瞬時過表達MnERF2基因對桑樹耐鹽性的影響

董亞茹，聶玉霞，李云芝，趙東曉，耿兵，王照紅

（山東省蠶業研究所，山東 煙臺 264002）

土壤鹽漬化是自然界常見的逆境，全世界約有20%的耕地受到鹽漬化威脅，嚴重影響了植物的生長、光合作用及生物量積累、產量等［1，2］。植物對非生物脅迫的反應受到多種因素的影響，涉及大量抗性基因的表達與調控，因此要提高植物對逆境的抗性就要從一些關鍵的調節轉錄因子著手。AP2/ERF類轉錄因子是植物特有的與脅迫應答有關的轉錄因子超家族。該類轉錄因子都具有1個或2個由60～70個氨基酸殘基組成的非常保守的AP2/ERF結構域。Sakuma等［3］依據AP2/ERF轉錄因子的AP2結構域相似性將其劃分為5大類，即AP2、ERF、DREB、RAV和Soloist。不同植物中AP2/ERF轉錄因子及其各亞家族成員的數量存在差異。桑樹中共鑒定到116個AP2/ERF轉錄因子家族成員，其中ERF 58個，AP233個，DREB 21個，RAV 3個，Soloist 1個［4］。

20世紀90年代，第一個AP2/ERF轉錄因子從擬南芥中分離出來，研究表明其參與調控了花的發育過程［5］。事實證明，AP2/ERF轉錄因子不僅參與調控植物的生長發育，在響應低溫、干旱、高鹽、缺氧、高溫等逆境脅迫方面也起到非常重要的作用［6，7］。擬南芥中AtCBF3基因可以誘導編碼脯氨酸合成關鍵酶的表達，增加體內游離脯氨酸含量，提高植株的耐寒性［8］。過表達AtERF1基因的轉基因擬南芥植株同時表現出對高溫、高鹽及干旱的耐受性，形態學觀察發現植株通過減小葉片氣孔孔徑以降低水分流失［9］。覃利萍［10］在對剛毛檉柳的研究中發現ThCRF1轉錄因子可以促進海藻糖和脯氨酸的生物合成以及提高SOD和POD活性，從而提高植物對鹽脅迫的耐受性。Yao等［11］發現擬南芥ERF74和ERF75受缺氧脅迫誘導，通過調控缺氧響應基因的表達來提高植株的缺氧耐受能力，同時敲除ERF74和ERF75的突變體植株表現出對淹水脅迫較高的敏感性。高溫脅迫下擬南芥AtCBF3顯著表達，與野生型相比，轉AtCBF3基因的馬鈴薯植株ROS積累量減少，光合作用顯著提高，表現出更強的耐高溫性［12］。此外，AP2/ERF類轉錄因子也參與乙烯的生物合成及信號傳導。

本研究將MnERF2基因過表達載體（pROKⅡ-MnERF2）、抑制表達載體（pROKⅡ-MnERF2-SRDX）瞬時轉入桑樹中并通過NaCl脅迫使其表達，比較分析了不同轉基因植株的耐鹽生理指標，初步鑒定MnERF2的功能，以期為桑樹及木本植物耐鹽分子機制研究奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試桑樹品種為雜交種桂桑優12，種子購于廣西蠶業技術推廣總站。試驗于2021年3月在山東省蠶業研究所組培實驗室進行。挑選飽滿一致的種子，在超凈臺中用75%乙醇消毒1 min，然后用5%次氯酸鈉消毒10 min，最后用無菌水沖洗5次，鋪種到裝有MS培養基的培養皿中。一周后挑選萌發無菌的種子移栽到裝有MS培養基的組培瓶中，每瓶4顆種子，以此獲得大量無菌桑樹植株，用于瞬時侵染試驗。植物過表達載體（pROKⅡ-MnERF2）、抑制表達載體（pROKⅡ-MnERF2-SRDX）由本實驗室構建保存。MnERF2屬于ERF亞家族，GenBank登錄號為XM_010106513，由本實驗室從桂桑優12中克隆獲得。

1.2 MnERF2基因過表達和抑制表達載體瞬時轉化桑樹

選擇生長一致的1個月左右的桑樹無菌苗，將構建好的MnERF2基因過表達載體（pROKⅡ-MnERF2，OE）、抑 制 表 達 載 體（pROKⅡ-MnERF2-SRDX，RNAi）和空載體（pROKⅡ，WT）分別瞬時侵染桑樹組培苗，侵染方法參照Ji等［13］的描述。桑樹植株在1/2MS培養基中培養48 h后移至含有100 mmol·L-1NaCl的1/2MS培養基中，在脅迫處理0、6、12、24、48 h取整株桑樹材料，經液氮速凍后保存于-80℃冰箱，用于后續試驗。

1.3 MnERF2基因瞬時表達桑樹的抗逆生理指標測定

1.4 實時熒光定量PCR

用植物RNA試劑盒提取桑樹植株總RNA，并反轉錄成cDNA。將反轉錄產物稀釋10倍，選擇MnRPL15和β-actin作為內參基因，引物見表1，由上海生工生物有限公司合成。RT-PCR反應體系為：TB Green PremixEx Taq10μL，基因特異性上下游引物各1μL（10μmol·L-1），模板2 μL，補ddH2O至20μL。每個測試樣品進行3次重復試驗。反應程序按照TB Green PremixEx Taq（TaKaRa No.RR820Q）說明進行，在CFX96 Real-Time PCR Detection System儀器（Bio-Rad Bio.CA.USA）上完成。RT-PCR數據利用2-△△Ct法［21］進行分析。

表1 RT-PCR引物及其序列

2 結果與分析

2.1 MnERF2基因瞬時表達桑樹植株的獲得

NaCl脅迫48 h后對MnERF2基因瞬時表達量進行RT-PCR分析，結果（圖1）顯示，MnERF2基因在瞬時過表達（OE）株系中的表達量最高，在抑制表達（RNAi）株系中最低。表明已成功獲得了瞬時過表達和抑制表達MnERF2基因的桑樹植株。

圖1 MnERF2基因瞬時轉化桑樹植株qRT-PCR檢測

2.2 MnERF2基因瞬時表達桑樹植株的抗性生理研究

2.2.1 ROS及MDA含量的變化 NaCl脅迫后，MnERF2基因OE株系中的、H2O2、·OH和MDA含量均低于野生株，而RNAi株系中的含量高于野生株，且隨著處理時間的延長，各株系中的、H2O2、·OH和MDA含量均不斷增加。脅迫48 h時，OE株系的、H2O2、·OH和MDA含量分別比野生株降低了17.67%、34.42%、30.24%和27.40%，而RNAi株系分別比野生株升高了27.45%、46.17%、21.74%和9.71%（圖2）。

圖2 NaCl脅迫不同時間轉基因和野生桑樹中ROS和MDA含量的變化

2.2.2 抗氧化酶活性 NaCl脅迫后，MnERF2基因OE株系中SOD、POD、CAT、GST活性均強于對照，RNAi株系中則均弱于對照，且隨著處理時間的延長各株系中的四種保護酶活性均不斷增加。脅迫48 h時，OE株系的SOD、POD、CAT、GST活性分別比野生株提高了36.05%、23.86%、37.98%、24.46%，RNAi株系的則比野生株降低了28.16%、29.32%、23.74%、22.24%（圖3）。

圖3 NaCl脅迫不同時間轉基因和野生桑樹中SOD、POD、CAT和GST活性的變化

2.2.3 滲透調節物質含量 NaCl脅迫后，MnERF2基因OE株系中AsA、GSH、脯氨酸含量均高于對照，而RNAi株系中均低于對照，隨著處理時間的延長均不斷增加。脅迫48 h時，OE株系的AsA、GSH、脯氨酸含量分別比野生株提高41.73%、22.47%、34.47%，RNAi株系則分別比野生株降低25.18%、18.32%、31.03%（圖4）。

圖4 NaCl脅迫不同時間轉基因桑樹和野生桑樹中AsA、GSH和脯氨酸含量的變化

2.3 抗氧化酶基因表達分析

由于脅迫48 h的抗氧化酶活性最高，因此對該時間SOD、POD、CAT三種酶基因的表達量進行分析，結果（圖5）顯示，MnERF2基因的OE株系中三種酶基因的表達量均顯著高于對照，而RNAi株系中三種酶基因的表達量均顯著低于對照。

圖5 NaCl脅迫48 h轉基因和野生桑樹中抗氧化酶基因的表達量

3 討論與結論

轉錄因子可以與啟動子內的順式元件相互作用，調節下游基因的轉錄，在植物抵抗非生物脅迫中具有重要作用［22］。因此，發掘抗非生物脅迫相關轉錄因子，研究其抗逆分子機制，能夠為植物抗逆分子改良提供重要數據和材料。已有研究顯示，不同植物的ERF轉錄因子通過調控脅迫響應基因，在高鹽度、干旱和低溫等非生物脅迫響應中發揮重要作用［23-26］。本研究前期在桑樹鹽脅迫轉錄組數據分析中發現ERF基因響應鹽脅迫的誘導，并從中篩選到一個上調表達倍數較高的ERF基因，命名為MnERF2，推測其在桑樹耐鹽響應中發揮一定功能。

為了驗證MnERF2基因的耐鹽功能，分析桑樹響應鹽脅迫的生理生化變化，本研究分別構建植物過表達載體（pROKⅡ-MnERF2）及抑制表達載體（pROKⅡ-MnERF2-SRDX），通過農桿菌介導的高效瞬時遺傳轉化獲得了MnERF2基因瞬時過表達（OE）、抑制表達（RNAi）桑樹植株，RT-PCR檢測結果顯示，MnERF2基因在OE植株中的表達量顯著高于在RNAi植株中，表明獲得了瞬時表達桑樹植株，這與在擬南芥［21］、白樺［27］、檉柳［28］上的研究結果類似，可用于后續抗逆功能的研究。

活性氧（ROS）是有氧代謝的副產物［29］。當植物遭遇鹽和干旱脅迫時，ROS會過度積累，導致DNA、脂類、蛋白質的損傷，最終導致氧化應激［30］。通過抗氧化系統清除ROS，可將ROS保持在較低的穩態水平［31］。鹽脅迫可以顯著影響植物細胞質膜脂質過氧化，從而改變質膜滲透性，調節離子的滲透模式，鹽脅迫引起的這種膜損傷也與ROS的增加有關［32］。MDA是脂質過氧化作用的最終產物，其積累量反映了氧自由基引起的細胞膜損傷程度［13］。為此，本研究分別對NaCl脅迫條件下MnERF2基因過表達、抑制表達及野生桑樹植株的ROS和MDA含量進行比較分析，結果顯示，隨著脅迫時間的延長，過表達MnERF2基因可以降低桑樹在鹽脅迫下的O2·-、H2O2、·OH和MDA含量，說明MnERF2基因可以降低鹽脅迫下的氧化應激，從而保護細胞膜、減輕損傷，具有一定的耐鹽性。

為了避免ROS過度積累造成的氧化損傷，植物自身抗氧化系統會通過提高抗氧化酶活性和非酶物質來清除ROS。谷胱甘肽S-轉移酶（GST）是一種多功能酶，在外源性物質的解毒和應激代謝中起著至關重要的作用，是植物在逆境條件下的重要因子，可防止氧化損傷［33］。擬南芥AtGSTU19在鹽度和干旱條件下表達上調，檉柳ThGSTZ1基因在干旱和鹽脅迫下表達上調［34，35］。本研究中，過表達MnERF2基因可以顯著提高桑樹在鹽脅迫下的SOD、POD、CAT、GST活性，具有正向調控作用，從而增強ROS清除能力，進而提高桑樹的耐鹽性。這與前人［28，36］的研究結果類似。

抗壞血酸（AsA）具有抗氧化作用，能有效清除羥基自由基和過氧化物［37］。谷胱甘肽（GSH）是一種低分子量的硫醇，廣泛分布在動植物中［38，39］，可以直接去除活性氧，是一種重要的抗氧化劑［40］。同時，GSH作為GST的底物，具有活性氧清除作用［38］。游離脯氨酸（Pro）可以調節細胞膜的滲透性，在穩定膜和蛋白質等生物大分子結構方面發揮作用，起到對鹽、干旱和污染物脅迫的抗性作用［41］。本研究中，過表達MnERF2基因可以使鹽脅迫桑樹中的AsA、GSH、脯氨酸含量顯著高于對照和抑制表達植株。由此可見，MnERF2能夠通過控制鹽脅迫下AsA、GSH、脯氨酸的生物合成來增加植物的抗氧化物質含量，提高滲透勢，最終提高植物的耐鹽性。

綜上所述，鹽脅迫下過表達MnERF2基因可通過增強抗氧化酶SOD、POD、CAT、GST活性，增加抗氧化物質和滲透調節物質含量，增強ROS清除能力，減少細胞受損或死亡，從而提高桑樹的耐鹽能力。