甘薯IbGL3的克隆和表達分析

徐靖 朱紅林 朱家紅 符策強 韓義勝 唐力瓊 王敏芬 王新華 王效寧

摘 要：紫色甘薯富含花青素，具有較高的食用和藥用價值。花青素的生物合成受到結構基因和調節(jié)基因的控制。bHLH（basic helix-loop-helix protein）轉錄因子能夠調節(jié)多個花青素結構基因的表達，在花青素生物合成途徑中具有重要的調控作用，但目前在甘薯中還沒有關于bHLH調控花青素生物合成的相關報道。

為進一步了解IbGL3基因在甘薯花青素生物合成的功能和作用機理，該研究根據(jù)甘薯轉錄組數(shù)據(jù)，利用RT-PCR技術在甘薯中克隆了一個2 120 bp的bHLH基因IbGL3，該基因包含一個1 878 bp的開放閱讀框，編碼625個氨基酸，蛋白質分子量69.08 kD，理論等電點（pI）5.20。IbGL3蛋白和其他植物中類黃酮合成相關的bHLH蛋白具有較高的同源性，都包含保守的MIR區(qū)、bHLH結構域和ACT類似結構域。系統(tǒng)發(fā)育進化樹分析結果顯示，IbGL3與其他植物類黃酮相關bHLH蛋白聚為一類，屬于Ⅲf 亞類成員。表達結果顯示，IbGL3基因在紫色甘薯中的表達量最高，在淺紫色甘薯中的表達量次之，在白色甘薯中表達量最低，與花青素積累正相關，因此推測其在甘薯花青素生物合成途徑中具有重要的調控作用。

關鍵詞：甘薯，花青素，bHLH轉錄因子，基因表達

中圖分類號：Q943

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142（2018）10-1356-07

Abstract：Anthocyanin-rich purple sweet potatos have high edible and medicinal values. Anthocyanin biosynthesis is controlled by structural genes and regulatory genes. The basic helix-loop-helix protein（bHLH ） transcription factor plays an important role in anthocyanin biosynthesis by regulating multiple structural genes. However，there are no reports about bHLH regulating anthocyanin biosynthesis in sweet potato. In order to further understand the function and molecular mechanism of IbGL3 in the biosynthesis of anthocyanins in sweet potato，in this study，a bHLH gene named IbGL3 was cloned in Ipomoea batatas based on transcriptome data and RT-PCR technology. The full-length cDNA of IbGL3 was 2 120 bp，containing 1 878 bp opening reading frame（ORF），and encoding 625 amino acids. The encoded protein of IbGL3 has a molecular weight of 69.08 kD and the theoretical isoelectric point（pI） of 5.20. The IbGL3 protein had highly conserved MIR motif，bHLH domain and ACT domain，shared high identities and similar domains with bHLH proteins involved in anthocyanin biosynthesis from other plants. Phylogenetic analysis showed that IbGL3 was clustered in the Ⅲ f bHLH subgroup together with other anthocyanin-related bHLH proteins. The expression of IbGL3 in the storage root of different sweet potato varieties was detected by quantitative polymerase chain reaction（qPCR）. The results indicated that IbGL3 was mainly expressed in purple-fleshed sweet potato，followed by light purple-fleshed sweet potato and weakly expressed in white-fleshed sweet potato，and its expression was positively related to the accumulation of anthocyanin Ipomoea batatas. The results showed that IbGL3 may be involved in regulating anthocyanin biosynthesis in Ipomoea batatas.

Key words：Ipomoea batatas，anthocyanin，bHLH transcription factor，gene expression

花青素是一種存在于植物體內的類黃酮化合物，不僅在植物的花著色、抵御紫外線傷害、防止病源微生物侵襲等過程中起決定作用，還具有重要的營養(yǎng)價值和醫(yī)療保健功效（Panche et al，2016; Lila，2008）?；ㄇ嗨厣锖铣赏緩皆谀Ｊ街参镏幸训玫綇V泛研究，相關基因已在多種植物中得到分離（Hichri et al，2011; Albert et al，2014; Wang et al，2015）。植物類花青素生物合成主要受兩類基因控制：一類是結構基因，編碼與類黃酮生物合成有關的各種酶類;另一類是調節(jié)基因，其編碼的轉錄因子通過調控多個結構基因的表達參與對類黃酮次生代謝的調控（Hichri et al，2011; Wang et al，2015）。研究證實，花青素的生物合成主要受到轉錄因子MYB、bHLH和WD40組成的MYB-bHLH-WD40（MBW）轉錄復合體的調控（Xu et al，2015）。bHLH 轉錄因子是一類含有basichelix-loop-helix（bHLH） 結構域的轉錄因子，根據(jù)結構特征可分為12個亞類（I-Ⅻ），而調控類黃酮生物合成的bHLH蛋白主要集中在Ⅲf 亞類（Xu et al，2015; Heim et al，2003）。擬南芥中與調控花青素生物相關的bHLH轉錄因子主要有TT8/AtbHLH42、GL3/AtbHLH1和 EGL3/ AtbHLH2（Gonzalez et al，2008）。首個調控花青素生物合成的bHLH基因在玉米中得到分離和鑒定（Chandler et al，1989）。目前，已在菊花（Chrysan themums）、蘋果（Malus domestica）和荔枝（Litchi chinensis）等多種植物中得到分離和鑒定，這些轉錄因子大都能激活多個類黃酮生物合成關鍵酶基因的表達（Xiang et al，2015; Xu et al，2017; Lai et al，2016）。

甘薯是世界上廣泛種植的糧食和經(jīng)濟作物（Hu et al，2016）。作為一種聯(lián)合國糧食農業(yè)組織推薦的健康食品，甘薯富含淀粉、纖維素及多種有益的次生代謝物，如β胡蘿卜素和花青素（Liu et al，2017）。不同的甘薯品種中，紫肉甘薯富含的花青素，具有較高的食用和藥用價值（Li et al，2013）。相對于模式植物而言，甘薯花青素生物合成和調控機理研究相對滯后，目前還沒有關于bHLH蛋白調控花青素生物合成的相關報道（李霞等，2014）。在先前的研究中，筆者通過對不同肉色甘薯品種進行了比較轉錄組學分析，篩選到一批與花青素積累相關的差異表達基因，獲得1條與其它植物中GL3高度同源的EST序列。本研究將克隆IbGL3基因，并對其進行生物信息學分析，檢測其表達特征與花青素積累的相關性，為進一步揭示該基因在甘薯花青素生物合成中的功能和作用機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的甘薯材料種植于海南農業(yè)科學院永發(fā)基地。選取種植5個月后生長發(fā)育基本一致的白色、淺紫色和紫色甘薯品種的新鮮塊根為實驗材料用于RNA提取和花青素的測定。

1.2 花青素提取和測定

采用1%鹽酸溶液作為提取液提取甘薯塊根花青素，采用分光光度法測定花青素含量，具體參考劉桂玲等（2007）的方法。

1.3 核酸提取和cDNA的合成

甘薯塊根中RNA提取采用天根多糖多酚植物總RNA提取試劑盒;按照Thermo Scientific First Strand cDNA Synthesis Kit 說明書將RNA反轉錄合成cDNA第一鏈。

1.4 基因克隆和序列分析

根據(jù)轉錄組數(shù)據(jù)中注釋為GL3的EST序列，設計5′端特異引物PGL3F：5′-GCCCAGTTTGTTCAAGAGCC-3′和5′端引物PGL3R：5′-AGTTAGGGATAAACCTTTGCT-3′，以甘薯cDNA為模板對IbGL3進行擴增。擴增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳鑒定，回收目的條帶與pMD19-T載體連接并轉化大腸桿菌DH5α，通過藍白斑篩選和菌落PCR鑒定陽性克隆，送諾賽基因公司測序。利用ExPASy在線軟件（https：//www.expasy.org/）分析預測蛋白的氨基酸組成、分子式、分子量、等電點、穩(wěn)定性和親水性等;利用PSORT（http：//psort1.hgc.jp/form.html）預測亞細胞定位;利用SignalP（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/）進行信號肽分析;利用TMHMM（http：//www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）預測跨膜結構;利用DNAMAN軟件進行氨基酸序列比對分析;利用MEGA7進行進化樹分析。

1.5 基因表達分析

利用SYBR Select Master Mix試劑盒在Mx3005P Real-Time PCR System上進行qPCR分析。內參基因為Actin，引物序列為ACT-F（5′-CTGGTGTTATGGTTGGGATGG-3′）和ACT-R（5′-GGGGTGCCTCGGTAAGAAG-3′）;目的基因引物GE3-F（5′-CATCTGGACTGCGAAACTATCC-3′）和GE3-R（5′-GCTGGTGATGGTGACGTTAAT-3′）。qPCR反應體積20 μL：10 μL 2×SYBR mix，正反向引物各1 μL（10 μmol·L-1），1 μL cDNA模板，7 μL ddH2O。 qPCR反應條件：95 ℃ 10 min;95 ℃ 15 s，60 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，40個循環(huán)。

2 結果與分析

2.1 IbGL3的克隆

根據(jù)在甘薯轉錄組數(shù)據(jù)中獲得的IbGL3基因的EST序列，設計特異引物對該基因的全長序列進行擴增，獲得一條2 100 bp左右的特異條帶（圖1）。將目的片段連接到T載體上進行測序，測序結果與通過轉錄組測序得到結果一致，將該基因命名為IbGL3。本研究獲得的IbGL3基因全長2 120 bp，包含一個1 878 bp完整的開放閱讀框。

2.2 IbGL3的分子特征

IbGL3編碼蛋白由625個氨基酸組成，其中絲氨酸（Ser）最多，有63個，占比達到10.1%。IbGL3蛋白分子式為C2982H4784N854O982S24，預測分子量為69.08 kD，理論等電點5.20，不穩(wěn)定系數(shù)為43.06，被歸類為不穩(wěn)定蛋白;總平均疏水指數(shù)為-0.555，屬于親水性蛋白。亞細胞定位預測顯示IbGL3定位在細胞核內的可能性最大，核定位信號（PSSKKRKASKT）位于C-端。信號肽分析顯示IbGL3蛋白沒有信號肽，不屬于分泌蛋白。跨膜結構域分析顯示IbGL3蛋白無跨膜結構域。

2.3 IbGL3的進化和同源性分析

為進一步了解IbGL3的功能和進化特征，將IbGL3氨基酸序列與擬南芥不同亞類的bHLH蛋白及其他植物中已鑒定的與花青素合成相關的bHLH蛋白一起聚類分析，結果顯示IbGL3與TT8、GL3和EGL3聚在一起，屬于Ⅲf 亞類成員（圖2）。目前，在不同植物中鑒定的調控花青素生物合成的bHLH蛋白大都屬于Ⅲf 亞類，這說明IbGL3可能具有調控甘薯花青素生物合成的功能。將IbGL3和其他調控花青素的bHLH蛋白進行序列比對，發(fā)現(xiàn)這些蛋白都包含3個保守的結構域：N端與MYB蛋白互作的MIR區(qū)、bHLH結構域和位于C端的ACT類似結構域（圖3）。

2.4 IbGL3表達與花青素積累的相關性分析

利用定量PCR技術檢測了IbGL3在不同肉色甘薯塊根中的表達特征，發(fā)現(xiàn)IbGL3在紫色甘薯中的表達量最高，在淺紫甘薯中的表達量次之，在白色甘薯中表達量最低，與甘薯花青素含量正相關（圖4）。

3 討論與結論

bHLH轉錄因子是一類真核生物中存在最廣泛的一大類轉錄因子，在植物細胞大小和命運調控、激素響應、金屬體內平衡、光形態(tài)發(fā)生和花器官發(fā)育等多種生理過程中具有重要的調控作用（Heim et al，2003; Feller et al，2011; Yang et al，2017）。調節(jié)花青素生物合成的bHLH轉錄因子大都屬于Ⅲf 亞類，通過改變或過表達花青素合成相關bHLH基因能夠影響植物體內花青素的積累（Xu et al，2015;Li et al，2016; Lim et al，2017）。本研究在甘薯中克隆一個編碼bHLH與擬南芥GL3同源的基因IbGL3，其編碼區(qū)全長為1 878 bp，編碼625個氨基酸。亞細胞定位預測顯示，IbGL3 蛋白定位在細胞核內，說明IbGL3在細胞核內發(fā)揮功能。進化分析顯示，IbGL3屬于Ⅲf亞族的bHLH轉錄因子，與其他植物中花青素合成相關的bHLH蛋白具有較高的同源性，都含有保守的MIR區(qū)、bHLH結構域和ACT結構域。bHLH 轉錄因子通常與MYB轉錄因子相互作用協(xié)同調控花青素的生物合成，MIR區(qū)是bHLH與MYB蛋白互作區(qū)位于bHLH的N端（Heim et al，2003; Feller et al，2011）。bHLH結構域是DNA結合結構域，能形成同源或異源二聚體，這是bHLH蛋白與DNA結合的前提（Heim et al，2003; Feller et al，2011）。ACT類似結構域位于C端，是一段富含酸性氨基酸的序列，該區(qū)域能夠與RNA聚合酶Ⅱ結合并啟動轉錄;此外，該區(qū)域也與bHLH二聚體的形成有關（Feller et al，2006）。功能預測分析表明IbGL3可能具有調控甘薯花青素生物合成的功能。表達分析顯示，IbGL3在紫色甘薯中大量表達，在淺紫色甘薯中的表達量次之，而在白色甘薯中表達量最低，與花青素積累正相關，進一步說明IbGL3可能是甘薯花青素生物合成的調控基因。下一步將進一步研究IbGL3在花青素生物合成中的生物學功能和調控機理，為甘薯花青素生物合成遺傳改良奠定基礎。