馮發(fā)玉,王 毅,王麗娟,羅瑪妮婭,徐令文,楊彥萍,陸 斌
(1.西南林業(yè)大學 林學院,云南 昆明 650224;2.云南省林業(yè)和草原科學院 a.云南省森林植物培育與開發(fā)利用重點實驗室;b.國家林業(yè)局云南珍稀瀕特森林植物保護和繁育重點實驗室,云南 昆明 650201)
竹葉花椒Zanthoxylum armatumDC.為蕓香科花椒屬多刺小喬木。野生竹葉花椒主要分布在喜馬拉雅山脈附近的亞熱帶和溫帶河谷地區(qū),我國的四川、云南和重慶等西南地區(qū)已有廣泛的栽植[1]。竹葉花椒的根、莖和果實均可入藥,常用于祛風散寒、促進消化和行氣止痛,其果實還是重要的香料和調味品,果皮花椒油的提取率高于紅花椒,所含揮發(fā)油為殺蟲劑和抑菌劑中的有效成分[2]。竹葉花椒具有早實豐產、抗病蟲性強、耐干旱瘠薄、根系發(fā)達和固土保水保肥能力強等特點,是退耕還林工程中生態(tài)效益好的經濟樹種[3]。竹葉花椒是多刺的,其主干、枝、葉柄均密生皮刺,這可以保護竹葉花椒免受食草動物的攻擊和機械傷害[4],而其皮刺卻不討人喜愛,因為皮刺增加了栽培、管理、收獲的難度[5],提高了種植成本。因此,培育無刺的竹葉花椒品種是其育種計劃的一個重要目標。然而,傳統(tǒng)育種技術將無刺性狀與其他重要性狀結合起來,可能既耗時且所需費用又昂貴[6]。因此,挖掘竹葉花椒皮刺發(fā)育過程中的關鍵基因是十分重要的。
轉錄因子又稱為反式作用因子,是由基因編碼的一類調節(jié)蛋白,能夠識別和結合特異的DNA序列,借助蛋白與DNA間的相互作用能有效調控目的基因在時空中的有序表達[7]。其中,MYB是植物體中最大的轉錄因子家族,對植物的生長發(fā)育具有重要調節(jié)作用,其位于N端的DNA結合區(qū)通常高度保守,由1~4個串聯(lián)且不完全重復的R結構組成,且R結構是由50~53個氨基酸組成的[8],位于羧基端的轉錄激活區(qū),氨基酸一般折疊成雙親性,其一級結構的保守性不強,功能具有一定的可塑性[9]。有關研究結果表明,MYB類轉錄因子在一些表皮生長物(包括毛狀體和皮刺)的發(fā)育中具有重要作用[6]。Zhao等[10]研究發(fā)現(xiàn),擬南芥Arabidopsis thaliana毛狀體的形成受到典型MBW轉錄復合物(其中包括MYB轉錄因子)的調控;Pandey等[11]在對熱帶刺茄Solanum viarum皮刺的研究中發(fā)現(xiàn),與其皮刺發(fā)育有關的R2R3-MYB轉錄因子可能具有潛在作用;Swarnkar等[12]在對玫瑰Rosa rugosa皮刺的研究中發(fā)現(xiàn),玫瑰樹皮中表皮細胞的分化似乎是由MYB蛋白決定的,并且在其皮刺的發(fā)育過程中,參與木質素合成的MYB123和參與次生細胞壁生物發(fā)生的MYB43其表達水平均逐漸上調,其研究結果證實了成熟期間皮刺的木質化和硬化。
然而,到目前為止,尚未見有關于竹葉花椒MYB轉錄因子家族的研究報道。為了挖掘出與竹葉花椒皮刺發(fā)育有關聯(lián)的MYB轉錄因子,研究其結構特點和生物學功能,本研究基于已有的竹葉花椒轉錄測序數據,對竹葉花椒中存在的MYB轉錄因子進行生物信息學及表達模式的分析,并結合已報道的其他物種中的功能性MYB轉錄因子,預測了部分竹葉花椒MYB轉錄因子的功能,篩選出可能參與皮刺發(fā)育的MYB轉錄因子,以期為進一步揭示MYB轉錄因子家族生物學功能提供理論依據,為后續(xù)無刺竹葉花椒品種的基因工程培育提供候選基因。
選取云南省林業(yè)和草原科學院樹木園中生長狀況良好的5年生實生竹葉花椒為研究材料。2019年4月單株取樣,分別采集竹葉花椒的葉芽(樣品編號為Ya)、根尖(樣品編號為Gen)和皮刺剛突起(樣品編號為PC1)、皮刺開始木質化(樣品編號為PC2)、皮刺完全木質化(樣品編號為PC3)等不同發(fā)育時期的皮刺及沒有油點的果實樣品(其編號為ZaF1);2019年5月從相同樣株上采集剛有油點的果實樣品(其編號為ZaF2)。將所采樣品迅速放入液氮中冷凍,送至派森諾生物科技股份有限公司,采用第二代測序技術(Next-generation sequencing,NGS),基于Illumina HiSeq測序平臺,對7個樣品進行雙末端(Paired-end,PE)測序,測序讀數為PE150,獨立樣本測序深度為6 G。
采用第二代測序技術獲得竹葉花椒轉錄組數據,并從中篩選出含有MYB轉錄因子的數據,利用在線預測軟件ORF Finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/orfig.cgi)搜索獲取具有全長氨基酸序列的竹葉花椒MYB轉錄因子序列。利用本地在線軟件Blast比對分析MYB蛋白結構域,并剔除無MYB結構域的蛋白序列[13],利用SMART在線軟件篩選并確認竹葉花椒MYB蛋白序列是否包含SANT保守結構域。
利用ExPASy protparam tool在線程序分析竹葉花椒MYB蛋白的理化性質,利用ProtScale在線程序分析蛋白的親水性與疏水性,采用signaIP-5.0和PSORT Prediction在線軟件預測蛋白的信號肽及亞細胞的定位,采用Prabi在線軟件預測蛋白的二級結構[13]。利用MEME在線軟件對39個竹葉花椒MYB蛋白的保守結構域進行預測,具體參數設置如下:基序位點分布情況,選擇重復次數不限制;保守性基序的數目限制選擇7,其他參數不變,均采用默認值[14]。
以下載于Plant TFDB(http://planttfdb.gao-lab.org/)數據庫的擬南芥MYB蛋白為參考序列,利用MEGA7軟件構建竹葉花椒與擬南芥MYB轉錄因子蛋白系統(tǒng)進化樹;將以不同組織間表達差異顯著的8個竹葉花椒MYB轉錄因子蛋白序列與其他10個功能已被驗證的植物MYB轉錄因子蛋白序列共同構建系統(tǒng)進化樹,采用鄰位連接法(Neighbor-joining,NJ)構建系統(tǒng)進化樹,選用模型為Jones-Taylor-Thornton,執(zhí)行方式設為Bootstrap method,自檢重復次數設定為1 000次。
以竹葉花椒的芽(Ya)、根尖(Gen)、不同發(fā)育時期的皮刺(PC1、PC2、PC3)和果實(ZaF1、ZaF2)的轉錄組測序(RNA-seq)數據為基礎,獲得竹葉花椒MYB轉錄因子基因表達譜數據,利用基因云在線軟件上傳基因表達譜數據,依據其FPKM值,在線繪制竹葉花椒MYB轉錄因子基因表達交互熱圖。
為了驗證轉錄組測序的結果及MYB轉錄因子的表達模式,設以特異引物TZaMYB10(F-5′GAATGTTCTCACAACATGAA3′、R-5′ATTAATAGTACTATTACTA3′)與TZaMYB26(F-5′GAGTTGCAGATTGCGATGGA3′、R-5′CCACGTCAGCAATCACAGGC3′) 和Ubiquitins(F-5′ CATGAAAGTCGAATATATCA3′、R-5′ ATGATTAACACTAGT3′)為內參基因。定量PCR反應體系為:2×SYBR的綠色主混合物12.5 μL,上、下游引物各0.5 μL,模板(cDNA)1 μL,ddH2O 10.5 μL,每個樣本進行3次技術重復。使用PCR熱循環(huán)儀(ABI 7300,應用生物系統(tǒng),F(xiàn)oster City,CA,USA)對目標基因進行實時熒光定量檢測分析,PCR的反應程序為:95 ℃下預變性5 min;95 ℃下變性30 s,58 ℃下退火30 s,72 ℃下延伸2 min(共35個循環(huán));72 ℃下終延伸7 min,4 ℃下保存。擴增完成后從65 ℃到95 ℃進行溶解曲線分析,驗證擴增的特異性[15]。
以ZaMYB10基因序列為依據,通過引物設計軟件Primer 5設計PCR特異擴增引物,引物由上海生工生物工程有限公司合成。克隆引物為ZaMYB10F(5′-ATGGGACGCCATTCTTCTTG-3′)和ZaMYB10R(5′-CATAAGTGGTGGAAGA-3′)。以竹葉花椒皮刺的cDNA為模板,分別以ZaMYB10F和ZaMYB10R為引物,以HiFiDNA聚合酶進行擴增,得到ZaMYB10全基因片段。經過電泳檢測后,將目的片段連接到pUMT載體上,經PCR檢測后送往上海生工生物工程有限公司測序。
從竹葉花椒轉錄組數據中篩選出39條MYB轉錄因子序列,其所含氨基酸數量為101~621 aa,平均氨基酸數為288 aa。利用ExPASy protparam tool在線軟件分析竹葉花椒MYB蛋白的基本性質,分析結果見表1。
由表1可知,在39個ZaMYB蛋白中,理論等電點(PI)的最大值為10.70,最小值為4.71,其均值為7.44,這一預測結果說明,竹葉花椒的MYB蛋白偏堿性;除ZaMYB6蛋白的親水性的評分為正值外,其余38個ZaMYB蛋白的親水性的評分均為負值,這一分析結果表明,ZaMYB蛋白是可溶性蛋白。39個MYB蛋白二級結構的預測結果表明,除了ZaMYB21、ZaMYB24和ZaMYB35蛋白的二級結構均以α-螺旋為主,其余36個ZaMYB蛋白的無規(guī)則卷曲的占比最高;總體而言,ZaMYB蛋白以無規(guī)則卷曲和α-螺旋為其主要結構,β-轉角及延伸鏈均為其次要結構,無規(guī)則卷曲結構有利于ZaMYB蛋白穩(wěn)定性的維持。信號肽的預測結果說明,竹葉花椒MYB蛋白不存在信號肽。亞細胞定位結果顯示,39個ZaMYB蛋白位于細胞核的可能性最大,這一預測結果符合轉錄因子的分布特點。
利用SMART在線程序對竹葉花椒MYB轉錄因子進行結構域分析,結果如圖1所示。

圖1 ZaMYB蛋白家族結構域的預測結果Fig.1 ZaMYB protein family domain prediction result
圖1顯示,39個竹葉花椒MYB蛋白具有共同的保守結構域,28個ZaMYB蛋白包含2個SANT結構域,其占比最高,這和大多數植物MYB轉錄因子結構域的分析結果相同,9個蛋白只包含1個SANT結構域,其中ZaMYB4和ZaMYB28除了具有1個SANT結構域外,均包含1個ZnF_C2H2鋅指結構域,據此推測,其具有MYB轉錄因子功能之外的其他功能。利用MEME在線軟件對竹葉花椒MYB家族蛋白系列進行分析,結果得到了如圖2所示的7個保守元件,并命名其為基序1~7,此基序包含11~50個氨基酸,每個ZaMYB蛋白的基序數量為1~5個。在37個ZaMYB蛋白中發(fā)現(xiàn)了motif3,其為最常見的基序,其次分別是motif1和motif3,分別在32和30個ZaMYB蛋白中被發(fā)現(xiàn)。

圖2 竹葉花椒MYB基因家族的保守元件和基因結構Fig.2 Conserved elements and gene structure of Z.armatum MYB gene family
擬南芥作為模式植物,有關其MYB轉錄因子基因功能的研究較為透徹,因此,結合擬南芥MYB蛋白的系統(tǒng)進化樹進行分析,不僅有助于理解ZaMYB蛋白的系統(tǒng)進化關系,還可以推測ZaMYB蛋白的功能。本研究利用MEGA7軟件構建竹葉花椒和擬南芥MYB轉錄因子蛋白的系統(tǒng)進化樹,結果如圖3所示。圖3表明,竹葉花椒的ZaMYB36蛋白與擬南芥的AtMYB3R-1、AtMYB3R-2、AtMYB3R-3和AtMYB3R-4蛋白聚在同一分支中,均為R3類型;竹葉花椒的ZaMYB38蛋白可劃分為R4類型,因為其與擬南芥的R4類蛋白聚在同一分支中。這一分析結果與SMART的結構域分析結果一致。整體而言,竹葉花椒和擬南芥的MYB蛋白主要聚為4個大分支:分支Ⅰ,包含16個R2R3-ZaMYB類蛋白和2個R1-ZaMYB蛋白;分支Ⅱ,包含4個R2R3-ZaMYB類蛋白和3個R1-ZaMYB蛋白;分支Ⅲ,包含8個R1-ZaMYB蛋白和1個R3-MYB蛋白;分支Ⅳ,包含4個無法與擬南芥MYB家族聚類的R3-MYB蛋白和1個R4-MYB蛋白,值得注意的是,在這4個無法聚類的蛋白中,ZaMYB4和ZaMYB28蛋白中均含鋅指結構,而ZaMYB6蛋白具有未知結構域。依據擬南芥R1-MYB和R2-MYB蛋白的劃分標準,可將ZaMYB蛋白進一步劃分為23個亞組,其中,部分擬南芥亞組不包含ZaMYB轉錄因子。

圖3 竹葉花椒和擬南芥MYB類蛋白的系統(tǒng)進化分析結果Fig.3 Phylogenetic analysis of MYB protein in Z.armatum and Arabidopsis thaliana
在擬南芥的蛋白中,S4和S7亞組成員主要參與黃酮類化合物和花青素的合成,因此推測,與其聚在一個分支的ZaMYB7、ZaMYB24、ZaMYB26和ZaMYB29蛋白可能都具有相似的功能[17]。根據竹葉花椒MYB轉錄因子基因表達譜數據,篩選出表達差異顯著的8個ZaMYB轉錄因子,由這8個ZaMYB轉錄因子與擬南芥、甜橙Citrus sinensis和枇杷Eriobotrya japonica的功能已被驗證的10個MYB轉錄因子共同構建的系統(tǒng)進化樹如圖4所示。由圖4可知,竹葉花椒的ZaMYB10轉錄因子與擬南芥的AtMYB85轉錄因子和甜橙的CsMYB85轉錄因子均聚在一個分支中;竹葉花椒的ZaMYB25轉錄因子和擬南芥的AtMYB103轉錄因子聚在一個分支中,其bootstrap值為100。因此推測,竹葉花椒的ZaMYB10轉錄因子和擬南芥的AtMYB85、甜橙的CsMYB85轉錄因子可能都有類似的功能,竹葉花椒的ZaMYB25轉錄因子和擬南芥的AtMYB103轉錄因子可能具有類似的功能。

圖4 部分竹葉花椒MYB蛋白和參與調控植物生長發(fā)育相關蛋白的進化關系Fig.4 Evolutionary relationship between MYB protein and proteins involved in plant growth and development of Z.armatum
通過基因云在線軟件上傳竹葉花椒根、芽、皮刺和果的基因表達譜數據,依據其FPKM值,在線繪制如圖5所示的竹葉花椒MYB家族轉錄因子基因表達交互熱圖。根據差異表達模式,將這些基因聚集成如下3個分支:分支Ⅰ,包含14個基因,除了ZaMYB5和ZaMYB33基因在果實中的表達量較高之外,其余12個基因在皮刺中的表達量均較高,其中的ZaMYB10和ZaMYB25基因在皮刺中均有特異表達;分支Ⅱ,包含11個基因,主要在根中表達;分支Ⅲ,包含14個基因,主要在芽和果實中有較高的表達量。值得注意的是,竹葉花椒MYB轉錄因子在皮刺不同發(fā)育時期的表達量逐漸升高,從圖5中可以看出,其在皮刺發(fā)育起始時期(PC1)的表達量相對較低,而在皮刺發(fā)育木質化(PC3)時期的表達量較高,從皮刺剛突起到皮刺發(fā)育成熟階段(從PC1到PC3),MYB轉錄因子的表達量總體呈現(xiàn)出逐漸增長的變化趨勢,特別是ZaMYB10、ZaMYB23和ZaMYB25基因的表達量均呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢,因此推測,這3個基因參與了對皮刺生長發(fā)育的調控。

圖5 竹葉花椒MYB轉錄因子的基因表達情況Fig.5 Interactive heat map of gene expression of Z.armatum MYB transcription factor
經特異引物檢測反轉錄得到竹葉花椒cDNA,采用實時熒光定量PCR技術分析ZaMYB10和ZaMYB26基因在竹葉花椒的根、芽、皮刺、果實等組織中的具體表達情況,結果如圖6所示。從圖6中可以看出,ZaMYB26基因在發(fā)育早期的皮刺(PC1)和無油點果實(ZaF1)中的表達量均相對較高,ZaMYB10基因在皮刺中的表達特異,且其在發(fā)育早期(PC1)到成熟時期(PC3)的皮刺中的表達量呈現(xiàn)出逐漸增長的變化趨勢,這一分析結果與轉錄組基因表達分析結果一致。

圖6 ZaMYB10和ZaMYB26基因在竹葉花椒不同組織中的相對表達量Fig.6 Expression of ZaMYB10 and ZaMYB26 genes in different tissues of Z.armatum
以ZaMYB10F和ZaMYB10R為特異引物,通過RT-PCR反應擴增目的基因,PCR反應產物的瓊脂糖凝膠電泳結果如圖7所示。從圖7中可以看出,EB顯色后,在約為1 030 bp處有1條清晰的亮帶,其與目的基因片段大小相符。切膠回收,將回收產物與pUMT載體連接,提取陽性克隆質粒,經BamHI和HindIII雙酶切后得到的片段大小與PCR產物大小相吻合,利用NCBI ORF Finder軟件對測序結果進行分析,結果表明,ZaMYB10基因具有全長為1 032 bp的完整的cDNA開放閱讀框(ORF),其編碼343個氨基酸。

圖7 竹葉花椒ZaMYB10基因的克隆Fig.7 Cloning of ZaMYB10 Gene from Z.armatum
在真核細胞中,基因表達調控是重要的生命活動,其中,轉錄調控主要是在一個復雜的由轉錄因子介導的相互作用系統(tǒng)中進行的。MYB轉錄因子普遍存在于植物中,對植物生長發(fā)育過程具有重要的調控作用[17]。隨著相關研究的不斷深入,MYB轉錄因子已在多個物種中被挖掘與鑒定,Hou等[18]在柑橘Citrus reticulata中發(fā)現(xiàn)了177個MYB轉錄因子;Dubos等[19]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了198個MYB轉錄因子;丁蒙蒙等[20]在楠木Phoebe zhennan中鑒定得到了82個MYB轉錄因子。本研究基于竹葉花椒轉錄組數據共挖掘出了39個MYB轉錄因子,其中包括9個R1-MYB、28個R2R3-MYB、1個R3-MYB和1個R4-MYB基因。對其理化性質的分析結果表明,不同的MYB轉錄因子編碼的蛋白其理化性質存在差異,說明竹葉花椒不同的MYB轉錄因子發(fā)揮的生物學作用也不相同[21]。亞細胞定位預測結果顯示,39個MYB轉錄因子定位于細胞核的可能性最大,這一預測結果符合轉錄因子調控下游基因表達的特性[22]。
竹葉花椒主干和枝條均密生皮刺,對果實采摘造成了一定的困難,故采摘果實常需大量的勞動力,費工費時[5]。目前,關于竹葉花椒皮刺的研究相對薄弱,因此,通過分析3個不同發(fā)育時期的皮刺中MYB轉錄因子的表達情況,以挖掘出可能參與皮刺生長發(fā)育的MYB轉錄因子。有關研究結果表明,在植物不同發(fā)育時期的同一組織中,基因表達存在差異的MYB轉錄因子在其發(fā)育過程中起著重要作用。Jia等[23]在對甜橙的研究中發(fā)現(xiàn),CsMYB308和CsMYB330基因的表達水平在甜橙果汁囊的木質化過程中發(fā)生了顯著變化,他們通過瞬時分析和過量表達分析證明了這兩個基因在甜橙果汁囊的木質化中均起著重要作用;李志根等[24]在分析MaMYB2基因在不同組織中的表達模式后發(fā)現(xiàn),MaMYB2基因可能參與了葡萄風信子Muscari botryoides花青素積累的轉錄調控。研究中發(fā)現(xiàn),ZaMYB10、ZaMYB23和ZaMYB25基因的表達量從早期皮刺(PC1)到成熟皮刺(PC3)逐漸增長,據此推測,這3個基因可能參與了皮刺生長發(fā)育的調控。
Asano等[25]在對玫瑰皮刺形態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn),木質素的積累從皮刺頂部開始,向下擴散到皮刺的整個部分中,這表明皮刺的硬化與木質素的積累密切相關。竹葉花椒的皮刺和玫瑰的皮刺具有相同的發(fā)育史,其皮刺形態(tài)均經歷了從小到大和從軟到硬的變化過程。最近有關研究者[12]發(fā)現(xiàn),玫瑰皮刺的發(fā)生和毛狀體的形成類似,受到典型MBW轉錄復合物的調控,其中皮刺的形成似乎是由MYB蛋白決定的,玫瑰皮刺在其形成過程中積累了大量的次生代謝產物,尤其是木質素和類黃酮物質,一些與木質素合成相關的MYB轉錄因子,在皮刺發(fā)育過程中的表達水平逐漸上調,這一結果表明,MYB轉錄因子在皮刺的發(fā)育過程中具有重要作用。在對竹葉花椒MYB轉錄因子系統(tǒng)進化關系的分析中發(fā)現(xiàn),竹葉花椒的ZaMYB10基因與擬南芥的AtMYB85基因和甜橙的CsMYB85基因均聚在一個分支中,表明竹葉花椒的ZaMYB10與擬南芥的AtMYB85和甜橙的CsMYB85的親緣關系均較近,其ZaMYB25和擬南芥的AtMYB103也聚在一個分支中,其bootstrap值為100,且擬南芥的AtMYB85[26]、AtMYB103[27]基因和甜橙的CsMYB85[28]基因均參與了木質素的生物合成。結合基因表達分析結果推測,ZaMYB10和ZaMYB25基因在皮刺發(fā)育過程中均發(fā)揮著重要作用。
為了驗證測序數據的準確性,采用實時熒光定量PCR分析發(fā)現(xiàn),ZaMYB10基因在皮刺中的特異表達情況和轉錄組分析結果一致,由此推測,ZaMYB10基因可能參與了竹葉花椒皮刺中木質素的生物合成,與皮刺的硬化具有密切的關系。除此之外,對ZaMYB10基因的克隆結果表明,ZaMYB10基因具有全長為1 032 bp的完整的cDNA開放閱讀框(ORF),其編碼343個氨基酸,這進一步證實了該基因的真實性。這一研究結果為進一步探討竹葉花椒MYB轉錄因子參與皮刺生長發(fā)育調控的機理奠定了基礎,同時為無刺或少刺的竹葉花椒的基因工程培育提供了候選基因。然而,本研究對ZaMYB10基因的功能未加驗證,后續(xù)將通過異源表達和基因敲除等驗證其功能。
從竹葉花椒中共鑒定出39條MYB轉錄因子序列,其均包含SANT保守結構域,其中包括9個R1-MYB型基因、28個R2R3-MYB型基因、1個R3型基因和1個R4型基因。分析其系統(tǒng)進化關系和基因表達情況后發(fā)現(xiàn),ZaMYB10和ZaMYB25基因可能與其皮刺的發(fā)育有關系,且實時熒光定量PCR分析結果也表明,ZaMYB10基因在皮刺中有特異表達,其表達模式和轉錄組分析結果一致;此外,本研究成功克隆了ZaMYB10基因。這些證據證明,ZaMYB10基因真實存在并且可能在皮刺發(fā)育過程中具有重要作用。