沈威,滕瑞敏,李輝,劉志薇,王永鑫,王文麗,莊靜
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,茶葉科學(xué)研究所,江蘇 南京 210095
茶樹MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因的克隆與非生物脅迫響應(yīng)分析
沈威,滕瑞敏,李輝,劉志薇,王永鑫,王文麗,莊靜*
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,茶葉科學(xué)研究所,江蘇 南京 210095
本研究基于茶樹轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫,以茶樹龍井43為試驗(yàn)材料,通過RT-PCR方法從該茶樹的cDNA中克隆得到1個CsMADS1基因。序列分析表明:茶樹CsMADS1基因開放閱讀框長度為657 bp,編碼218個氨基酸,是典型的植物MADS-box家族轉(zhuǎn)錄因子。序列多重比對顯示,該序列與多個相關(guān)物種的MADS-box序列一致性為65.65%,含有高度保守的MADS結(jié)構(gòu)域和半保守的K結(jié)構(gòu)域。氨基酸理化性質(zhì)、親疏水性、亞細(xì)胞定位預(yù)測、無序化分析,以及二級和三級結(jié)構(gòu)分析顯示,CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子是親水性蛋白,可能定位于細(xì)胞核中,無序化程度明顯,以 α-螺旋結(jié)構(gòu)為主,并與人 MEF2蛋白具有相似的三級結(jié)構(gòu)。利用實(shí)時熒光定量PCR方法分析了茶樹龍井43中CsMADS1基因在非生物脅迫下的表達(dá)。結(jié)果表明,茶樹中CsMADS1基因?qū)Ω邷亍⒌蜏?、干旱和高鹽等不同非生物脅迫有響應(yīng),且表達(dá)存在差異。
茶樹;MADS-box;轉(zhuǎn)錄因子;進(jìn)化分析;非生物脅迫;表達(dá)分析
MADS-box基因廣泛存在于植物中,它所編碼的蛋白是一類轉(zhuǎn)錄因子,由于在植物生長發(fā)育方面發(fā)揮著非常重要的作用而被廣泛研究。在擬南芥(Arabidopsis thaliana)[1]、水稻(Oryza sativa)[2]、葡萄(Vitis vinifera)[3]、楊樹(Populus)[4]、二穗短柄草(Brachypodium distachyon)[5]、和蕪菁(Brassica rapa)[6]中,MADS-box家族轉(zhuǎn)錄因子分別有107、75、93、105、57和167個成員。
目前,MADS-box基因研究的熱點(diǎn)主要集中在植物花發(fā)育過程中,該基因在ABCDE模型中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[7]。除此之外,MADS-box基因還在植物的根發(fā)育[8]、芽休眠[9]、果實(shí)成熟[10]及細(xì)胞衰老[11]等方面起著重要作用。MADS-box基因在植物逆境響應(yīng)等方面也起著重要作用,例如:Cooper等建立的基因網(wǎng)絡(luò)證實(shí)了 MADS-box轉(zhuǎn)錄因子參與水稻的逆境調(diào)控[12];矮牽牛中的PMADS9基因在多種逆境脅迫條件下表達(dá)量均顯著提高[13];Yu等[14]發(fā)現(xiàn)在多種逆境處理下,MADS-box基因的表達(dá)顯著影響植物根系的生長與發(fā)育。但是,目前該基因在茶樹逆境方面的研究還鮮有報道。茶樹(Camellia sinensis)屬于山茶科山茶屬,是一種喜酸懼堿,喜溫怕寒的多年生常綠木本植物,在我國已經(jīng)有幾千年的栽培歷史[15]。茶樹一生中受到多種非生物脅迫傷害,其中高溫、低溫、干旱、高鹽等嚴(yán)重影響著茶樹的生長發(fā)育,從而影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此,研究 MADS-box轉(zhuǎn)錄因子在茶樹生長發(fā)育和逆境調(diào)控中的作用具有重要意義。
本研究以茶樹材料龍井43的cDNA為模板克隆得到1個茶樹CsMADS1基因,并對該基因編碼的氨基酸序列、理化性質(zhì)、進(jìn)化樹和三級結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了分析。利用熒光定量PCR,分析了龍井43中CsMADS1基因在高溫、低溫、干旱和高鹽等4種非生物脅迫條件下的表達(dá)特征。本研究以期通過生物技術(shù),探尋與茶樹逆境響應(yīng)相關(guān)的基因,為茶樹抗逆遺傳育種和生長發(fā)育調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)材料為茶樹龍井 43兩年生扦插幼苗,種植于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)茶葉科學(xué)研究所溫室。摘取健康茶樹植株的幼嫩葉片,進(jìn)行總RNA提取并反轉(zhuǎn)錄為cDNA。對龍井43兩年生植株進(jìn)行 4種非生物脅迫處理,分別為:38℃高溫、4℃低溫、20% PEG、200 mmol·L-1NaCl,處理時間分別為1、4、8、24 h;以未做任何處理的龍井43植株葉片為空白對照,每個處理設(shè)3個重復(fù)。其中溫度處理由光照培養(yǎng)箱控制,分別設(shè)為38℃、4℃,濕度設(shè)為70%;干旱和鹽處理采用葉面噴施的方式,分別在各時間段采集不同處理的第2葉,保存在-80℃冰箱,于第2天統(tǒng)一提取RNA后合成cDNA,作為實(shí)時熒光定量檢測的模板。
茶樹龍井43的RNA提取參考Quick RNA Isolation Kit試劑盒說明書完成(北京華越洋生物科技有限公司),RNA的樣品濃度和質(zhì)量分別用微量紫外檢測儀Nano-Drop和1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測。RNA反轉(zhuǎn)錄成 cDNA按照Prime Script RT Reagent Kit試劑盒(大連TaKaRa公司)完成。
根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室茶樹轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[16],設(shè)計(jì)1對引物(CsMADS1-F:5′-ATGGTGAGACA GAGAATTCAGATC-3′和 CsMADS1-R:5′-GC TCTGATAAGGTAGGCCCAA-3′) 。 以 龍 井43葉片cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增體系為 20 μL:CsMADS1-F/R 引物各 1 μL、10 μLEx TaqMix 酶、1 μL 模板、7 μL ddH2O。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?4℃、5 min,94℃、30 s,52℃、30 s,72℃、1 min,35個循環(huán);72℃,10 min。根據(jù)DNA回收試劑盒將經(jīng)過1.2%的瓊脂糖凝膠電泳分離的 PCR產(chǎn)物回收,隨后連接到pMD19-T載體上,轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α。質(zhì)粒酶切和鑒定之后送至通用生物系統(tǒng)(安徽)有限公司測序。
通過BioXM2.6軟件查找基因的開放閱讀框以及編碼氨基酸序列。在 NCBI網(wǎng)站(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)對氨基酸序列進(jìn)行同源性搜索和保守域預(yù)測。利用ExPASy-ProtParam(http://web.expasy.org/prot-param)和SMS(http://www.bio-soft.net/sms)分析相關(guān)物種MADS-box轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸理化性質(zhì)、理論等電點(diǎn)及組成成分等。使用最新版本MEGA 7軟件構(gòu)建分子系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹[17]。借助于 DNAMAN 8.0軟件進(jìn)行茶樹CsMADS1基因推導(dǎo)氨基酸的多重對比和親疏水性分析。通過 LocTree3(https://rostlab.org/services/loctree3)和SoftBerry ProtComp 9.0(http://linux1. softberry.com/berry.phtml)完成亞細(xì)胞定位預(yù)測[18-19]。無序化特征分析利用Fold Index[20]程序(http://bip.weizmann.ac.il/fldbin/findex)完成。利用SOPMA[21]程序(http://npsa-pbil.
ibcp.fr/cgi-bin/npsa)和Swiss-Model[22]程序(https://swissmodel.expasy.org)進(jìn)行蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)及三級結(jié)構(gòu)預(yù)測分析,并在Swiss-Pdb Viewer軟件上編輯生成茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子的三維結(jié)構(gòu)圖形。
按照SYBR PremixEx Taq試劑盒(大連TaKaRa公司)操作說明,使用 Bio-CFX96 real-time PCR system儀器完成實(shí)時熒光定量PCR。茶樹GAPDH基因作為內(nèi)參基因[23],與目標(biāo)基因CsMADS1同時擴(kuò)增。擴(kuò)增體系為15 μL:酶 7.5 μL,模板 1.5 μL,上下游引物各 0.3 μL,ddH2O 5.4 μL。擴(kuò)增程序?yàn)椋?5℃ 5 min;95℃5 s,55℃ 30 s,65℃ 10 s,40個循環(huán)。內(nèi)參基因和目標(biāo)基因CsMADS1的表達(dá)檢測引物分別 為 : 5′-TTGGCATCGTTGAGGGTCT-3′和5′-CAGTGGGAACACGGAAAGC-3′;5′-GGC ATAATCTACAACCACAG-3′和 5′-CCACGC ATTCTCTTCCAT-3′。用2-ΔΔCT法計(jì)算分析茶樹龍井43中CsMADS1相對表達(dá)量[24]。
以龍井43茶樹材料葉片的cDNA為模板,利用引物 CsMADS1-F和 CsMADS1-R進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng),對擴(kuò)增片段進(jìn)行克隆、測序。將該序列在NCBI上進(jìn)行Blast分析,結(jié)果顯示該序列與多種植物的MADS-box基因有較高同源性,為所需的目的序列。通過BioXM2.6軟件分析顯示,該基因開放閱讀框長度為657 bp,編碼 218個氨基酸(圖 1),命名為CsMADS1。
圖1 茶樹CsMADS1基因核苷酸序列與推測的氨基酸序列Fig. 1 The nucleotide and amino acid sequences of CsMADS1 gene from C. sinensis
對茶樹CsMADS1基因編碼氨基酸序列進(jìn)行分析,結(jié)果顯示(圖2-A),該氨基酸序列在3~60位含有高度保守的MADS結(jié)構(gòu)功能域,在94~169位含有半保守的結(jié)構(gòu)功能域K-box,具有植物MADS轉(zhuǎn)錄因子家族典型的MIKC結(jié)構(gòu)域。為進(jìn)一步分析茶樹 CsMADS1的保守結(jié)構(gòu)域,將它與其他相似度較高的多個物種MADS-box氨基酸序列進(jìn)行多重比對(圖2-B),結(jié)果顯示一致性為65.65%,它們均含有高度保守的MADS結(jié)構(gòu)域和半保守的K結(jié)構(gòu)域。
對上述植物 MADS-box轉(zhuǎn)錄因子蛋白氨基酸進(jìn)行理化性質(zhì)分析。結(jié)果顯示(表1),這些植物中MADS-box蛋白殘基數(shù)在210~241之間,相對分子質(zhì)量在23.72~27.26 kDa之間;酸性氨基酸比例略少于堿性氨基酸,理論等電點(diǎn)在 5.75~8.96之間。芳香族氨基酸占 4%左右,明顯少于脂肪族氨基酸;總平均疏水性在-0.7左右,表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性。
圖2 茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子保守域及與其他植物氨基酸序列的多重比對Fig. 2 The conserved domain of CsMADS1 transcription factor and alignment of amino acid sequences from C. sinensis and other plant species
表1 不同植物中MADS-box家族轉(zhuǎn)錄因子氨基酸組成成分及理化性質(zhì)分析Table 1Comparison of compositionand physicochemical properties of aminoacidsequences of MADS-box transcription factors amongplant species
表2 CsMADS1亞細(xì)胞定位預(yù)測Table 2The predictedsubcellular localization of CsMADS1
為了進(jìn)一步分析茶樹 CsMADS1與MADS-box家族相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子之間的進(jìn)化關(guān)系,參考 Annette Becker等[25]的 MADS-box轉(zhuǎn)錄因子家族分類方法,并利用MEGA7構(gòu)建茶樹CsMADS1與擬南芥MADS-box家族轉(zhuǎn)錄因子的同源進(jìn)化樹(圖3),結(jié)果顯示,茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子屬于MADS-box家族轉(zhuǎn)錄因子中的STMADS11亞族。
利用DNAMAN 8.0軟件對茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行親疏水性分析。結(jié)果顯示,茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子親水性最強(qiáng)的位點(diǎn)是第155位的亮氨酸(Leu)(圖4-A);疏水性最強(qiáng)的位點(diǎn)是45位的纈氨酸(Val)(圖4-B)。由此可知,親水性氨基酸明顯占更多比例,推測CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子屬于親水性蛋白。
通過在線預(yù)測軟件 SoftBerry ProtComp 9.0對CsMADS1蛋白進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測。結(jié)果顯示(表2),茶樹CsMADS1蛋白定位在細(xì)胞核的相應(yīng)預(yù)測數(shù)值最高。進(jìn)一步利用在線預(yù)測軟件LOCTREE3對CsMADS1蛋白進(jìn)行亞細(xì)胞定位,結(jié)果顯示CsMADS1蛋白定位在細(xì)胞核。由此判斷,CsMADS1蛋白可能定位于細(xì)胞核中。
利用FoldIndex程序?qū)sMADS1氨基酸序列進(jìn)行了無序化分析。結(jié)果表明(圖5),茶樹CsMADS1氨基酸序列中無序化區(qū)域有2個,總的無序化氨基酸數(shù)目為143,無序化比例為 65.60%。所以 CsMADS1有明顯的無序化程度。
圖3 茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子的進(jìn)化分析Fig. 3 Phylogenetic analysis of CsMADS1 transcription factors from C. sinensis
圖4 茶樹CsMADS1氨基酸序列親疏水性分析Fig. 4 Analysis of hydrophilicity and hydrophobicity of CsMADS1 from C. sinensis
圖5 茶樹CsMADS1折疊狀態(tài)的分析Fig. 5 Analysis of the folding state of CsMADS1 from C. sinensis
從茶樹 CsMADS1蛋白序列預(yù)測的二級結(jié)構(gòu)中可以看出(圖 6),CsMADS1蛋白由53.21%的 α-螺旋(Alpha helix),14.68%的延伸主鏈(Extended strand),6.42%的 β-轉(zhuǎn)角(Beta turn)和25.69%的隨機(jī)卷曲(Random coil)組成。其中α-螺旋結(jié)構(gòu)是CsMADS1蛋白的主要組成部分,而延伸主鏈和隨機(jī)卷曲結(jié)構(gòu)則散布于蛋白序列中。
以人 MEF2轉(zhuǎn)錄因子為模板,對茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子的三級結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,結(jié)果顯示相似度為48.65%。在結(jié)合域的α螺旋、β-折疊部位,CsMADS1與MEF2的差異位點(diǎn)共有19個,其中第1個和第2個α-螺旋分別有9個和8個差異位點(diǎn),另外2個差異位點(diǎn)分別在兩個β-折疊部位(圖7),但這些差異位點(diǎn)對其三級結(jié)構(gòu)并沒有太大影響。
圖6 茶樹CsMADS1的二級結(jié)構(gòu)預(yù)測Fig. 6 The secondary structure of CsMADS1 from C. sinensis
圖7 茶樹CsMADS1的三維結(jié)構(gòu)預(yù)測Fig. 7 The tertiary structure of CsMADS1 from C. sinensis
通過實(shí)時熒光定量 PCR方法,檢測了龍井43茶樹中CsMADS1基因在高溫(38℃)、低溫(4℃)、干旱(20% PEG)和高鹽(200 mmol/L NaCl)4種非生物脅迫條件下的表達(dá)情況。由圖8可知,茶樹中CsMADS1基因的表達(dá)在不同脅迫時間和不同脅迫處理間存在差異。在高溫、干旱和高鹽脅迫處理下,CsMADS1表達(dá)量均表現(xiàn)出先降低后增加再降低的趨勢,其中高溫和干旱脅迫下的表達(dá)量均在8 h時達(dá)到了最大值,且較對照差異顯著,分別為對照的1.34和2.22倍。在高鹽脅迫下的表達(dá)量較對照均表現(xiàn)出一定程度下調(diào),1 h時表達(dá)量最低,隨處理時間增加,到8 h時表達(dá)量有一定的回升,此時與對照無顯著差異。低溫脅迫處理下,CsMADS1表達(dá)量先增加后降低再增加,在1 h和4 h時的CsMADS1表達(dá)量顯著高于對照,分別為對照的2.29和1.88倍,而在8 h和24 h時CsMADS1較對照均無顯著差異。
植物生長發(fā)育過程中常受到高低溫、干旱、高鹽等非生物脅迫的傷害,嚴(yán)重時會導(dǎo)致植株死亡。茶樹是極易受到惡劣環(huán)境影響的經(jīng)濟(jì)作物之一。目前,關(guān)于 MADS-box轉(zhuǎn)錄因子對茶樹在生長發(fā)育和逆境調(diào)控中的作用機(jī)制等研究尚未見報導(dǎo)。因此本文開展茶樹中MADS-box轉(zhuǎn)錄因子的克隆、序列分析、結(jié)構(gòu)特征、功能及特性等研究,及其對茶樹逆境脅迫的響應(yīng),具有較為重要的意義。
本文通過RT-PCR方法從茶樹龍井43的cDNA中克隆得到1個MADS-box基因,命名為CsMADS1,該基因編碼218個氨基酸,通過Blast分析表明,它具有MADS-box轉(zhuǎn)錄因子家族典型的 MIKC結(jié)構(gòu)域[26]。序列比對和系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果表明,茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子屬于MADS-box家族的STMADS11亞族,與多種植物有較高的同源性。亞細(xì)胞定位預(yù)測顯示,CsMADS1定位于細(xì)胞核中。其無序化比例為65.60%,可能與其親水性氨基酸比例較高有關(guān)[20]。茶樹CsMADS1二級結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為α-螺旋結(jié)構(gòu)。通過三級結(jié)構(gòu)建模顯示,茶樹CsMADS1雖與人MEF2蛋白有19個差異位點(diǎn),但對空間結(jié)構(gòu)影響較小[27]。
圖8 茶樹CsMADS1在不同處理?xiàng)l件下的表達(dá)Fig. 8 Expression patterns of CsMADS1 under different stress treatments
實(shí)時熒光定量 PCR分析表明,高低溫、干旱、高鹽等非生物脅迫明顯影響著茶樹CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)量,但不同逆境之間響應(yīng)存在一定的差異。已有的研究證明,在二穗短柄草中,多個MADS-box基因在低溫、干旱和鹽脅迫處理后出現(xiàn)不同的響應(yīng)[5];銀杏葉在鹽、干旱和冷脅迫后,MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)量顯著高于對照[28];Guo等[29]發(fā)現(xiàn),番茄SlMBP11基因在鹽和受傷處理下的表達(dá)較為相似,都是先上升再下降,表達(dá)量分別在4 h和8 h時達(dá)到最大值,在干旱處理時,是一個逐漸上升的趨勢,直到 36 h時到達(dá)最大值;水稻[2,30]和大白菜[31]在經(jīng)過鹽、干旱、低溫、GA3和BAP等處理后,MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)量也出現(xiàn)不同程度的上調(diào)和下調(diào)。本試驗(yàn)中,茶樹CsMADS1基因受低溫脅迫后能夠快速誘導(dǎo)表達(dá),在鹽脅迫下主要表現(xiàn)為被抑制,在高溫和干旱脅迫下,其表達(dá)量先降低,隨后逐漸上升后又下降。以上結(jié)果顯示,MADS-box轉(zhuǎn)錄因子在不同物種間的響應(yīng)有明顯的差異性。
MADS-box轉(zhuǎn)錄因子擁有范圍廣泛的靶目標(biāo)基因,它的家族成員均是通過 C區(qū)的保守序列與其他因子形成復(fù)合體而行使功能的。對于高等植物而言,任一逆境環(huán)境的改變不僅僅導(dǎo)致植株簡單的生理變化,而是通過影響其他因子的響應(yīng)來影響 MADS蛋白復(fù)合體的功能[13]。Hill等[32]證明與 MADS-box亞家族成員 AGL15作用的 SIN3/HDAC1復(fù)合體成員SAP18在低溫、干旱和高鹽脅迫下,其表達(dá)量將會增加。由于 MADS-box轉(zhuǎn)錄因子自身擁有靶目標(biāo)的廣泛性和復(fù)合體多樣性等特點(diǎn),同時不同物種間在生理途徑和響應(yīng)逆境具有差異性,CsMADS1基因在響應(yīng)茶樹逆境脅迫時也表現(xiàn)出特有的表達(dá)模式。CsMADS1基因在茶樹中可能作為調(diào)控基因直接參與抗逆相關(guān)生理途徑,或者通過調(diào)控抗逆相關(guān)調(diào)控因子間接影響茶樹的生長發(fā)育。由于植物體內(nèi)逆境調(diào)控的復(fù)雜性,以上基于生物信息學(xué)分析的預(yù)測結(jié)果有待更多的試驗(yàn)研究加以驗(yàn)證,以便進(jìn)一步了解茶樹 CsMADS1轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)途徑和作用機(jī)理。
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Cloning of a MADS-box Transcription Factor Gene from Camellia sinensis and its Response to Abiotic Stresses
SHEN Wei, TENG Ruimin, LI Hui, LIU Zhiwei, WANG Yongxin, WANG Wenli, ZHUANG Jing*
Tea Science Research Institute, College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
In this study, based on the transcriptome database of tea plant, theCsMADS1gene was cloned from cDNA of ‘Longjing43’ by RT-PCR method. The length of open reading frame ofCsMADS1gene was 657 bp, encoding 218 amino acids, which was a typical transcription factor of MADS-box family. Multiple alignments of CsMADS1 with related species showed that the identity of them was 65.65%, with a highly conserved MADS domain and a semi-conserved K domain. The physicochemical properties, hydrophilicity and hydrophobicity, subcellular localization, disordered feature, secondary and tertiary structure were also analyzed. CsMADS1 transcription factor is a hydrophilic protein, may be located in nucleus. The disordered feature of CsMADS1 protein was obvious, which was mainly composed of alpha helix structure, and had similar tertiary structure with MEF2 of human. Quantitative real-time PCR was used to analyze the expression profiles of theCsMADS1gene under abiotic stress treatments of tea cultivar ‘Longjing43’. The results showed that theCsMADS1gene responded to high and low temperatures, drought and high salinity. Different expression patterns ofCsMADS1gene were observed under those abiotic stress treatments.
Camellia sinensis, MADS-box, transcription factor, phylogenetic analysis, abiotic stress, expression analysis
TS272.5+4;Q946.88
A
1000-369X(2017)06-575-11
2017-04-28
2017-07-03
國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31570691)
沈威,男,碩士研究生,主要從事茶樹分子生物學(xué)研究。*通訊作者:zhuangjing@njau.edu.cn