和水稻等植物中相繼克隆出BTF3(-NAC)基因，并對其生物學信息及表達模式進行了分析[10-12]。在水稻中,OsBTF3沉默的轉基因植株生長受到明顯抑制,花粉活力和種子數量明顯減少[13]。在擬南芥中過量表達互花米草(Spartinaalterniflora)的β-NAC后,轉基因植株在正常生長環境下的生長不受影響,但在鹽害和干旱的逆境脅迫條件下,其生長發育情況比對照植株表現較好[14]。將小麥進行不同的逆境脅迫和植物激素處理后,TaBTF3(β-NAC)的表達水平差異很大,TaBTF3沉默的轉基因植株對凍害和干旱的抵御能力下降[15]。α-NAC和β-NAC以異源二聚體的形式存在于植物細胞中,筆者推測α-NAC也具有重要的生理功能。雖然α-NAC在植物物種中廣泛存在,但其生物學功能的研究尚未見報道。本試驗分析了Osα-NAC基因家族在不同組織中的定位和在不同非生物逆境脅迫處理下的表達變化,以期為深入探討Osα-NAC基因家族在不同逆境脅迫環境中的功能奠定基礎理論。

1　材料和方法

1.1試驗材料

水稻品種日本晴(OryzasativaL.ssp.japonicacv.nippobare)由天津市農作物研究所實驗室保存。選取籽粒飽滿的水稻種子撒播于鋪一層濕潤濾紙的玻璃培養皿中,放入4 ℃冰箱中浸種1～2 d后轉入37 ℃溫箱催芽2～4 d,選擇萌發整齊的幼苗種植于盛有水稻培養液的塑料盒中,水稻培養液參照木村B培養液配方,每周更換2次培養液。人工氣候室培養條件為:溫度 28 ℃/25 ℃ (白天/晚上),光強350～400 μmol/(m2·s),光照周期12 h/12 h(光照/黑暗),相對濕度60%～80%。將生長至兩葉一心期的水稻幼苗(培養20 d左右),分別進行各種脅迫處理,取不同處理后的幼苗葉片經液氮速凍后于-80 ℃保存。取生長4周的水稻幼苗根、葉片、葉鞘和花苞期的花穗、成熟種子的胚,液氮速凍后于-80 ℃保存。

1.2試驗方法

1.2.1脅迫處理將生長3周的水稻幼苗分別轉入含有150 mmol/L NaCl的水稻培養液進行鹽脅迫處理、含有20% PEG 6000的水稻培養液進行模擬干旱脅迫處理、轉入4 ℃培養箱進行冷脅迫處理,對照在不做任何處理的水稻培養液中正常生長,處理不同時間后取葉片作為供試材料,每個處理重復3次。

1.2.2總RNA提取及第一條鏈cDNA合成取材料加液氮研磨至粉末,每50～100 mg材料加入1 mL TRIzol (Invitrogen),振蕩混勻,依照說明書進行總RNA提取。電泳檢測RNA質量,紫外分光光度計測定OD260/280的比值,計算總RNA的純度與濃度。以總RNA為模板,Oligo(dT)為引物,按照Rever Tra Ace α(Toyobo)說明書進行反轉錄。20 μL反轉錄反應體系為:4 μL 5×RT Buffer,2 μL dNTP混合物(各10 mmol/L),1 μL RNase抑制劑(10 U/μL),1 μL Oligo (dT) 20 (10 pmol/μL),1 μL反轉錄酶,2～3 μg總RNA,加Nuclease-free去離子水補足至20 μL。反應條件為:42 ℃反應1 h。反應結束后,得第一條鏈cDNA,產物保存于-20 ℃。

1.2.3實時熒光定量PCR(RT-qPCR)根據Osα-NAC基因家族和內參基因OsUBI的cDNA序列,利用Primer Premier 5.0軟件設計RT-qPCR特異引物(表1)。使用SYBR Green染料法進行分析,所用試劑盒為Real-time PCR Master Mix SYBR Green(Toyobo),20 μL反應體系按照試劑盒說明書中推薦進行:10 μL SYBR熒光染料,0.2 μL引物1 (10 μmol/L),0.2 μL引物2 (10 μmol/L),5 μL cDNA模板,4.6 μL ddH2O。定量PCR擴增程序使用2步法反應:95 ℃變性2 min;95 ℃變性20 s,60 ℃變性及延伸40 s,40個循環。每個樣品進行3次重復。反應儀器為:Applied Biosystems StepOnePlusTMReal-time PCR System擴增儀。反應結束后進行熔解曲線分析,以OsUBI為內參基因,使用ΔΔCt法對數據進行分析。

表1　擴增Osα-NAC基因家族的RT-qPCR特異引物序列

1.2.4植物組織總蛋白的提取樣品放在研缽中用液氮研磨,提取液(0.1 mol/L Tris-HCl (pH值7.5),0.2 mol/L NaCl,20%(V/V)甘油,5 mmol/L EDTA)常溫保存。使用前加入1%(V/V)1 mmol/L PMSF,0.01 mol/L β-巰基乙醇放在冰上進行預冷。根據植物樣品質量(1 g樣品加入3 mL提取液,根據材料不同適當調整)加入預冷的提取液,充分混合后在冰上靜置3～4 h。4 ℃,12 000 r/min離心15 min。小心吸取上清液,樣品提取完成。根據Bradford蛋白定量法對提取的總蛋白進行定量,加入5×溴酚藍上樣緩沖液后放置于95 ℃的金屬浴中10 min,將變性反應結束后的蛋白質放入-20 ℃中進行保存。

1.2.5蛋白免疫印跡試驗(Western Blot)SDS-PAGE電泳：采用Mini-PROTEAN? Tetra Cell (Bio-Bad)垂直電泳系統,在每個上樣孔中加入30 μg蛋白質進行電泳。電泳條件為:100 V電泳15 min后,將電泳增加到150 V至電泳結束。

轉膜：采用Mini-PROTEAN?Ⅱ Cell (Bio-Bad)轉印系統。電泳結束后的凝膠浸泡于轉膜緩沖液中,按照轉印系統說明書進行。轉膜條件為:100 V濕轉1 h。

免疫印跡：脫脂奶粉封閉1 h,1∶3 000 anti-Os5gNAC(構建Os5gNAC蛋白原核表達載體,純化Os5gNAC蛋白,免疫小鼠制備Os5gNAC蛋白多克隆抗體,上海英基生物科技有限公司)或1∶5 000 anti-ACTIN (Abmart,ab8227)抗體孵育2 h,PBST溶液洗3遍,每遍10 min。二抗(HRP-conjugated secondary antibody,Santa Cruz)孵育1 h,PBST洗3遍,每遍10 min。使用增強化學發光法(ECL),將覆蓋好顯色混合物的PVDF膜直接用Chemi DocTM XRS+(Bio-Rad)掃描。蛋白質的定量分析使用Progenesis SameSpots (Nonlinear,USA)軟件,根據信號條帶的灰度強弱給出數值,以內參蛋白ACTIN的數值為基準,將α-NAC與ACTIN的比值作為目的蛋白的相對表達量。

2　結果與分析

2.1Osα-NAC的組織表達模式

試驗以生長4周的水稻根、葉片、葉鞘和孕穗期的花穗、成熟期的胚為模板,通過RT-qPCR的試驗方法,檢測Osα-NAC基因家族在各個組織中的表達量(圖1)。其中不同組織包括根、葉鞘、葉片、花穗和成熟胚,內參基因為OsUBI。結果顯示,Os1gNAC在成熟胚中的表達最高,在葉鞘和葉中的表達量較低(圖1-A)。Os3gNAC在水稻組織中的表達水平最低,只在葉鞘中表達較高,在根和成熟胚中幾乎不表達(圖1-B)。Os5gNAC在植物各個組織中的表達量均較為豐富,尤其在花穗中的表達水平最高(圖1-C)。這說明Osα-NAC基因家族的3個基因在水稻不同組織的表達差異較大,尤其是Os3gNAC在水稻組織中的表達水平很低,使筆者在基因克隆的過程中遇到了很大困難,優化條件后才得以成功克隆。

圖1　Osα-NAC在水稻不同組織中的表達分析

2.2不同脅迫處理條件下Osα-NAC基因家族的基因水平表達分析

利用RT-qPCR技術分析非生物逆境脅迫下Osα-NAC基因家族3個成員的表達水平(圖2)。圖2-A:將水稻培養液培養3周的日本晴放入4 ℃培養箱中分別冷處理0.5,1.0,3.0,6.0,24.0 h,之后恢復生長24 h。圖2-B:將水稻培養液培養3周的日本晴轉入添加150 mmol/L NaCl的培養液中分別處理0.5,1.0,3.0,6.0,9.0,24.0,72.0 h,之后放入正常培養液中恢復生長24.0,48.0,72.0 h。圖2-C:將水稻培養液培養3周的日本晴轉入添加20% PEG 6000的培養液中分別處理0.5,1.0,3.0,6.0,9.0,24.0,72.0 h,之后恢復生長24 h。每個時間點取樣。RT-qPCR結果顯示,在4 ℃的冷脅迫處理條件下,Os1gNAC和Os5gNAC的表達變化趨勢相似,在處理3 h后表達量稍微上升,之后又恢復到處理前水平;Os3gNAC的表達量在處理6 h后較處理前高,在恢復生長24 h后的表達量下降到處理前的0.3倍(圖2-A)。在150 mmol/L NaCl的鹽脅迫或20% PEG 6000的模擬干旱脅迫條件下,Os1gNAC和Os5gNAC的基因表達量都有不同程度的上升,在處理24 h后達到最高值,處理72 h后表達量下降,之后將水稻試材恢復到正常生長條件,Os1gNAC和Os5gNAC的表達量與處理72 h后的變化差異不大。Os3gNAC的表達量則在鹽脅迫和模擬干旱脅迫處理6 h后開始呈現下降趨勢,尤其在20% PEG 6000的滲透脅迫處理24 h后,表達量達到最低水平,在恢復正常生長條件后,其表達量又逐漸恢復至處理前水平(圖2-B、C)。

圖2　水稻非生物脅迫處理下Osα-NAC表達水平的RT-qPCR分析

2.3不同脅迫處理條件下Osα-NAC基因家族的蛋白水平表達分析

根據水稻基因注釋網站(http://rice.plantbiology.msu.edu)上關于Osα-NAC基因家族的序列注釋及基因序列分析,得知Os1gNAC的蛋白質編碼區(CDS)為609 bp,預測的編碼蛋白有202個氨基酸殘基,蛋白質大小為22.091 kDa;Os3gNAC的蛋白質編碼區為666 bp,預測的編碼蛋白有221個氨基酸殘基,蛋白質大小為23.723 kDa;Os5gNAC的蛋白質編碼區為618 bp,預測的編碼蛋白有205個氨基酸殘基,蛋白質大小為22.277 kDa。蛋白免疫印跡結果顯示,定制的抗體能夠檢測出水稻中Osα-NAC基因家族的3個成員,根據預測的蛋白質分子大小進行標示(圖3-A、C、E)。在水稻葉片組織中,Os3gNAC的蛋白表達量比較低,Os1gNAC和Os5gNAC的蛋白表達量較豐富,這與前期利用RT-qPCR技術檢測Osα-NAC基因家族在水稻各組織的表達水平結果相似。

利用蛋白免疫印跡技術分析水稻非生物脅迫下Osα-NAC基因家族3個成員的蛋白表達水平(圖3-A、C、E),并且通過Progenesis SameSpots軟件對各個條帶進行定量分析(圖3-B、D、F)。其中圖3-A、C、E樣品處理條件同圖2,提取葉片的總蛋白進行Western Blot試驗。圖3-B、D、F,使用Progenesis SameSpots軟件對圖3-A、C、E中的信號強度進行定量分析。由于Os1gNAC和Os5gNAC的2個蛋白分子量相差不大,Western Blot試驗中蛋白免疫信號的2條蛋白條帶很接近,無法單獨用軟件分別進行定量分析,所以將2個蛋白作為整體進行分析。軟件以蛋白免疫信號的灰度強弱為依據給出數值,目的蛋白與內參蛋白(ACTIN)的比值作為目的蛋白的相對表達量。定量分析結果顯示,Osα-NAC蛋白總量在每一種非生物脅迫處理不同時間后的表達變化差異較大,但3種脅迫處理對Osα-NAC蛋白總量影響的變化趨勢相似。在3種脅迫處理初期,例如冷脅迫6,9 h,鹽脅迫0.5 h,模擬干旱脅迫1 h,Osα-NAC的蛋白表達量上調表達,之后其表達量又下降到處理前水平。在脅迫48 h后,蛋白表達量有小幅上升,之后又恢復到起始水平,在恢復了72 h后,Osα-NAC的蛋白表達量大致和處理前相似(圖3-B、D、F)。這些試驗數據說明在各種非生物脅迫條件下,Osα-NAC的3個蛋白都會通過調節表達量來響應環境的變化。

圖3　水稻非生物脅迫處理條件下Osα-NAC表達情況的Western Blot分析

3　結論與討論

本試驗利用實時定量PCR和蛋白免疫印跡試驗首次全面分析了Osα-NAC基因家族3個成員的表達模式,特別是在冷害、鹽害和干旱脅迫處理后表達水平的變化。試驗結果表明Osα-NAC基因家族在水稻組織中的表達差異較大,其中Os1gNAC和Os5gNAC的表達豐度較高,Os3gNAC只在葉鞘中的表達量較高。在各種非生物脅迫條件下,Osα-NAC基因家族在mRNA和蛋白水平方面都會通過調節表達量來響應外界環境的變化,但每個成員的表達量變化差異較大,Osα-NAC基因家族不同的組織表達模式及脅迫誘導條件下表達水平的變化暗示其生物學功能具有多樣性和復雜性。

植物在生長發育以及對外界環境刺激響應的過程中,最主要的調節方式是轉錄水平的調節,因此,基因的表達模式可以為基因的功能研究提供線索。基因芯片和轉錄組測序最主要的功能就是可以大規模、高通量的考查每個基因的表達水平,因此其可以通過鑒定差異表達基因的方式,為功能基因組提供大量候選基因。但是,由于不同的翻譯起始與修飾,一個mRNA可以翻譯成不同的蛋白質,mRNA水平與蛋白質水平在很多情況下的相關性并不好,而蛋白質才是生命活動的主要執行者,因此，蛋白質組學被廣泛地應用于大規模、系統化的篩選功能蛋白質的研究中。在研究水稻對冷脅迫和鹽脅迫響應的蛋白質組試驗中,篩選到α-NAC對冷和鹽都有響應[1-2]。本研究通過RT-qPCR和Western Blot的試驗方法,分析水稻中α-NAC在同樣的鹽和冷脅迫條件下的mRNA和蛋白表達變化,結果顯示α-NAC的表達變化與蛋白質組的數據并不吻合。文獻中報道的α-NAC雖然是一個受脅迫誘導下調表達的蛋白,但其表達量變化的程度并不大(RT-qPCR和Western Blot的結果顯示與處理前相比不超過2倍)。分析原因可能是雙向電泳對蛋白的分辨率較高,可以區分由于翻譯后修飾或不同異構體引起的蛋白表達變化,提供普通單向Western Blot不能獲得的信息。很多蛋白質只有進行翻譯后修飾才能發揮其生物學功能,例如磷酸化(Phosphorylation)、甲基化(Methylation)、泛素化(Ubiquitylation)或蛋白質降解等翻譯后修飾可以影響蛋白質的活性、細胞定位和蛋白質的穩定性,進而影響整個細胞的生命活動[16-17]。而這些變化無法表現在基因芯片或者比較蛋白質組圖譜上。因此,通過高通量篩選得到的差異表達候選基因或者蛋白質,在對其進行功能分析時,會發現其生物學功能與基因或者蛋白質表達譜有差異。對這些候選基因進行功能研究時,需要結合過量表達、RNAi沉默轉基因植株,T-DNA插入、基因敲除突變體植株等反向遺傳學技術進一步進行功能驗證,進而揭示植物生長發育以及應激反應等復雜生命活動的分子機制。在水稻中，OsBTF3(-NAC)對植株的生長發育具有重要的調控作用，與野生型對照株相比，過量表達OsBTF3的轉基因株系在葉綠素含量、葉綠體數量、光合速率、葉片大小、株高、節間長方面顯著增加或增強；而RNAi株系的指標則明顯降低或減弱[18-20]。本試驗通過分析Osα-NAC基因家族在不同非生物逆境脅迫處理下的表達變化,初步證實Osα-NAC基因家族可能參與非生物脅迫響應,我們下一步研究重點將是分析Osα-NAC的翻譯后修飾與Osα-NAC基因家族響應非生物脅迫的關系。

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Expressional Analysis of Osα-NAC in Rice

WANG Xiaojing1,SUN Linjing1,MA Zhongyou1,SUN Yue1,LI Junling1,ZHANG Rongxue1,YAN Shuangyong1,SUN Weining2

(1.Tianjin Institute of Crop,Tianjin300384,China;2.Institute of Plant Physiology and Ecology,Shanghai Institutes for Biological Sciences,Chinese Academy of Sciences,Shanghai200032,China)

The Osα-NAC (nascent polypeptide-associated complex alpha chain) gene family contains three genes which are localized on chromosome 1,3,and 5,respectively.To analyse the function of Osα-NAC under environmental stresses,the expression patterns of Osα-NAC to various abiotic stress were analyzed.After salt and drought treatment,Os1gNACandOs5gNACwere up-regulated whileOs3gNACwas down-regulated,suggesting that different members ofOs-NACgene family have different function in stress response.The results of this study revealed the expression patterns of Osα-NAC gene family under abiotic stresses,and provided some clues to the function of Osα-NAC for the further research.

α chain of nascent polypeptide-associated complex;Gene expression;Protein expression;Abiotic stress

2016-05-15

天津市農業科學院院長基金項目(15005)；國家科技支撐計劃項目(2013BD0508);農業部轉基因專項(2011ZX08001-004)

王曉靜(1984-),女,山西大同人,助理研究員,博士,主要從事水稻基因功能研究。

孫衛寧(1970-),女,浙江杭州人,研究員,博士,主要從事植物逆境脅迫相關基因功能研究及植物蛋白質組學研究。

S511.03;Q78

A

1000-7091(2016)04-0001-06

10.7668/hbnxb.2016.04.001