董茗秀 易芳 胡帥 高燕麗



關鍵詞:山核桃;薄殼山核桃;Oleosin基因;生物信息學;亞細胞定位
中圖分類號:S664.1 文獻標志碼:A 文章編號:1009-9980(2023)01-0035-13
油脂是生物體能量代謝的主要來源,在生物膜合成、能量穩定、信號轉導等方面發揮重要作用。植物細胞中油脂以三酰甘油(Triacylglycerol,TAG)的形式合成于內質網,通過出芽的形式存儲于特定細胞器油體(Lipid Droplet,LD)中。油體主要由三酰甘油(TAG)、磷脂(Phospholipid)和內嵌蛋白(In-trinsic proteins)組成。TAG是植物種子中能量存儲的有效形式之一,可以為種子萌發和幼苗初期生長提供必要的能量。由親水性的磷酸基團和疏水性的?;鶊F組成的磷脂是油體生物膜結構的主要組分,內嵌蛋白則主要負責維持油體的結構穩定性。油體表面的內嵌蛋白包括油體蛋白(Oleosin,OLEO),油體鈣蛋白(Caleosin,CLO)、甾醇蛋白(Steroleosin,SLO)和油體相關蛋白(Lipid Droplet Associated Proteins,LDAP)等。油體蛋白最早在綠藻中被發現,是油體含量最豐富的膜蛋白,約占種子總蛋白的8%。隨著分子生物學技術的快速發展,目前擬南芥(Arabidopsis thaliana)、油菜(Bras-sica napus)、大豆(Glycine max)和芝麻(Sesa-mum indicum)等物種中的油體蛋白均被研究。不同物種中oleosin基因具有相似的理化性質:蛋白相對分子質量為15~26 ku,蛋白結構包含1個疏水環區,具體由3個脯氨酸殘基和1個絲氨酸殘基(-PXsub>5SPXsub>3P-)組成的“脯氨酸結”,該結構域對油體蛋白靶向定位到油體至關重要。
Oleosin是種子油體表面表達豐度最高的蛋白,另外發現oleosin也定位于花粉的表面和茸毛層。目前在擬南芥中鑒定到16個oleosin蛋白,其中5個主要在種子中表達,8個在花藥中表達,以及3個同時在種子和花藥中表達,其中在種子中表達的oleo-sin蛋白主要功能是調節油體大小和影響種子萌發。研究發現,oleosin蛋白在種子干燥過程中對油體的穩定性和融合有一定的影響;另外在種子過冬階段,oleosin蛋白調控油體大小和種子活力,在種子萌發過程中oleosin蛋白調控脂質代謝。擬南芥AtOlel基因敲除后,突變體種子油體形態異常,油體異常積累,導致種子萌發延緩。水稻中過表達黃豆oleosin基因,轉基因水稻籽粒中油體蛋白數量增多、體積變小,種子含油量顯著增加,但三酰甘油的脂肪酸組成并未發生變化,表明油體大小與總含油量呈負相關。擬南芥olel ole2雙突變體中,發現種子細胞中具有不規則且增大的含油結構,同時,油體蛋白可通過防止低溫自吸脹過程中油體的異常融合,提高種子細胞活力。oleosin基因可以維持油體的大小和結構的穩定性,影響脂類物質的積累,從而調節植物種子的含油量,并且種子活力可能與含油量相關。由此可見,油體蛋白oleosin在種子生長發育過程中具有重要作用。
山核桃(Carya cathayensis),也稱中國山核桃,屬于胡桃科山核桃屬,主要分布于浙江和安徽一帶,已有500多年的種植歷史。薄殼山核桃(Carya illinoinensis),也屬于胡桃科山核桃屬,是世界著名的胡桃科堅果樹種,原產于美國。山核桃與薄殼山核桃分別是東亞和北美洲東部的胡桃科山核桃屬代表,也是胡桃科山核桃屬中僅有的兩種商業栽培的樹種。山核桃的堅果較小,外殼較硬,而且缺乏對非生物脅迫如高溫、洪水、干旱和鹽堿的耐受性,極大地限制了山核桃全世界范圍內的商業化種植。山核桃與薄殼山核桃含油量都高達70%,其中不飽和脂肪酸占90%以上,且具有補腦、降低血脂、預防心腦血管疾病等功效。筆者以商業栽培山核桃屬堅果樹種的2個代表(山核桃與美國山核桃)為研究對象,根據已公開發表的山核桃和薄殼山核桃基因組信息,通過生物信息學手段分析ole-osin基因家族,主要包括保守基序、系統進化、啟動子區域順式作用元件、表達模式及亞細胞定位研究等方面,為進一步篩選山核桃oleosin候選基因并進行功能分析提供一定的參考依據。
1材料和方法
1.1 0leosin基因鑒定
通過擬南芥數據庫TAIR(https://www.arabidop-sis.org)獲取擬南芥oleosin基因家族蛋白序列,作為參照序列,通過BioEdit進行本地BlastP從山核桃以及薄殼山核桃數據庫(https://ngdc.cncb.ac.cn/data-basecommons/database/id/4151)中獲取oleosin蛋白序列,利用Pfam數據庫(https://pfam.xfam.org)篩選包含oleosin結構域的蛋白序列。
1.2 Oleosin蛋白的理化性質分析
利用ProtParam (https://web.expasy.org/prot-param)數據庫分析山核桃和薄殼山核桃oleosin蛋白理化性質,并且利用WoLF PSORT (https://wolf-psort.hgc.jp)在線工具進行亞細胞定位預測分析。
1.3 Oleosin蛋白保守基序和系統進化分析
山核桃與薄殼山核桃oleo sin蛋白保守基序分析參考徐胤等的方法。利用MEME Suite 5.4.1(https://meme-suite.org/meme/doc/meme.html)對山核桃和薄殼山核桃oleosin蛋白保守基序進行分析,最后利用TBtools軟件進行優化。利用DNAMAN軟件對oleosin基因家族氨基酸序列進行多重比對分析。通過Uniprot(UniProt)數據庫下載油菜、花生(Arachis hypogaea)和大豆的oleosin蛋白序列,結合已獲得的擬南芥、山核桃、薄殼山核桃oleosin蛋白序列,利用MEGA 7.0軟件通過鄰接法(Neighbor-Joining,NJ)構建系統進化樹,校對參數Bootstrap設置為1000,進一步利用Evolview (https://www.evol-genius.info/evolview-v2)在線工具進行優化。
1.4 Oleosin基因家族啟動子區域順式作用元件分析
利用TBtools軟件從山核桃和薄殼山核桃基因組中導出oleosin基因上游2000bp啟動子區域序列,然后利用Plant CARE (https://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html)預測山核桃和薄殼山核桃oleosin蛋白啟動子區域順式作用元件。
1.5山核桃oleosin基因在胚發育不同階段的表達模式分析
為了研究山核桃oleosin基因在胚發育不同階段的表達豐度,利用NCBI Short Read Archive data-base(SRA) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/)獲得山核桃胚發育不同階段轉錄組數據(檢索號為PRJ-NA687050),獲得oleosin基因RPKM (Reads Per Kilobase Per Million Mapped Reads)數值,利用MEV4.9.0繪制熱圖。
1.6低溫脅迫及ABA處理下山核桃oleosin基因的表達模式分析
研究材料為浙江農林大學張啟香教授課題組已成功誘導的山核桃愈傷組織。每個愈傷培養皿直徑為90mm,高度為20mm,培養皿中愈傷個數平均為9個。3個愈傷培養皿為1個重復。每個處理3個重復。對生長狀況良好的山核桃愈傷組織進行4℃低溫和100μmol·L-1ABA處理,并分別在處理0、2、4、6、8和12 h后取0.5 g愈傷組織,液氮速凍,利用Trizol法提取RNA,并反轉錄合成cDNA,用于后續qRT-PCR檢測。反轉錄試劑盒(PrimeScriptT-MRTreagent Kit,RR047A)和TB green試劑(RR820A)購于TaKaRa公司。
利用Primer Primer 5軟件設計山核桃oleosin基因序列的特異性定量引物,由生工生物工程(上海)股份有限公司合成,以山核桃CCARF基因為內參基因(具體引物序列如下表1)?;蛳鄬Ρ磉_量計算采用2-ΔΔCt方法。
1.7山核桃oleosin蛋白亞細胞定位分析
載體與試劑:pBI221-UBQlO-GFP載體由筆者所在實驗室保存;DNA聚合酶(Phanta Max Super-Fidelity DNA Polymerase,P505)購于南京諾唯贊生物科技有限公司;瓊脂糖凝膠純化回收試劑盒(E.Z.N.A.Gel Extraction Kit,OMEGA)購于南京百思禾生物科技有限公司;質粒小提試劑盒(TIANGEN Mini Plasmid Kit)購于天根生化科技(北京)有限公司;限制性內切酶QuickCutTMXbaI和QuickCutTMBamH Ⅰ與T4 DNA連接酶均購于TaKaRa公司;質粒測序由北京擎科生物技術有限公司完成。
用SnapGene軟件分別在山核桃oleosin基因CCA0520S0025和CCA0791S0002的CDS序列兩端設計引物(CCA0520S0025-F:GGGTC TAGAATGTCT-GATCACTCAAGGCCATTGCCA0520S0025- R:GG-GGGATCCTGTCCTCCTTCCCTCTTGGGCCCA07-91S0002-F:GGGTCTAGAATGGCCGAGAACCAA-CAGCA和CCA0791S0002-R:GGGGGATCCGCC-CTGTGCACCAGAGACAT)。引物下劃線的為酶切位點Xba Ⅰ(TCTAGA)和BamH Ⅰ(GGATCC)。利用Trizol法提取山核桃胚RNA,利用反轉錄試劑盒(TRAN,北京,P30702)獲得cDNA。以cDNA為模板,用CCA0520S0025-F與CCA0520S0025-R和CCA0791S0002-F與CCA0791S0002-R引物對山核桃oleosin基因CCA0520S0025和CCA0791S0002的CDS序列進行PCR擴增。PCR反應體系50μL:2×Phanta Max Buffer 25μL,10μmol·L-1正反向引物各2μL,10 mmol·L-1dNTP 1μL,模板cDNA 4μL,ddH2O 15μL,Phanta Max Super-Fidelity DNA Poly-merase 1μL。PCR反應程序:95℃預變性5 min,95℃變性15 s,58℃退火15 s,72℃延伸1 min,30個循環,72℃延伸5 min。利用瓊脂糖凝膠純化回收試劑盒回收目的基因片段。利用限制性內切酶Xba Ⅰ和BamH Ⅰ對pBI221-UBQ10-GFP載體與回收的目的基因片段進行雙酶切。通過酶切連接的方法,構建表達載體pBI221-UBQlO-CCA0520S0025-GFP和pBI221-UBQ10-CCA0791S0002-GFP,經測序驗證正確后,提取質粒。
擬南芥懸浮細胞瞬時轉化體系參考Zeng等的方法。將培養Sd的擬南芥懸浮細胞轉至50 mL離心管中,1000r·min-1離心2 min,棄上清液,加入酶解液置于25℃搖床解離2h后,750r·min-1離心10min,棄上清液,加入2倍的EP Buffer重懸細胞,750r·min-1離心10 min,2次重復,吸取500μL擬南芥懸浮細胞至電擊杯,加入一定濃度的質粒,如pBI221-UBQ10-CCA0520S0025-GFP和pBI221-UBQ10-CCA0791S0002-GFP分別與AtOLEO2-RFP(擬南芥oleosin基因)共轉化,靜置5~10 min,以130V和1000·F電壓電擊后,加入2mL TEX Buffer重懸細胞,倒入35 mm培養皿置于25℃培養12 h。利用激光共聚焦顯微鏡(Leica TCS SP8)觀察亞細胞定位情況,具體分析山核桃oleosin基因與擬南芥oleosin標志基因AtOLE02的亞細胞共定位情況,綠色熒光(GFP)接收波長范圍為488~510 nm,紅色熒光(RFP)接收波長范圍為532~588 nm。試驗所用的擬南芥oleosin基因(AtOLEO2-RFP)質粒由筆者所在實驗室保存。
2結果與分析
2.1 Oleosin基因家族成員鑒定及理化性質分析
以擬南芥oleosin基因作為參照,在山核桃和薄殼山核桃基因組中分別鑒定到7個和8個具有脯氨酸發卡結構域的oleosin基因,進一步利用Prot-Param軟件對15個oleosin蛋白的理化性質進行分析。結果顯示(表2),山核桃和薄殼山核桃oleosin基因編碼139~166個氨基酸;蛋白質分子質量為14.54~17.51ku;等電點范圍為9.33~10.36,蛋白不穩定系數介于28.71~63.13之間,脂肪系數為88.86~112.11,平均親水性介于0.098~0.467之間。對亞細胞定位進行預測,結果發現,CCA0520S0025、CCA0779S0183、CIL1212S0020、CIL093 8S0150可能定位于葉綠體,CCA0514S0208和CIL0009S0029可能定位于液泡膜,其余9個山核桃oleosin蛋白可能定位于細胞質膜。綜上,山核桃與薄殼山核桃的蛋白質分子質量均小于25 ku,具有較高的等電點和脂肪系數,即山核桃和薄殼山核桃具有相似的理化性質。
2.2 Oleosin蛋白質保守結構域及啟動子順式作用元件分析
通過氨基酸多重序列比對,發現山核桃和薄殼山核桃oleosin蛋白都具有一個典型的且高度保守的“脯氨酸結”基序(圖1-A),即包含1個絲氨酸殘基和3個脯氨酸殘基,可簡化為PX5SPX3P,該結構是油體中特有的結構。對山核桃與薄殼山核桃oleosin基因結構分析,發現oleosin基因家族成員均含有一個外顯子,無內含子。山核桃與薄殼山核桃oleosin蛋白保守基序分析顯示,山核桃和薄殼山核桃15個oleosin基因均包含motif 1、motif2、motif3和motif4基序,推測該4個基序在oleosin蛋白序列中高度保守;從基序結構和基序位置來看,CIL0938S0150、CCA0791S0002與CIL0252S0009的基序位置相似,而CIL0938S0150蛋白序列存在額外的motif 15基序,可能具有特異性的功能;類似的,CCA0656S0072、CCA0656S0074與CIL094S01193個蛋白具有一致的保守基序,暗示蛋白結構和功能可能相似(圖1-B)。
通過PlantCARE在線工具對山核桃和薄殼山核桃oleosin基因啟動子順式作用元件進行功能預測。結果發現山核桃和薄殼山核桃oleosin基因啟動子均含有激素響應和脅迫響應元件。在山核桃和薄殼山核桃中分別有5個和7個oleosin基因啟動子中含有MeJA響應元件、分別有5個和4個oleosin基因啟動子中含有GA響應元件、分別有5個和6個oleosin基因啟動子中含有ABA響應元件。除了CCA0520S0025、CIL0922S0190和CIL0252S0009外,其余oleosin基因均含有光周期響應元件。同時發現CCA0779S0183、CIL0009S0029、CIL1212S0020、CIL0212S0015與CIL0252S0009啟動子中含有干旱響應元件。CCA0779S0183、CIL0009S0029與CIL1494S0045啟動子中含有低溫響應元件(圖1-C)。在15個oleosin基因啟動子中均檢測到應對環境變化和激素信號相關的順式作用元件,因此推測山核桃和薄殼山核桃oleosin基因響應逆境及激素信號而參與調控植物生長發育。
2.3 Oleosin基因家族系統發育進化分析
利用MEGA7.0軟件對山核桃(7個)和薄殼山核桃(8個)、擬南芥(17個)、油菜(17個)、花生(17個)和大豆(14個)的oleosin基因進行系統進化分析。結果表明,以上80個基因可劃分為4個亞家族,包括T-Oleosin、U-Oleosin、SH-Oleosin和SL-Oleosin(圖2)。山核桃與薄殼山核桃15個oleosin基因分布在U-Oleosin,SH- Oleosin,SL-Oleosin 3個亞家族。SL-Oleosin是最大亞族分支,約占山核桃和薄殼山核桃oleosin基因成員的1/2。在SL-Oleosin亞家族中,山核桃和薄殼山核桃oleosin基因分布在2個分支中,CCA0791S0002、CIL0938S0150與CIL0252S0009處于同一分支,親緣關系最近。另一分支中CCA0520S0025與CIL1494S0045、CCA0779S0183和CIL0922S0190匯聚。在U-Oleosin亞家族中,山核桃和薄殼山核桃oleosin基因同樣分布在2個分支中,CCA0674S0096和CIL0212S0015聚在同一分支,親緣關系最近;CIL1212S0020分布在另一分支中,未發現親緣關系較近的山核桃oleosin基因。在SH-Oleosin分支中,山核桃與薄殼山核桃oleosin基因聚在同一分支,親緣關系較近,先與花生和大豆oleosin基因匯聚在一個分支,最后與十字花科的油菜和擬南芥oleosin基因匯聚在一起。
2.4山核桃oleosin基因在胚發育不同階段的表達模式分析
利用山核桃胚發育不同階段轉錄組數據庫,分析oleosin基因在胚發育不同階段(S1、S2、S3、S4、S5)的表達模式(圖3)。從oleosin基因表達水平分析,CCA0674S0096、CCA0779S0183、CCA0514S0208與CCA0520S0025表達趨勢一致可聚為一類;CCA0791S0002、CCA0656S0072與CCA0656S0074表達趨勢一致可聚為一類。從山核桃胚發育階段分析,oleosin基因表達模式在胚發育的Sl、S2和S3階段可聚為一類,S4和S5階段可聚為一類。
相對Sl時期,山核桃oleosin基因在胚發育不同階段均呈現不同程度的上調表達;在CCA0656S0072與CCA0656S0074中oleosin基因在S5階段顯著上調表達;S2到S3階段,CCA0520S0025和CCA0791S0002中oleosin基因表達量顯著增加,因此推測oleosin基因在胚發育不同階段具有功能多樣性。
2.5山核桃oleosin基因在ABA處理與低溫脅迫下的表達模式分析
山核桃oleosin基因啟動子區域含有1個至多個不等的ABA響應元件和低溫脅迫響應相關元件。挑選山核桃6個oleosin基因,利用qRT-PCR分析ABA和低溫脅迫條件下的基因表達模式。結果顯示(圖4-A),在ABA處理條件下,山核桃oleosin基因均呈現出上升表達趨勢。CCA0791S0002、CCA050S0025、CCA0514S0208和CCA0674S0096基因表達模式相近,呈現上升表達趨勢,CCA0791S0002和CCA050S0025均在ABA處理2h達到表達峰值;CCA0656S0074在ABA處理后呈現持續上升表達趨勢,表達量在處理12h后達到最高值;CCA0779S0183在ABA處理4h后出現下降表達趨勢,表達量在2h達到表達峰值。
在低溫脅迫處理條件下,山核桃oleosin基因表達呈現出3種不同的表達模式(圖4-B),分別呈現上升表達趨勢(CCA0791S0002和CCA0520S0025)、先下降后上升再下降的雙峰表達趨勢(CCA0514S0208)以及下降表達趨勢(CCA0656S0074、CCA0674S0096和CCA0779S0183)。
2.6 Oleosin蛋白亞細胞定位分析
為進一步研究oleosin蛋白的亞細胞定位,分別構建融合GFP標簽的oleosin蛋白CCA0520S0025和CCA0791S0002瞬時轉化表達載體(pBI221-UBQ10-CCA0520S0025-GFP和pBI221-UBQ10-CCA0791S0002-GFP)(圖5)。利用擬南芥懸浮細胞瞬時轉化體系,以擬南芥AtOLE02-RFP為陽性對照,觀察oleosin蛋白的亞細胞定位情況。結果發現CCA0520S0025-GFP和CCA0791S0002-GFP均與AtOLE02-RFP共定位,且都定位于油體,表明CCA0520S0025和CCA0791S0002均是油體蛋白。
3討論
本研究從山核桃和薄殼山核桃基因組中分別鑒定到7個和8個含有完整開放閱讀框的oleosin基因。目前已從擬南芥和油菜基因組中分別鑒定到了17個和48個oleosin基因。在四倍體棉種陸地棉(Gossypium hirsutum)和巴巴登棉(Gossypium bar-badense)中分別鑒定出25個和24個oleosin基因,而在二倍體棉種樹木棉(Gossypium arboreum)和雷蒙地棉(Gossypium raimondii)中分別鑒定出12個和13個oleosin基因。相對于油菜oleosin蛋白序列末端的高度可變性,導致其理化性質存在一定差異性,屬于兩親性蛋白。通過理化性質分析發現,山核桃和薄殼山核桃oleosin蛋白屬于堿性蛋白。源自于不同物種的油體蛋白可劃分為6大類譜系:P-Oleosin,U-Oleosin, SL-Oleosin, SH-Oleosin, T-Oleo-sin和M-Oleosin。其中M-Oleosin存在于花椰菜,T-Oleosin僅存在于十字花科物種,P-Oleosin主要分布于綠藻,是U-Oleosin的來源,P-Oleosin可進一步進化為SL-Oleosin和SH-Oleosin。通過系統進化分析,CIL12125S0020、AT3G18570和ATIG48990聚在同一分支,親緣關系較近,推測具有相似的生物學功能。同時發現,CCA0656S0072與CCA0656S0074、CCA0520S0025與CIL149480045、CCA0779S0183與CIL092280190的蛋白序列、基因結構及進化上較為相近,分別可歸類為山核桃與薄殼山核桃的同源蛋白。
油體蛋白oleosin是存在于油體表面的一類重要蛋白,在油體形成、油體形態穩定性、種子萌發及響應逆境脅迫等方面具有重要調控作用。油體蛋白oleosin調控油體形成。研究發現,墨西哥鱷梨中油體蛋白PaOlel是中果皮特有的,與果實成熟相關,在青果期高表達,并且與果實含油量相關。在山核桃胚發育過程中,胚含油量在S1到S5階段不斷增加,其中S2到S3階段為快速積累階段。分析發現山核桃oleosin基因在胚發育不同階段也呈現上調表達趨勢,其中CCA0520S0025和CCA07-91S0002在S2到S3階段的表達量顯著上調,推測在胚發育含油量快速積累階段發揮重要作用。油體蛋白oleosin調控油體大小與脂肪酸含量。在煙草中過表達油用芍藥Po Olel7.5基因,煙草種子百粒質量和脂肪酸含量顯著增加;在擬南芥中超表達油菜oleosin基因(BnaOLEl-BnaOLE4),除Bna OLE1外,轉基因擬南芥種子的油體均顯著大于野生型;同時發現轉基因擬南芥株系脂肪酸組成改變,主要表現為亞油酸含量增加而花生酸含量降低。
油體蛋白oleosin響應逆境脅迫。研究發現,甘藍型油菜經30μmol·L-1JA處理后,oleosin基因表達量增高;在干旱狀態下,野生型擬南芥經ABA和山梨醇處理后,oleosin基因表達量增高;高梁(Sorghum bicolor)oleosin基因通過調節膜滲透性,可參與ABA響應;0.5μmol·L-1ABA處理擬南芥AtSAG突變體時,OLE2基因的表達量顯著上升。油體蛋白能維持低溫脅迫下油體的完整性,進而提高種子的抗寒力,保證種子經過低溫脅迫后仍然能正常萌發。研究發現,在油體蛋白缺失的突變體中,油體蛋白水平影響了種子的發芽和耐凍性;擬南芥單突變體種子olel和ole2在低溫處理后,萌發率降低;雙突變體種子olel ole2和olel ole3經過4℃低溫處理后加快了油體的融合,使種子出現致死現象。在擬南芥oleosinl突變體中超表達飼用高梁oleosin基因(Sb Ole)并進行冷凍處理,結果發現超表達SbOle基因植株提高了擬南芥的發芽率。
綜上所述,油體蛋白oleosin在油體形成、種子萌發以及逆境脅迫中發揮重要作用,對于山核桃oleosin蛋白功能分析是下一步重要工作內容,特別是CCA0520S0025和CCA0791S0002響應山核桃油脂積累,響應ABA以及低溫誘導,可能參與調控山核桃種子形成含油量積累、種子萌發等生物學過程。
4結論
對山核桃和薄殼山核桃基因組中oleosin基因家族成員進行了基因結構分析;系統進化分析,發現oleosin基因家族成員主要分布在U-Oleosin、SL-Oleosin和SH-Oleosin 3個亞家族;順式作用元件分析,結果顯示oleosin基因家族成員可能參與逆境脅迫和激素調控。熒光定量PCR結果表明山核桃ole-osin基因CCA0520S0025和CCA0791S0002響應ABA和低溫脅迫?;谵D錄組數據分析表明oleo-sin基因家族成員在山核桃胚發育過程中發揮重要作用。亞細胞定位分析進一步表明CCA0520S0025和CCA0791S0002蛋白均定位于油體,可能在油脂合成過程中發揮重要作用。