謝海娟,葉廣繼,2,3,4,5,王 艦,2,3,4,5,楊永智,2,3,4,5*
(1. 青海大學(xué),青海 西寧 810016;2.青海省農(nóng)林科學(xué)院,青海 西寧 810016;3.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016;4.青藏高原生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016;5.青海省馬鈴薯育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016)
【前人研究進(jìn)展】自養(yǎng)植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生碳水化合物以維持非光合器官的生長(zhǎng),二氧化碳的固定發(fā)生在源器官中,如成熟葉片,白天吸收的大量碳源被轉(zhuǎn)化成蔗糖運(yùn)輸?shù)椒枪夂蠋?kù)器官中,如根、生殖器官、塊莖等,并且大約80 %的碳被運(yùn)輸?shù)綆?kù)器官,因此碳分配的調(diào)節(jié)對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育至關(guān)重要[1-2]。植物中的蔗糖從源轉(zhuǎn)運(yùn)到庫(kù)的運(yùn)輸途徑有2種,即共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑,共質(zhì)體途徑的運(yùn)輸主要是靠胞間聯(lián)絲來(lái)完成,而質(zhì)外體途徑的運(yùn)輸主要是靠一些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,如蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SUT)、糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SWEET)等[3]。在馬鈴薯中,雖然韌皮部中的篩管伴胞復(fù)合體與相鄰細(xì)胞間存在豐富的胞間聯(lián)絲,但其主要是采用質(zhì)外體途徑來(lái)運(yùn)輸蔗糖,而Viola等[4]通過(guò)共質(zhì)體熒光染料示蹤法證明,在馬鈴薯塊莖形成期光合產(chǎn)物的卸載會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣操|(zhì)體途徑。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白屬于易化擴(kuò)散載體超家族(major facilitator superfamily, MFS)下的糖轉(zhuǎn)運(yùn)家族成員,目前蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白由5個(gè)亞族組成,分別為SUT1、SUT2、SUT3、SUT4、SUT5,其中SUT3、SUT5為單子葉植物所特有,而且不同亞族的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)蔗糖的親和力與轉(zhuǎn)運(yùn)能力均不同,而SUT2是一種低親和力的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[5-6]。第一個(gè)蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SoSUT1)被Riesmeier等從菠菜中克隆,通過(guò)酵母異源表達(dá)證明了它能夠轉(zhuǎn)運(yùn)蔗糖[7]。沉默擬南芥韌皮部伴生細(xì)胞中AtSUT2發(fā)現(xiàn),缺失AtSUT2突變體中的蔗糖在韌皮部的運(yùn)輸減少,從而導(dǎo)致其生長(zhǎng)受阻,肥力下降,葉片中淀粉積累增加[8]。此外,植物中的SUTs在響應(yīng)非生物脅迫方面也有一定作用,芹菜中的AgSUT1在鹽處理下表達(dá)量降低,可能參與鹽脅迫過(guò)程[9]。擬南芥中AtSUT1和AtSUT2的表達(dá)在低溫處理下表達(dá)上調(diào)[10]。棉籽中PtaSUT4被干擾后植株對(duì)干旱的敏感性增加[11]。【研究意義】馬鈴薯是世界上四大糧食作物之一,是一種對(duì)鹽中度敏感的作物,當(dāng)土壤中鹽分較高時(shí),植株的生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制,如出苗率降低、葉片發(fā)黃、長(zhǎng)勢(shì)較弱、塊莖的形成受到抑制等,從而導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量下降[12]。將菠菜中的甜菜堿醛脫氫酶基因(BADH)導(dǎo)入馬鈴薯中,發(fā)現(xiàn)其提高了植株的耐鹽力[13-14]。Bouaziz等[15]發(fā)現(xiàn)與野生型馬鈴薯相比,不同鹽濃度處理后轉(zhuǎn)StDREB1基因的馬鈴薯其脯氨酸含量均高于野生型,增強(qiáng)馬鈴薯耐鹽性。【本研究切入點(diǎn)】而目前對(duì)于蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SUT2的研究較少且主要集中在它對(duì)蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)的親和能力上,在馬鈴薯抗逆方面的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以馬鈴薯青薯9號(hào)為實(shí)驗(yàn)材料,采用Gateway方法構(gòu)建表達(dá)載體pJAM1502-StSUT2,通過(guò)根癌農(nóng)桿菌遺傳轉(zhuǎn)化法將其轉(zhuǎn)入煙草進(jìn)行功能驗(yàn)證,以期為馬鈴薯耐鹽性機(jī)制提供基礎(chǔ)。
馬鈴薯青薯9號(hào)、煙草samsun、pDONR207載體以及1502表達(dá)載體均由青海省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)研究所提供。RNA提取試劑盒、cDNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒、TB Green Premix ExTaqⅡ均購(gòu)自TaKaRa公司;DNA膠回收試劑盒、質(zhì)粒DNA小量抽提試劑盒均購(gòu)自生工公司;Gateway?BP ClonaseTMⅡ和Gateway?LR ClonaseTMⅡ均購(gòu)自于invitrogen公司;農(nóng)桿菌GV3101購(gòu)自于維地生物公司;引物合成與測(cè)序服務(wù)均由上海生工完成。
馬鈴薯青薯9號(hào)葉片RNA提取采用TakaRa試劑盒,并進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。根據(jù)StSUT2的CDS序列(GenBank登錄號(hào)為NM_001288509.1)設(shè)計(jì)特異性引物SUT2-F/R(表1)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR反應(yīng)體系為:2×FastTaqPCR Master Mix 10 μl;引物(100 ng/μl)各0.5 μl;模板2 μl;dd H2O 7 μl。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性20 s,66 ℃退火20 s,72 ℃延伸1 min,共35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸5 min;4 ℃保存。經(jīng)2 %瓊脂糖凝膠電泳顯示條帶大小正確后,按照生工DNA膠回收試劑盒進(jìn)行膠回收。將目的片段與PLB載體(上海生工)重組,轉(zhuǎn)化到大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞DH5α中,涂板于含有氨芐青霉素(Amp)的LB培養(yǎng)基上,37 ℃過(guò)夜。挑取單克隆篩選陽(yáng)性,并送上海生工公司測(cè)序。
StSUT2基因測(cè)序序列采用DNAMAN軟件進(jìn)行拼接,利用ExPAsy protparam、TMHMM Server2.0等在線工具對(duì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)、跨膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)以及DNAMAN軟件進(jìn)行氨基酸序列比對(duì)分析,并利用MEGA6.0軟件采用鄰近法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。
馬鈴薯青薯9號(hào)組培苗在MS培養(yǎng)基生長(zhǎng)21 d后,將其移入含有200 mM NaCl的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行水培,分別于0,2,4,8,12,24 h取其根莖葉,提取RNA并進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,將反轉(zhuǎn)錄的cDNA濃度稀釋至200 ng/μl。熒光定量PCR反應(yīng)體系(μl)為:10 μl TB Green Premix ExTaqⅡ、引物(表1)各0.4、2 μl cDNA、7.2 μl ddH2O。反應(yīng)程序?yàn)閮刹椒ǎ?5 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性10 s,62 ℃退火延伸32 s,共40個(gè)循環(huán)。每個(gè)樣品反應(yīng)設(shè)置3次技術(shù)重復(fù),采用2-ΔΔCT法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
參照Gateway試劑盒(Gateway Cloning Kit, Invitrogen)說(shuō)明書,設(shè)計(jì)引物StSUT2-F/R和attb-F/R(表1)并按照Gateway試劑盒進(jìn)行表達(dá)載體的構(gòu)建。BP反應(yīng):將StSUT2-CDS與中間載體pDONR207

表1 試驗(yàn)所用引物名稱和序列
連接獲得pDONR207-StSUT2。LR反應(yīng):將pDONR207-StSUT2與表達(dá)載體1502連接獲得pJAM1502-StSUT2后,提取質(zhì)粒,-20 ℃保存,用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
采用凍融法將pJAM1502-StSUT2表達(dá)載體轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌GV3101中,涂板于含有利福平(Rif)和卡那霉素(Kan)的LB培養(yǎng)基上,放置在28 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)72 h,篩選陽(yáng)性克隆轉(zhuǎn)化煙草葉片。使用含有頭孢和卡那霉素(Kan)的MS培養(yǎng)基對(duì)轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行初步篩選后,提取其DNA,以野生型煙草為陰性對(duì)照,以pJAM1502-StSUT2菌液為陽(yáng)性對(duì)照對(duì)其進(jìn)行PCR鑒定。選取鑒定為陽(yáng)性的轉(zhuǎn)基因煙草提取其RNA并進(jìn)行熒光定量PCR檢測(cè)外源基因轉(zhuǎn)錄水平,選取表達(dá)量高的轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
野生型煙草與轉(zhuǎn)基因煙草在培養(yǎng)基生長(zhǎng)30 d后,將其移至溫室中(各6株),待其生長(zhǎng)30 d后使用200 mM NaCl溶液進(jìn)行澆灌,對(duì)照組使用清水澆灌,處理8 d后測(cè)量葉片的生理指標(biāo)。脯氨酸的測(cè)量使用茚三酮顯色法、可溶性蛋白的測(cè)定使用考馬斯亮藍(lán)G-250法、可溶性糖含量的測(cè)定使用試劑盒(南京建成生物工程研究所)完成。
2.1.1StSUT2基因的克隆 以馬鈴薯青薯9號(hào)葉片的cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,經(jīng)2 %瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè)后獲得一條大小為1900 bp左右的條帶(圖1),與預(yù)期大小一致。經(jīng)測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)(圖2),StSUT2基因的CDS長(zhǎng)度為1818 bp,編碼605個(gè)氨基酸。
2.1.2 StSUT2蛋白理化性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)分析StSUT2基因編碼的蛋白分子量為65.094 kD,理論等電點(diǎn)為6.01,所帶的正電荷總數(shù)(Arg + Lys)為39,所帶的負(fù)電荷總數(shù)(Asp + Glu)為45,不穩(wěn)定指數(shù)(Instability index)與平均親水性(Grand average of hydropathicity)分別為43.21、0.340,推測(cè)該蛋白為不穩(wěn)定的疏水性蛋白。
對(duì)StSUT2蛋白進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)(圖3),其含有11個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,分別位于氨基酸第64~86、101~123、136~158、220~242、263~282、375~397、428~447、457~479、500~522、537~559和566~588。
通過(guò)NCBI blast分析SUT2與其它物種蛋白的氨基酸同源性發(fā)現(xiàn),StSTU2與番茄SUT2序列(Solanumlycopersicum,NP_001234321.2)的一致性為97.69 %,與煙草SUT2(Nicotianatabacum,XP_016433446.1)和甜辣椒SUT2(Capsicumannuum,XP_016547084.1)的序列一致性分別為88.87 %,88.2 %,由多序列比對(duì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖4A),N端和中間序列差異較大,C端序列差異較小。利用MEGA6.0采用鄰近法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)發(fā)現(xiàn)(圖4B),StSUT2與番茄的親緣關(guān)系最近。

圖2 StSUT2基因的cDNA以及編碼的氨基酸序列Fig.2 The cDNA sequence and deduced amino acid sequence of StSUT2

圖3 StSUT2跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)Fig.3 The prediction of StSUT2 transmembrane structure
如圖5所示,不同組織中StSUT2的表達(dá)量有所差異,并且隨著鹽脅迫時(shí)間的增加表達(dá)量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),且根、莖中的表達(dá)量在處理8 h達(dá)到最高,而葉中的表達(dá)量在處理4 h達(dá)到最高。
采用Gateway方法構(gòu)建表達(dá)載體,BP反應(yīng)與LR反應(yīng)后提取質(zhì)粒發(fā)現(xiàn)(圖6),該條帶大小與預(yù)期一致,送上海生工測(cè)序,其序列正確,可用于下一步實(shí)驗(yàn)。
以根癌農(nóng)桿菌遺傳介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化法獲得抗性植株10株(圖7),提取野生型和轉(zhuǎn)基因型煙草DNA進(jìn)行PCR鑒定,凝膠電泳結(jié)果顯示(圖8),在野生型煙草中未擴(kuò)增出目的條帶,而轉(zhuǎn)基因株系中擴(kuò)增出目的條帶(1818 bp),說(shuō)明StSUT2基因成功轉(zhuǎn)入煙草。對(duì)野生型和已鑒定的轉(zhuǎn)基因株系煙草提取RNA并反轉(zhuǎn)錄,進(jìn)行熒光定量檢測(cè)發(fā)現(xiàn),野生型煙草中StSUT2基因表達(dá)量接近于0,而轉(zhuǎn)基因株系中該基因的表達(dá)量不相同,選取表達(dá)量高的轉(zhuǎn)基因株系(SUT2-7)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖4 馬鈴薯StSUT2同源蛋白比對(duì)分析及系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)Fig.4 Homologous proteins alignment analysis and phylogenetic tree of StSUT2 in potato
使用200 mM NaCl溶液和清水對(duì)野生型和SUT2-7植株澆灌后測(cè)定其脯氨酸、可溶性蛋白以及可溶性糖含量發(fā)現(xiàn)(圖9),與對(duì)照組相比,鹽脅迫后小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸與可溶性蛋白含量明顯增加,且轉(zhuǎn)基因植株中脯氨酸與可溶性蛋白含量的增加幅度明顯高于野生型植株。而鹽脅迫后野生型植株中小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖含量略微下降,轉(zhuǎn)基因植株中可溶性糖含量增加,說(shuō)明StSUT2基因可能會(huì)增強(qiáng)植株的耐鹽性。
近年來(lái),隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良作物性狀,從而提高作物抗性,因此鑒定參與非生物脅迫調(diào)控的基因顯得尤為重要[16]。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SUT)廣泛存在于各種植物中,參與光合產(chǎn)物從源到庫(kù)的運(yùn)輸,而該基因在馬鈴薯非生物脅迫等方面的報(bào)道較少,本研究通過(guò)PGSC數(shù)據(jù)庫(kù)以及NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)下載馬鈴薯SUT2的CDS序列,利用熒光定量測(cè)定青薯9號(hào)不同組織中StSUT2在200 mM NaCl脅迫下表達(dá)量的變化發(fā)現(xiàn),根、莖、葉中該基因的表達(dá)量有所差異,并且隨著鹽脅迫時(shí)間的增加表達(dá)量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),其中根、莖中的表達(dá)量在脅迫8 h達(dá)到最大,而葉中的表達(dá)量在4 h達(dá)到最大,說(shuō)明該基因響應(yīng)鹽脅迫。而芹菜中AgSUT1在300 mM NaCl脅迫下,其在所有組織中均降低,根中最為明顯,這可能是由于基因以及鹽濃度不同而引起[9]。通過(guò)同源克隆技術(shù)從青薯9號(hào)中克隆到StSUT2,并對(duì)其氨基酸序列進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),馬鈴薯StSUT2具有11個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)。一般地,蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SUTs)具有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu),如牡丹中的PsSUT2蛋白具有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,花生中的AhSUT1蛋白具有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,但Tang等發(fā)現(xiàn)梨中的PpSUT2具有11個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域[17-19]。馬鈴薯StSUT2同源蛋白多序列比對(duì)結(jié)果表明,馬鈴薯StSUT2與茄科中番茄的SUT2同源性較高,在系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)中馬鈴薯StSUT2與番茄、煙草、甜辣椒等茄科聚為一類,表明該蛋白的進(jìn)化具有較高的保守性。

圖5 鹽脅迫下StSUT2基因不同組織的表達(dá)分析Fig.5 The expression analysis of StSUT2 gene in different tissues under salt dress

M.DL2000, 1. BP反應(yīng)后提取的質(zhì)粒,2. LR反應(yīng)后提取的質(zhì)粒M.DL2000, 1.Plasmid extracted after BP reaction, 2. Plasmid extracted after LR reaction圖6 StSUT2基因的克隆及表達(dá)載體構(gòu)建Fig.6 The expression vector construction of StSUT2 gene

圖7 抗性植株的獲得Fig.7 Acquisition of resistant plants

A.PCR; B.qRT-PCR; M.DL2000, B. 空白對(duì)照,N. 陰性對(duì)照,P. 陽(yáng)性對(duì)照,1~10. 轉(zhuǎn)基因株系A(chǔ).PCR; B.qRT-PCR; M.DL2000, B. Blank control, N. Negative control, P. Positive control, 1-10. StSUT2 transgenic tobaccos圖8 轉(zhuǎn)StSUT2基因煙草的PCR鑒定Fig.8 Homologous proteins alignment analysis and phylogenetic tree of StSUT2 in potato

數(shù)值為3個(gè)重復(fù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤差Values are three repeated averages and standard errors圖9 葉片中脯氨酸、可溶性蛋白以及可溶性糖含量Fig.9 Contents of proline, soluble protein and soluble sugar in leaves
鹽脅迫會(huì)限制作物生長(zhǎng)發(fā)育,是影響作物產(chǎn)量以及品質(zhì)的環(huán)境因子之一,而滲透脅迫是其對(duì)植物的危害來(lái)源之一。當(dāng)土壤中鹽分過(guò)高時(shí),外界環(huán)境的水勢(shì)較低,抑制植株從外界吸取水分甚至失水,從而危害植株生長(zhǎng)[16]。而植物可以通過(guò)滲透物質(zhì)來(lái)維持細(xì)胞膨壓,常見(jiàn)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等[20]。植物中的脯氨酸常以游離態(tài)存在,當(dāng)植物遭受到鹽脅迫時(shí)體內(nèi)的脯氨酸含量會(huì)急劇增加,作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化,在一定程度上,脯氨酸含量的積累反映了植物的抗逆性,其含量積累的越多,抗逆性越強(qiáng)[21-22]。胡夢(mèng)蕓等發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)TaSUT1A的小麥在干旱脅迫下可溶性糖含量明顯高于野生型,增強(qiáng)了小麥對(duì)干旱的耐受性,更有利于其生長(zhǎng)[23]。過(guò)表達(dá)MdSUT2的擬南芥能夠在鹽脅迫、干旱脅迫以及ABA脅迫下積累更多的蔗糖,從而增強(qiáng)植株對(duì)非生物脅迫的耐受性,保持植物的正常生長(zhǎng)[24]。本研究通過(guò)農(nóng)桿菌遺傳轉(zhuǎn)化法將StSUT2轉(zhuǎn)入煙草中,獲得轉(zhuǎn)基因煙草并對(duì)其進(jìn)行鹽脅迫后測(cè)定了相關(guān)的抗性生理指標(biāo)發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因煙草中脯氨酸、可溶性蛋白以及可溶性糖含量均高于野生型,說(shuō)明StSUT2能夠通過(guò)提高脯氨酸、可溶性蛋白以及可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)維持滲透平衡,從而保證植株在滲透脅迫下正常生長(zhǎng),但StSUT2調(diào)控的相關(guān)基因以及更具體的抗逆機(jī)理還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
本研究成功克隆了馬鈴薯StSUT2基因的CDS區(qū),生物信息學(xué)發(fā)現(xiàn)StSUT2是不穩(wěn)定的疏水性蛋白,含有11個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,而且主要分布在質(zhì)膜上。青薯9號(hào)經(jīng)200 mM NaCl 脅迫后進(jìn)行qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn),不同組織中StSUT2的表達(dá)量有所差異,并且隨著鹽脅迫時(shí)間的增加表達(dá)量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。通過(guò)根癌農(nóng)桿菌遺傳轉(zhuǎn)化法將StSUT2轉(zhuǎn)入煙草中,并在鹽脅迫后測(cè)定生理指標(biāo)發(fā)現(xiàn),鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因煙草中的脯氨酸、可溶性蛋白以及可溶性糖含量均高于野生型。