張雪,孫鑫博,樊波,張胤冰,韓烈保,許立新*
(1.北京林業大學草坪研究所,北京 100083;2.河北省作物生長調控重點實驗室,河北農業大學,河北 保定 071001)
結縷草ZjCSD基因的克隆及表達分析
張雪1,孫鑫博2,樊波1,張胤冰1,韓烈保1,許立新1*
(1.北京林業大學草坪研究所,北京 100083;2.河北省作物生長調控重點實驗室,河北農業大學,河北 保定 071001)
銅鋅超氧化物歧化酶是植物響應逆境脅迫過程中的關鍵酶,其含量和活性與植物抗逆性密切相關。本研究以結縷草cDNA為模板,利用同源克隆法,從結縷草轉錄組數據庫中克隆獲得了結縷草ZjCSD基因,該基因編碼一個含有152個氨基酸的蛋白質。生物信息學分析結果顯示:ZjCSD基因編碼蛋白為穩定的、親水的、酸性、非分泌脂溶蛋白,定位于細胞質中,含有CSD蛋白家族特有的保守結構域,具有典型的Cu2+和Zn2+結合位點;與小米、玉米等禾本科植物具有較高的同源性,進化關系較近。采用實時熒光定量PCR研究該基因在不同組織中、不同脅迫處理下的表達模式,結果表明,ZjCSD基因在根、莖、葉中都有表達,葉中表達量最高;干旱脅迫(30% PEG)、鹽脅迫(150 mmol/L NaCl)和Cd2+脅迫(200 mg/L Cd2+)均能誘導ZjCSD基因表達量上調,Pb2+脅迫(1 g/L Pb2+)誘導ZjCSD基因表達量下調。故推測結縷草ZjCSD基因在結縷草應對干旱、鹽和重金屬脅迫的過程中發揮作用。
結縷草;CSD;生物信息學;逆境脅迫;實時熒光定量PCR
植物在正常生命活動中會產生較低水平的活性氧(reactive oxygen species,ROS),ROS是細胞中重要的信號傳導分子,參與激素傳導、生物和非生物脅迫應答及植物生長發育過程的調控等[1]。然而在干旱、極端氣溫、重金屬污染和鹽害等逆境脅迫下,細胞中會積累過量的ROS,對脂質、核酸和蛋白質造成氧化損傷,進而引起代謝異常和生物膜結構功能損壞等[2]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)、單脫氫抗壞血酸還原酶(monodehydroascorbate reductase,MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(dehydroascorbate reductase,DHAR)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR)等抗氧化酶的協同作用能夠清除過量的ROS,保護植物細胞免受損傷[3]。其中,SOD能夠催化超氧陰離子自由基發生歧化反應,是防御ROS的第一道防線。SOD是一種幾乎存在于所有需氧生物的金屬酶,根據活性中心所含金屬輔基的不同分為Mn-SODs、Cu/Zn-SODs、Fe-SODs、Co-SODs和Ni-SODs等類型[4]。高等植物主要含有Mn-SODs、Cu/Zn-SODs、Fe-SODs三類。其中,Cu/Zn-SOD(CSD)在植物體內含量最豐富,主要在細胞質、葉綠體、細胞核中發揮作用。
大量研究表明,在逆境脅迫下,植物能夠通過提高體內SOD的表達量來增強抗逆性。如曲亞楠等[5]報道在高溫和干旱脅迫下,匍匐翦股穎(Agrostisstolonifera)體內SOD等抗氧化酶的活性較對照植株顯著上升;樊瑞蘋等[6]研究表明高羊茅(Festucaarundinacea)在鹽脅迫時,體內SOD活性明顯高于對照植株。由玉米(Zeamays)、煙草(Nicotianatabacum)、水稻(Oryzasativa)等植物中克隆獲得的SOD基因,通過轉基因技術轉化不同的受體植物,得到SOD酶活增強的轉基因植株,進一步驗證了SOD與植物抗逆性密切相關。如Xu等[7]報道,過表達CSD和APX基因的木薯(Manihotesculenta)在凍害下葉片萎蔫程度明顯小于對照植株,且SOD含量是對照植株的1.5倍;張海娜等[8]研究表明過表達小麥(Triticumaestivum)CSD的煙草相比對照植株對鹽脅迫的耐性更強。
結縷草(Zoysiajaponica)隸屬禾本科畫眉草亞科結縷草屬,抗逆性較強,具有較高的坪用價值,因而廣泛應用于城市綠地、運動場草坪、水土保持及道路護坡等方面。目前,CSD基因已從多種植物中克隆獲得并進行了表達分析和功能驗證,但關于結縷草CSD基因的克隆及表達模式還未見詳細報道。本研究通過同源克隆獲得了結縷草CSD基因,利用生物信息學方法分析其序列特性,并采用實時熒光定量PCR檢測了其在多種逆境脅迫下的表達模式。對結縷草CSD基因的研究有利于進一步了解CSD基因在植物應對逆境脅迫過程中的功能,同時為草坪草抗逆育種的分子機理研究奠定基礎。
1.1 實驗材料的培養及處理
以結縷草品種‘Zenith’為材料,播種于直徑20 cm的花盆中,培養基質為沙土、草炭和蛭石(1∶1∶1),在溫度30/25 ℃(晝/夜)、光照強度80 μmol/(m2·s)、光周期16/8 h(光/暗)、相對濕度65%的環境中培養,期間進行正常的養護管理。出苗后8周左右分別用150 mmol/L NaCl、30% PEG、200 mg/L Cd2+、1 g/L Pb2+處理材料,處理后分別于0、2、4、8、12、24和48 h取結縷草葉片,用于不同脅迫下的表達分析,每個處理設置3個重復。取未經任何處理的結縷草植株的根、莖和葉,用于不同組織的表達分析,重復3次。取樣后立即將樣品置于-80 ℃超低溫冰箱保存備用。
1.2 總RNA的提取及反轉錄
采用Trizol總RNA提取試劑盒(Invirogen,美國)提取結縷草各組織總RNA,用Nanodrop 2000檢測濃度及純度,用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測完整性。采用5×All-In-One MasterMix(with AccuRT Genomic DNA Removal Kit)試劑盒(abm,加拿大)去除基因組DNA,并反轉錄合成cDNA。儲存于-20 ℃冰箱保存備用。
1.3 引物設計與合成
通過local blast檢索結縷草轉錄組數據庫,獲得與擬南芥銅鋅超氧化物歧化酶基因AtCSD(AT1G08830)同源性最高的基因,轉錄組序列號為comp215676_c0,該基因是一段長度為928 bp的cDNA序列。將該基因與親緣關系較近的禾本科模式植物玉米和水稻的CSD基因序列(分別為NM_001320832、D01000)進行比對發現它們具有很高相似度。利用BioXM 2.6軟件分析結縷草comp215676_c0基因序列,發現其含有一個長度為459 bp的開放閱讀框(ORF),根據ORF序列設計特異性引物,上游引物CSD-F:5′-ATGGGGAAAGCTGTCGCTGT-3′,下游引物CSD-R:5′-ACCCTGGAGCCCAATGATCC-3′,以結縷草cDNA為模板進行擴增,目的片段大小459 bp。根據該ORF序列,利用在線工具IDT(http://sg.idtdna.com/Primerquest/Home/Index)設計熒光定量PCR所用特異性引物,上游引物CSD-qF:5′-CGGAAGATGAGAACCGCCAT-3′,下游引物CSD-qR:5′-TCCAATGATCGAGTGCGGTC-3′,目的片段大小為82 bp;內參基因根據ZjActin基因序列設計特異性引物ZjActin-F:5′-GCTCAGTCCAAGAGAGGTATTC-3′和ZjActin-R:5′-TGATGCCAGATCTTCTCCATATC-3′。引物由北京擎科新業生物技術有限公司合成。
1.4 目的基因克隆
以結縷草cDNA為模板,對目的基因進行PCR擴增。反應體系為:rTaq酶0.5 μL,dNTP 1 μL,cDNA模板2 μL,10 μmol/L上下游引物各0.5 μL,10×buffer 2 μL,滅菌超純水13.5 μL補齊至20 μL。反應程序為:95 ℃預變性2 min;95 ℃變性30 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,35個循環;72 ℃再延伸10 min;4 ℃保存。
PCR產物經1%瓊脂糖凝膠電泳分離后,用柱式瓊脂糖凝膠回收試劑盒(OMEGA,美國)對目的片段進行回收純化,與pT-Easy載體連接,連接產物轉化大腸桿菌感受態細胞,經藍白斑篩選和菌液PCR驗證插入片段,選取有目的條帶的菌液樣品送至北京擎科新業生物技術有限公司測序,采用Sequencher軟件進行序列分析。
1.5 生物信息學分析
本研究使用的主要生物信息學分析工具如下:利用ExPASy Protparam分析蛋白質的基本理化性質(http://web.expasy.org/protparam);利用SignalP 4.1 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP)和TargetP(http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP)預測蛋白質N-末端信號肽和亞細胞定位情況;利用TMHMM 2.0預測蛋白質跨膜區段(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM);利用ExPASy工具中的SOPMA軟件預測蛋白質二級結構;利用DNAMAN軟件進行多序列比對,并結合MEGA 5.0軟件(Neighbor-Joining,NJ,鄰位相連法)構建氨基酸序列的分子系統進化樹。利用miRBase數據庫(http://www.mirbase.org/)預測ZjCSD基因上游的miRNA。
1.6 基因表達分析
采用CFX96型實時熒光定量PCR儀(BIO-RAD公司)進行實時熒光定量PCR擴增。反應體系為:cDNA模板3 μL,10 μmol/L上下游引物各0.5 μL,2×TransStart Green qPCR SuperMix UDG(abm,加拿大)10 μL,滅菌超純水6 μL補齊至20 μL。反應程序為:50 ℃ 2 min,94 ℃10 min,94 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,40個循環。每個處理設3個重復。根據gene expression值進行數據分析處理。
2.1 結縷草ZjCSD基因的克隆與序列分析
以結縷草cDNA為模板,CSD-F和CSD-R為引物擴增目的基因。所得目的片段大小與預測大小基本一致,擴增片段經切膠回收后連接至克隆載體測序,測序結果通過Sequencher軟件與預測序列進行比對,結果顯示擴增片段序列與預測序列完全一致。該基因ORF長459 bp,編碼152個氨基酸(圖1),利用NCBI Conserved Domains Search分析其編碼的氨基酸序列,結果表明該基因編碼的蛋白質含有CSD家族基因的保守結構域,屬于CSD超級家族,具有典型的Cu2+和Zn2+結合位點(圖2),因此認為該基因是CSD同源基因,命名為ZjCSD,并將該基因在GenBank中登記注冊(accession No. KX925930)。
2.2 結縷草ZjCSD蛋白特性分析
利用在線工具Prot param預測ZjCSD蛋白的基本理化性質,結果表明ZjCSD蛋白相對分子量為15.0836 kD,蛋白分子式為C644H1029N197O216S3,總原子數為2089,蛋白負電荷殘基(Asp+Glu)總數15,正電荷殘基(Arg+Lys)總數為9,理論等電點5.76;由18種氨基酸組成,其中Gly占19.7%,比例最高;該蛋白N末端為Met,半衰期為30 h,蛋白質不穩定指數(instability index)為14.50(穩定系數>40時不穩定),脂溶指數(aliphatic index)為77.63,總平均疏水指數(grand average of hydropathicity,GRAVY)為-0.257,因此推測該蛋白是穩定的、酸性、親水脂溶蛋白。
利用TMHMM 2.0在線工具預測ZjCSD蛋白的跨膜結構域,結果表明ZjCSD蛋白無跨膜螺旋,整條肽鏈都位于膜外;利用在線工具SignalP 4.1對ZjCSD蛋白的信號肽進行預測,結果顯示ZjCSD蛋白N端不含信號肽,為非分泌蛋白;利用TargetP 1.1對ZjCSD蛋白進行亞細胞定位預測,結果表明ZjCSD蛋白位于細胞質中。綜上推測ZjCSD蛋白是位于細胞質中的非分泌蛋白,合成后不進行蛋白質的外運。
用在線工具SOPMA對結縷草ZjCSD蛋白的二級結構進行預測,結果顯示該蛋白包含51.32%無規則卷曲(random coil)、31.58%延伸鏈(extended strand)、4.61%α-螺旋(alpha helix)和12.5%β-轉角(beta turn),由此可見ZjCSD蛋白的二級結構中無規則卷曲和片層結構占大部分。

圖1 ZjCSD cDNA的核苷酸序列及編碼的氨基酸Fig.1 Nucleotide sequence and deduced amino-acid of ZjCSD 雙下劃線表示起始密碼子和終止密碼子。Double underline denotes the initiation codon and the termination codon.

圖2 ZjCSD蛋白的保守結構域Fig.2 Putative conserved domains of ZjCSD
2.3 結縷草ZjCSD的氨基酸同源性和系統進化分析
將結縷草ZjCSD基因編碼的氨基酸序列在NCBI中進行Blast相似性分析,并用DNAMAN軟件進行序列比對,發現ZjCSD與其他多種植物的CSD氨基酸序列存在較高相似性,其中,與玉米CSD相似性達91%,與二穗短柄草、獐茅、歐洲大葉楊等相似性在85%~89%。此外,氨基酸序列的不同區段保守程度不同,N端序列同源性程度低于C端序列,C端序列較N端序列保守性更高(圖3)。

圖3 ZjCSD與其他物種相似蛋白的多重比較Fig.3 Multiple sequence alignment of ZjCSD and CSD from other species
結合同源性分析結果,利用MEGA 5.0軟件,采用鄰近相接法(Neighbor-Joining),bootstrap驗證重復1000次,構建結縷草、玉米、小米等16個物種CSD氨基酸序列的系統進化樹(圖4)。結果顯示,日本結縷草CSD蛋白與小米、玉米等禾本科植物的CSD蛋白遺傳距離較近,聚為一類,而同屬百合科植物的宮燈百合和大蒜聚為一類,同屬茄科植物的番茄和馬鈴薯聚為一類,同屬十字花科植物的蘿卜和擬南芥聚為一類,同屬豆科植物的蔓花生和落花生聚為一類,同屬楊柳科植物的歐洲大葉楊和胡楊聚為一類,由此可見不同植物CSD蛋白的進化關系具有明顯的種屬特征。
2.4 結縷草ZjCSD基因上游miRNA預測
在miRBase數據庫(http://www.mirbase.org/)中,將ZjCSD基因序列與miRNA進行比對,結果表明,ZjCSD基因5′-UTR第152~172位堿基中的18個堿基,與擬南芥、水稻、大豆(Glycinemax)、歐洲大葉楊、葡萄(Vitisvinifera)等多種植物miR398中含有的同源序列5′-acacaagaguccaguggggaa-3′重疊(圖5)。并且,已有報道證明了在擬南芥[9]、水稻[10]等多種植物中CSD基因是miR398的靶基因之一,因此推測結縷草中miR398也可能與ZjCSD基因存在相互作用,作用位點位于ZjCSD基因的5′-UTR。

圖4 ZjCSD蛋白與其他物種CSD蛋白氨基酸的系統進化樹分析Fig.4 Phylogenetic tree of ZjCSD and CSD from other species節點處的數字表示bootstrap驗證重復1000次該節點可信度的百分比。 The number on the brunch represents the reliability percent of bootstrap value based on 1000 replications.

圖5 ZjCSD與其他物種miR398作用位點Fig.5 The action site between ZjCSD and miR398 from other species
2.5 結縷草ZjCSD基因表達分析
對結縷草植株的不同組織進行熒光定量RT-PCR分析,結果顯示,ZjCSD基因在結縷草的根、莖、葉中均有表達,但表達量存在差異(圖6)。葉中表達量最高,約為莖的4倍,根中表達量最低,約為莖的0.7倍。采用實時熒光定量RT-PCR分析結縷草葉片中ZjCSD基因在不同脅迫下的表達,結果顯示(圖7):在PEG(A)處理2~48 h條件下,ZjCSD基因的表達量在2 h時開始上升,在4 h時達到最大值 ,約為0 h表達量的4.0~4.5倍;8~12 h表達量有所下降,為0 h表達量的2倍左右,24 h后表達量恢復為0 h水平。在NaCl(B)處理條件下,ZjCSD基因的表達量在4 h時迅速升高并達到最大值,約為0 h后表達量的10.5~11.0倍,8 h后表達量下降,24 h時恢復為0 h水平。在Cd2+(C)處理條件下,ZjCSD基因的表達量也呈現先上升后下降的趨勢,4 h時表達量達到最大值,大約是對照(0 h)的3.0~3.5倍,8 h后表達量下降,但仍高于0 h水平。在Pb2+(D)處理條件下,ZjCSD基因的表達量在2~8 h下調,12 h時恢復為0 h水平,24 h表達量下降,48 h表達量又恢復至0 h水平,總體表達量均低于或基本持平于對照。

圖6 ZjCSD基因的組織特異性表達Fig.6 Tissue-specific expression of ZjCSD

圖7 不同脅迫下ZjCSD基因在結縷草葉片中的表達Fig.7 The expression of ZjCSD in leaf under different stresses A:干旱(PEG)脅迫Drought stress;B:鹽(NaCl)脅迫Salt stress;C:Cd2+脅迫Cd2+ treatment;D:Pb2+脅迫Pb2+ treatment.
本研究從結縷草轉錄組數據庫中克隆獲得了結縷草銅鋅超氧化物歧化酶基因ZjCSD,利用生物信息學軟件對該基因編碼的氨基酸序列進行比對分析后,發現其含有CSD基因家族特有的高度保守的金屬離子結合區, Cu2+與His45、His47、His62、His119 位相結合,Zn2+與His62、His70、His79、Asp82 位相結合;C端序列較N端序列保守性更高,驗證了Lee等[11]提出的CSD蛋白抵抗外界氧化脅迫的主要功能區域或結構區域位于C端的推斷。
miRNA是一類較短的內源非編碼RNA,通過降解mRNA或翻譯抑制在轉錄后水平調控基因的表達。在植物脅迫響應過程中扮演重要角色[12]。miR398是近期在擬南芥、水稻、苜蓿(Medicagotruncatula)等多種植物中發現的響應多種生物和非生物脅迫的miRNAs之一,包括銅缺乏[13]、ABA脅迫和鹽脅迫[14]、紫外線脅迫[15]、氧化脅迫等[16]。在擬南芥中,miR398靶向胞質CSD1和質體CSD2基因,還靶向COX5b-1和CCS1基因。植物的miRNA靶位點主要位于mRNA的蛋白編碼區[17]。miR398與CSD2和CCS1的互補位點位于mRNA的編碼區[9,18],但與CSD1和COX5b-1的互補位點位于5′-UTR[19]。本研究通過生物信息學分析,首先預測了ZjCSD基因定位于細胞質中,隨后預測了ZjCSD上游的miRNA之一是miR398,且兩者互作位點位于ZjCSD基因的5′-UTR。通過生物信息學預測得到的結論與擬南芥中結論相似,因此推測結縷草miR398也能調控ZjCSD的表達,但仍需進一步通過實驗驗證。
干旱、鹽害和重金屬等逆境脅迫誘導植物體內活性氧的積累,造成植物氧化損傷。SOD作為抗氧化酶系統的第一道防線,能夠清除過多的活性氧,在植物抵御氧化損傷中發揮重要作用。許立新[20]在對草地早熟禾(Poapratensis)干旱及干旱后復水恢復機理的研究中發現,干旱脅迫下,CSD基因的表達量顯著提高,且抗旱性較強的品種相比抗旱性較弱的品種CSD基因的表達水平更高,類似的結論在白三葉(Trifoliumrepens)中也得到了驗證[21]。鹽脅迫能夠誘導CSD基因的轉錄水平提高已在包括煙草[22]、百脈根(Lotuscorniculatus)[23]、秋茄(Solanummelongena)[24]等多種植物中得到驗證。本研究中,用PEG、NaCl分別處理結縷草48 h,ZjCSD基因的表達整體均呈現先升高后降低的趨勢,說明干旱脅迫和鹽脅迫均能誘導ZjCSD基因表達上調,與前人研究結果一致。
重金屬脅迫會導致植物的生物量減少,葉片失綠,根系生長受到抑制,形態發生改變,甚至死亡[25]。在重金屬污染物中,鎘(Cd)由于遷移性強,易被植物吸收富集進入食物鏈,威脅人畜健康,因而是重金屬污染物中危害性最大的一種[26]。大量研究表明,植物能夠通過調節SOD基因的表達水平來抵抗Cd脅迫。張玉秀等[27]報道,100 μmol/L Cd2+能夠誘導龍葵(Solanumnigrum)幼苗CSD基因的表達上調,Luo等[28]用0.2和0.5 mmol/L的Cd2+處理多年生黑麥草(Loliumperenne)7 d,結果表明,4~24 h內CSD基因表達量提高。本研究中,Cd2+處理條件下ZjCSD基因的表達量上升,與前人研究結果相符。Pawlak等[29]研究表明,在大豆幼苗根系中,Pb2+濃度為150~350 mg/L時,CSD基因 mRNA量明顯低于對照。本研究中,Pb2+處理0~48 h內,ZjCSD基因的相對表達量總體低于或持平于對照表達量水平,與大豆幼苗根系在較高濃度Pb2+處理下CSD基因表達量下調的情況相符。由Cd2+處理誘導ZjCSD表達量上升而Pb2+處理誘導ZjCSD表達量下降的事實可以推測,ZjCSD基因對Cd2+和Pb2+的響應模式和調控機制不同。造成上述差異的原因之一可能是這兩種金屬具有不同的化學性質,其中Cd可以替代轉錄因子鋅指結構中的Zn配合物,并在一定程度上作為轉錄激活因子發揮作用[30],但具體原因仍需進一步探究。綜上,ZjCSD基因在重金屬脅迫下的表達調控機制十分復雜,不同的重金屬元素有不同的調控機制,詳細的機理有待進一步研究。
本研究從結縷草中克隆獲得了結縷草銅鋅超氧化物歧化酶基因,命名為ZjCSD。該基因含有完整的ORF,編碼152個氨基酸。ZjCSD基因編碼的蛋白含有CSD家族特有的保守結構域,具有典型的金屬結合位點。ZjCSD基因在葉中表達量最高;在干旱脅迫、鹽脅迫和Cd2+脅迫下表達量上調,在Pb2+脅迫下表達量下調。因此,推測ZjCSD基因參與結縷草抵抗干旱、鹽和重金屬脅迫的過程,并在其中發揮一定功能。
References:
[1] Laloi C, Apel K, Danon A. Reactive oxygen signalling: the latest news. Current Opinion in Plant Biology, 2004, 7(3): 323-328.[2] Noctor G, Foyer C H. Redox homeostasis and antioxidant signalling: a metabolic interface between stress perception and physiological responses. Plant Cell, 2005, 17(7): 1866-1876.
[3] Gill S S, Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiology and Biochemistry, 2010, 48(12): 909-930.
[4] Mittler R, Vanderauwera S, Gollery M,etal. Reactive oxygen gene network of plants. Trends in Plant Science, 2004, 9(10): 490-498.
[5] Qu Y N, Yang Z M. Effect of drought and heat stress on antioxidant metabolism ofAgrostisstoloniferaL. Journal of Shandong Agricultural University: Natural Science Edition, 2014, 45(4): 489-494. 曲亞楠, 楊志民. 高溫與干旱脅迫對匍匐翦股穎抗氧化代謝的影響. 山東農業大學學報: 自然科學版, 2014, 45(4): 489-494.[6] Fan R P, Zhou Q, Zhou B,etal. Effects of salinization stress on growth and the antioxidant system of tall fescue. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(1): 112-117. 樊瑞蘋, 周琴, 周波, 等. 鹽脅迫對高羊茅生長及抗氧化系統的影響. 草業學報, 2012, 21(1): 112-117.
[7] Xu J, Yang J, Duan X G,etal. Increased expression of native cytosolic Cu/Zn superoxide dismutase and ascorbate peroxidase improves tolerance to oxidative and chilling stresses in cassava (ManihotesculentaCrantz). BMC Plant Biology, 2014, 14: 208.[8] Zhang H N, Li X J, Li C D,etal. Effects of overexpression of wheat superoxide dismutase (SOD) genes on salt tolerant capability in tobacco. Acta Agronomica Sinica, 2008, 34(8): 1403-1408. 張海娜, 李小娟, 李存東, 等. 過量表達小麥超氧化物歧化酶(SOD)基因對煙草耐鹽能力的影響. 作物學報, 2008, 34(8): 1403-1408.
[9] Jones-Rhoades M W, Bartel D P. Computational identification of plant microRNAs and their targets, including a stress-induced miRNA. Molecular Cell, 2004, 14(6): 787-799.
[10] Axtell M J, Bartel D P. Antiquity of microRNAs and their targets in land plants. Plant Cell, 2005, 17(6): 1658-1673.
[11] Lee Y M, Friedman D J, Ayala F J. Superoxide dismutase: an evolutionary puzzle. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1985, 82(3): 824.
[12] Sunkar R. MicroRNAs with macro effects on plant stress responses. Seminars in Cell and Developmental Biology, 2010, 21(8): 805-811.
[13] AbdelGhany S E, Pilon M. MicroRNA-mediated systemic down-regulation of copper protein expression in response to low copper availability in Arabidopsis. Journal of Biological Chemistry, 2008, 283(23): 15932-15945.
[14] Jia X, Wang W X, Ren L,etal. Differential and dynamic regulation of miR398 in response to ABA and salt stress inPopulustremulaandArabidopsisthaliana. Plant Molecular Biology, 2009, 71(1): 51-59.
[15] Jia X, Ren L, Chen Q J,etal. UV-B-responsive microRNAs inPopulustremula. Journal of Plant Physiology, 2009, 166(18): 2046-2057.
[16] Sunkar R, Kapoor A, Zhu J K. Posttranscriptional induction of two Cu/Zn superoxide dismutase genes inArabidopsisis mediated by downregulation of miR398 and important for oxidative stress tolerance. Plant Cell, 2006, 18(8): 2051-2065.
[17] Bonnet E, Wuyts J, Rouzé P,etal. Detection of 91 potential conserved plant microRNAs inArabidopsisthalianaandOryzasativaidentifies important target genes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004, 101(31): 11511-11516.
[18] Beauclair L, Yu A, Bouché N. MicroRNA-directed cleavage and translational repression of the copper chaperone for superoxide dismutase mRNA in Arabidopsis. Plant Journal, 2010, 62(3): 454-462.
[19] Sunkar R, Zhu J K. Novel and stress-regulated microRNAs and other small RNAs from Arabidopsis. Plant Cell, 2004, 16(8): 2001-2019.
[20] Xu L X. Mechanism Involved in Drought Response and Post-drought Recovery of Kentucky Bluegrass[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2011. 許立新. 草地早熟禾適應干旱以及干旱后復水恢復機理研究[D]. 北京: 北京林業大學, 2011.
[21] Shi P. The Drought Pretreatment Inducing the Physiological Mechanism of Drought Resistance and Differential Expression of Anti-oxidase Gene inTrifoliumrepens[D]. Sichuan: Sichuan Agricultural University, 2012. 石鵬. 干旱預處理誘導白三葉抗旱性的生理機制與抗氧化酶基因差異表達[D]. 四川: 四川農業大學, 2012.
[22] Bueno P, Piqueras A, Kurepa J,etal. Expression of antioxidant enzymes in response to abscisic acid and high osmoticum in tobacco BY-2 cell cultures. Plant Science, 1998, 138(1): 27-34.
[23] Rubio M C, Bustos-Sanmamed P, Clemente M R,etal. Effects of salt stress on the expression of antioxidant genes and proteins in the model legumeLotusjaponicus. New Phytologist, 2009, 181(4): 851-859.
[24] Xing X S. Characterization of Antioxidant Defense GenesKcCSDandKcTrxffromKandeliacandelChloroplast under NaCl Stress[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2015. 荊曉姝. 秋茄葉綠體抗氧化防御基因KcCSD和KcTrxf的耐鹽性功能分析[D]. 北京: 北京林業大學, 2015.
[25] Yadav S K. Heavy metals toxicity in plants: an overview on the role of glutathione and phytochelatins in heavy metal stress tolerance of plants. South African Journal of Botany, 2010, 76(2): 167-179.
[26] Wagner G J. Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health. Advances in Agronomy, 1993, 51: 173-212.
[27] Zhang Y X, Jin L, Feng S S,etal. Effects of Cd on activity and gene expression of antioxidant enzymes in hyperaccumulatorSolanumnigrumL. Journal of Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2013, 30(1): 11-17. 張玉秀, 金玲, 馮珊珊, 等. 鎘對鎘超累積植物龍葵抗氧化酶活及基因表達的影響. 中國科學院大學學報, 2013, 30(1): 11-17.
[28] Luo H, Li H, Zhang X,etal. Antioxidant responses and gene expression in perennial ryegrass (LoliumperenneL.) under cadmium stress. Ecotoxicology, 2011, 20(4): 770-778.
[29] Pawlak S, Firych A, Rymer K,etal. Cu, Zn-superoxide dismutase is differently regulated by cadmium and lead in roots of soybean seedlings. Acta Physiologiae Plantarum, 2009, 31(4): 741-747.
[30] Hartwig A. Zink finger proteins as potential targets for toxic metal ions: differential effects on structure and function. Antioxidants and Redox Signaling, 2001, 3(4): 625-634.
Molecular cloning and expression analysis ofZjCSDfromZoysiajaponica
ZHANG Xue1, SUN Xin-Bo2, FAN Bo1, ZHANG Yin-Bing1, HAN Lie-Bao1, XU Li-Xin1*
1.InstituteofTurfgrassScience,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofCropGrowthRegulationofHebeiProvince,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071001,China
Copper/zinc-superoxide dismutase (CSD) is a key enzyme involved in the plant response to abiotic stress. Its content and activity is closely related to the stress tolerance of plants. TheZjCSDgene was isolated from the transcriptome database ofZoysiajaponicaby homologous cloning. It encoded a protein of 152 amino acid residues. Bioinformatics analysis revealed that the protein encoded byZjCSDgene was stable, hydrophobic, acidic, fat-soluble, and located in the cytoplasm. With typical Cu2+and Zn2+binding sites,ZjCSDbelonged to the plant SOD super family. A homology analysis based on the deduced amino sequence indicated thatZjCSDhad a closer relationship with CSD from Setaria italica and Zea mays than with CSDs from other plants. The expression profiles ofZjCSDin different tissues and under different stress treatments were investigated by qRT-PCR. Transcripts ofZjCSDwere detected in the root, stem, and leaf. The highest transcript levels were in the leaf. TheZjCSDmRNA levels were up-regulated by salt, drought, and cadmium stress, and down-regulated by lead stress. These results suggested thatZjCSDmight play a role in drought, salt, and heavy metal stress tolerance inZ.japonica.
Zoysiajaponica;CSD; bioinformatics; abiotic stress; qRT-PCR
10.11686/cyxb2016260
http://cyxb.lzu.edu.cn
2016-06-27;改回日期:2016-11-04
中國林學會——青年人才托舉工程項目和國家高新技術研究發展計劃項目(2013AA102607)資助。
張雪(1991-),女,山東煙臺人,在讀碩士。E-mail: zhangxuenearyuki@163.com
*通信作者Corresponding author. E-mail: lixinxu@bjfu.edu.cn
張雪, 孫鑫博, 樊波, 張胤冰, 韓烈保, 許立新. 結縷草ZjCSD基因的克隆及表達分析. 草業學報, 2017, 26(2): 102-110.
ZHANG Xue, SUN Xin-Bo, FAN Bo, ZHANG Yin-Bing, HAN Lie-Bao, XU Li-Xin. Molecular cloning and expression analysis ofZjCSDfromZoysiajaponica. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(2): 102-110.