熊 雪,殷雙琴,陳 欣,王麗紅,宋文強,李立芹
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 作物科學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心,四川 成都 611130)
植物本身無法主動逃避不利環(huán)境,為適應(yīng)各種外來以及內(nèi)在脅迫,植物細胞不斷調(diào)整并最終形成了特有的內(nèi)膜系統(tǒng)和膜泡運輸機制以完成細胞內(nèi)和細胞間的物質(zhì)交流[1]。植物 SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein attachment protein receptor)類蛋白是一類具有抗生物和非生物逆境功能的蛋白。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多植物SNARE蛋白可通過調(diào)節(jié)離子通道、控制蛋白質(zhì)密度、直接與受體作用等方式來調(diào)節(jié)離子運輸,從而對刺激性反應(yīng)作出應(yīng)答[2]。SNAREs蛋白是可溶性NSF附著蛋白受體,是介導(dǎo)鈣離子依賴的囊泡膜與突觸膜融合的核心分子復(fù)合體[3]。SNARE蛋白的分類方法有兩種:根據(jù)膜融合過程中SNARE蛋白所處位置,可分為v-SNAREs和t-SNAREs[4];而根據(jù)SNAREs模體(motif)氨基酸的不同,又可將SNAREs分兩類:Q(谷氨酰胺)和R(精氨酸),Q-SNARE包括Syntaxin和SNAP25兩個亞家族;R-SNARE包括synaptobrivin/vamp亞家族。擬南芥基因組編碼24個syntaxin型Q-SNARE,3個SNAP25型Q-SNARE,14個VAMP型R-SNARE。Syntaxin型Q-SNARE又可細分為8個亞家族(Syp1-Syp8)[2]。
SYP121是亞家族蛋白Syntaxin中的一員。在擬南芥中,SYP121調(diào)控K+通道的亞基KC1,并與AKT1形成三元復(fù)合物SYP121-KCl-AKT1共同參與植物的鉀營養(yǎng)[5]。Grefen[6]發(fā)現(xiàn)SYP121和KC1互作是與一個FxRF模體相關(guān)聯(lián)的,而這個FxRF模體獨特地位于SNARE序列的前12個殘基。Geelen等[7]發(fā)現(xiàn),SYP121介導(dǎo)了高爾基復(fù)合體和質(zhì)膜之間的囊泡運輸。也有研究表明,SYP121的功能失活能改變KATI鉀通道的定位[8]。此外,AtSYP121還可以提高植物的抗病性。例如,Kwon等[9]研究發(fā)現(xiàn),AtSYP121能與SNAP33和VAMP721/VAMP722形成復(fù)合體,共同調(diào)控病原體侵染時的細胞分泌。Maekawa等[10]發(fā)現(xiàn)SYP121參與擬南芥抵抗白粉病生理過程。Kiyono等[11]的研究結(jié)果表明過量表達SYP121和重金屬轉(zhuǎn)運體MerC融合蛋白能增加擬南芥中鎘積累和耐受性。在煙草中,Leyman等[12]研究發(fā)現(xiàn)SYP121在保衛(wèi)細胞中調(diào)控K+和Cl-通道,推測在脫落酸信號中起作用。
綜上所述,Syntaxin家族蛋白對植物的抗逆性起重要作用,但是在煙草中的相關(guān)研究卻比較少。因此,本研究利用K326煙草克隆了NtSYP121基因?qū)Σζ湫蛄羞M行生物信息學(xué)分析,同時,運用Real-time PCR分析了其在根、莖、葉、花及低鉀、高鹽、干旱和ABA處理下基因的表達水平,并成功構(gòu)建NtSYP121-pBI121過表達載體,這對于NtSYP121響應(yīng)逆境脅迫的功能研究具有重要意義。
實驗所用材料是K326煙草,由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生理與生物技術(shù)系提供。首先進行漂浮育苗,待其生長到十字期,將其移栽到花盆中,每盆種植一株。對煙株正常生長的根、莖、葉和花進行取樣,然后在液氮中速凍,放置-80 ℃冰箱,以供后續(xù)試驗使用。
將煙草品種K326種子表面消毒后布種于MS培養(yǎng)基上,培養(yǎng)15 d后挑取長勢一致的幼苗分別進行ABA、PEG、高鹽和低鉀處理,每個處理設(shè)有3個重復(fù)。其中,ABA、PEG及高鹽處理培養(yǎng)基是在MS培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上分別加入ABA(1 μmol·L-1)、PEG6000(5%)、NaCl(200 mmol·L-1)處理;低鉀處理時將待處理材料轉(zhuǎn)移到低鉀培養(yǎng)基上,低鉀培養(yǎng)基是將MS培養(yǎng)基中的KNO3去掉,并且將KH2PO4替換為NH4H2PO4,其余成分相同,經(jīng)測定鉀離子濃度為10 μmol·L-1。所有處理在0、3、6、12、24 h后進行整株取樣。
通用型DNA純化回收試劑盒購自天根公司;DH5α大腸埃希菌菌株購于Vazyme Biotech公司;Trizol試劑、cDNA合成試劑盒、載體PMD19-T、高保真Pfu酶、PrimeScript RT reagent Kit、SYBR Green Master mix、限制性內(nèi)切酶、DNA Ligation Kit 2.0等試劑購自TaKaRa生物公司,引物合成與測序由成都梓熙擎科公司完成。
1.2.1 克隆目的基因
取幼嫩的煙草葉片于液氮中速凍1 min后用Trizol試劑法提取其總RNA,再根據(jù)cDNA合成試劑盒的操作要求,將其反轉(zhuǎn)錄成cDNA。反轉(zhuǎn)錄體系為10 μL,在EP管中依次加入0.5 μL OligodT,5 μL RNA,0.5 μL無菌水,輕微搖勻后,在PCR儀上65 ℃變性5 min,再在冰上急冷2 min;然后再依次加入2 μL 5×Reaction Buffer,0.5 μL RNase Inhbitor,1 μL 10 mmol·L-1dNTP,0.5 μL Reverse Transcripase,在PCR儀上42 ℃反應(yīng)60 min,72 ℃延伸10 min后終止反應(yīng),取出1 μL稀釋10倍備用,其余-20 ℃保存。
參考NCBI GenBank收錄的普通煙草NtSYP121序列(登錄號:NM_001325000),采用同源克隆的方法用DNAMAN設(shè)計引物NtSYP121-F和NtSYP121-R(表1),再以其稀釋過的cDNA為模板進行PCR擴增。反應(yīng)體系為10 μL,分別加入5 μL 2×Perime STAR Mixture,0.2 μL 引物F (10 μmol·L-1),0.2 μL 引物R (10 μmol·L-1),1 μL cDNA,3.6 μL ddH2O。反應(yīng)程序為:95 ℃預(yù)變性5 min,1個循環(huán);95 ℃變性30 s,57 ℃退火30 s,72 ℃延伸2.5 min,35個循環(huán);72 ℃ 8 min,1個循環(huán);4 ℃永久保存。
1.2.2 PCR產(chǎn)物的回收、克隆與測序
PCR產(chǎn)物經(jīng)1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測后,將目的條帶按照TIANGEN Universal DNA Purification Kit的說明操作進行純化回收,將目的片段與pMD19-T載體16 ℃連接過夜,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸埃希菌DH5α感受態(tài),隨后在涂有含氨芐青霉素(Ampicillin)的LB平板上進行篩選,采用菌落PCR法檢測陽性克隆,然后送到成都梓熙擎科公司進行測序。
1.2.3 目的基因的生物信息學(xué)分析
使用ExPASyProtParam tool(http://web.expasy.org/protparam/)對NtSYP121基因編碼的蛋白質(zhì)進行理化性質(zhì)分析;利用 DNAMAN 軟件分析其編碼蛋白的疏水性,進行蛋白序列比對,并構(gòu)建系統(tǒng)進化樹;運用(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/struc-ture/cdd/wrpsb.cgi)進行保守功能域分析;采用PSORT (http://psort.hgc.jp/form.html)預(yù)測NtSYP121的亞細胞定位;采用IBCP(http://npsa-pbil.ibcp.fr)的在線工具SOPMA預(yù)測二級結(jié)構(gòu);使用SWISS-MODEL(http://swissmodel.expasy.org)在線預(yù)測三級結(jié)構(gòu)。
1.2.4NtSYP121-pBI121過表達載體構(gòu)建
采用全長含有酶切位點引物NtSYP121-pBI121-F和NtSYP121-pBI121-R擴增目的基因(表1),擴增結(jié)束后,將PCR產(chǎn)物和pBI121載體分別進行雙酶切,酶切體系10 μL:10×T Buffer 0.5 μL,BSA 1 μL,BamHⅠ 1 μL;SmaⅠ 1 μL;PCR產(chǎn)物/pBI121載體 4 μL; ddH2O 2.5 μL。酶切后回收目的片段和pBI121載體,于16 ℃連接過夜,轉(zhuǎn)化大腸埃希菌DH5α感受態(tài),隨后在含有卡那霉素的LB平板上進行篩選,菌落PCR檢測篩選陽性克隆后,搖菌提取質(zhì)粒,雙酶切后送至成都梓熙擎科公司進行測序。
1.2.5 基因的表達模式分析
根據(jù)目的基因的序列,使用DNAMAN軟件設(shè)計其熒光定量PCR的引物NtSYP121qF和NtSYP121qR(表1)。提取煙草總RNA后進行反轉(zhuǎn)錄,獲得cDNA,再以cDNA為模板進行熒光定量PCR反應(yīng),反應(yīng)體系為25 μL,依次加入:SYBRⅡ 12.5 μL,引物F、R各1 μL,cDNA 1.5 μL,ddH2O 9 μL。反應(yīng)程序為95 ℃預(yù)變性3 min,1個循環(huán);95 ℃變性5 s,60 ℃延伸45 s,40個循環(huán)。所有樣品都設(shè)置3個重復(fù)來擴增目的基因,以煙草18S基因設(shè)計引物作為實驗的內(nèi)標定量,擴增目的基因。擴增結(jié)束后,按2-△△Ct法計算相對表達量。
表1 各基因的引物序列
注:GGATCC為BamHⅠ;CCCGGG為SmaⅠ。
以煙草葉片總RNA反轉(zhuǎn)錄合成的cDNA為模板進行PCR擴增,電泳結(jié)果顯示在1 000 bp左右的位置上有清晰的條帶(圖1)。采用切膠回收的方法對該條帶進行純化后,與pMD19-T載體16 ℃連接過夜,隨后對獲得陽性克隆隨機挑選3個進行測序。測序結(jié)果顯示:目的片段大小為903 bp。
M為Marker 2 000 bp;1為NtSYP121圖1 NtSYP121的克隆
使用ExPASyProtParam tool(http://web.expasy.org/protparam/)對NtSYP121基因編碼的蛋白質(zhì)進行了理化性質(zhì)分析,結(jié)果表明,該蛋白質(zhì)的分子量為34 ku,理論等電點pI為7.76;帶正電荷的氨基酸殘基(精氨酸+賴氨酸)總數(shù)是43,帶負電荷的氨基酸殘基(天冬氨酸和谷氨酸)總數(shù)是42,該蛋白的不穩(wěn)定系數(shù)是40.07,由此說明該蛋白可能是一個不穩(wěn)定蛋白。該蛋白脂肪系數(shù)為85.13,總的平均疏水性為-0.551,用DNAMAN軟件進行的疏水性分析結(jié)果顯示(圖2),預(yù)測該蛋白屬于親水性蛋白。
使用IBCP(http://npsa-pbil.ibcp.fr)的在線工具SOPMA,對NtSYP121的二級結(jié)構(gòu)進行預(yù)測,結(jié)果(圖3中A)表明:α-螺旋約占65.00%,無規(guī)則卷曲約占20.00%,延伸鏈占8.33%,β-轉(zhuǎn)角占6.67%,由此可見,該蛋白二級結(jié)構(gòu)的最大元件為α-螺旋。使用SWISS-MODEL對NtSYP121的三級結(jié)構(gòu)進行了預(yù)測,結(jié)果如圖3中B所示,并將結(jié)果與二級結(jié)構(gòu)預(yù)測及跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測比照,結(jié)果較為統(tǒng)一,所得三級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果較為可信。利用 Swiss-PdbViewer分析同源建模結(jié)果,表明其立體三維結(jié)果比較穩(wěn)定,所以其同源建模的結(jié)果是相對可靠的。
A,二級結(jié)構(gòu)預(yù)測;B,三級結(jié)構(gòu)預(yù)測圖3 NtSYP121的二級結(jié)構(gòu)及三級結(jié)構(gòu)預(yù)測
為了探明NtSYP121與其他植物基因的同源性,把NtSYP121編碼的氨基酸序列在NCBI 數(shù)據(jù)庫中進行了BLAST比對,然后在DNAMAN進行多序列比對,結(jié)果(圖4中A)顯示,NtSYP121與各植物中的SYP121蛋白一級結(jié)構(gòu)的氨基酸序列是高度保守的。將NtSYP121氨基酸序列與其他同源性比較近的植物SYP121序列進行聚類分析,結(jié)果表明,NtSYP121與漸窄葉煙草SYP121-like、絨毛狀煙草SYP121-like、番茄SYP121-like等具有較高的氨基酸序列同源性,分別為99%、98%、94%(圖4中B)。
利用NCBI數(shù)據(jù)庫的CDD軟件對目的基因所編碼蛋白的功能保守域進行了分析,結(jié)果(圖5)表明,該蛋白具有SNARE-Syntaxin家族典型的N端結(jié)構(gòu),且屬于t-SNARE蛋白,說明其是多功能蛋白家族SNARE的亞家族蛋白Syntaxin的一員。使用PSORT(http://psort.hgc.jp/form.html)在線預(yù)測亞細胞定位,根據(jù)預(yù)測的結(jié)果得知,在質(zhì)膜上的可能性為0.440,在線粒體內(nèi)膜上的可能性為0.100,在高爾基體上的可能性為0.100,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的可能性為0.850。根據(jù)以上結(jié)果預(yù)測該蛋白質(zhì)定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。
將PCR擴增產(chǎn)物和pBI121載體分別進行雙酶切,回收后連接并轉(zhuǎn)化大腸埃希菌,培養(yǎng)陽性菌落進行質(zhì)粒提取,然后進行雙酶切,電泳結(jié)果(表6)顯示,能夠酶切出目的基因的條帶,表明NtSYP121-pBI121過表達載體構(gòu)建成功。
以普通煙草K326的根、莖、葉、花cDNA為
A:NtSYP121蛋白多重序列比對;B:NtSYP121蛋白系統(tǒng)進化樹圖4 NtSYP121同源性分析
M,Marker 5 000 bp;1,NtSYP121圖6 NtSYP121-pBI121過表達載體構(gòu)建
模板進行Real-time PCR反應(yīng),分析NtSYP121在各個部位的表達量,結(jié)果(圖7)表明,NtSYP121的表達量由高到低依次為根>花>葉>莖,其在根中的表達量是分別是花、葉、莖中表達量的15.0、20.2、26.4倍,這說明NtSYP121基因主要在煙草植株的根中表達,并且其表達存在組織特異性。
圖7 NtSYP121在不同組織中的相對表達量分析
將煙草K326幼苗移苗至含有1 μmol·L-1ABA和5% PEG6000MS培養(yǎng)基上處理3、6、12、24 h,然后進行取樣提取RNA。采用Real-time PCR對NtSYP121在逆境脅迫下的表達模式進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在ABA處理后,NtSYP121在3 h的表達量上調(diào),隨后在6 h的表達量下降且低于對照(0 h),在6 h和24 h表達量又逐漸上調(diào),其中在24 h時NtSYP121的表達量上調(diào)到最大值,為對照(0 h)的1.72倍;在PEG處理后,NtSYP121在3 h表達量明顯增加,其中在24 h時該基因表達量達到最大值,為對照(0 h)的4.70倍。因此NtSYP121參與ABA和PEG脅迫生理過程(圖8)。
圖8 ABA和PEG處理下NtSYP121的表達模式分析
把生長15 d的煙草幼苗轉(zhuǎn)移到高鹽和低鉀培養(yǎng)基上處理3、6、12和24 h,然后進行取樣提取RNA。采用Real-time PCR對NtSYP121在逆境脅迫下的表達模式進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在高鹽處理后,NtSYP121在3 h的表達量下降,僅為對照(0 h)的11%;隨后表達量上調(diào),6 h時表達量上調(diào)為對照的74%;12 h及以后表達量又繼續(xù)下降。在低鉀處理3、6、12 h后,NtSYP121表達量都是下降的,12 h時最低,為對照(0 h)的2%;隨后24 h時表達量上調(diào)為對照的77%。上述結(jié)果表明高鹽和低鉀處理下NtSYP121表達量明顯降低(圖9)。
圖9 高鹽和低鉀處理下NtSYP121的表達模式分析
本研究從普通煙草K326中克隆到一個Syntaxin家族成員NtSYP121的cDNA序列,其ORF為903 bp,編碼300個氨基酸。編碼蛋白的功能保守域分析,該基因編碼的蛋白具有SNARE-Syntaxin家族典型的結(jié)構(gòu)。利用軟件分析該蛋白的亞細胞定位,表明該蛋白質(zhì)定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。而在Collins等[13]和Leyman等[14]對擬南芥和煙草的研究中,SYP121基因編碼的蛋白定位在質(zhì)膜上;李文琦[15]對木薯MeSYP121蛋白進行亞細胞定位分析,發(fā)現(xiàn)其定位到高爾基體中。今后將通過定位實驗(如綠色熒光蛋白標記)來研究NtSYP121蛋白的定位,這對于其功能的研究具有重要的意義。組織表達分析結(jié)果表明,NtSYP121基因的表達具有組織特異性,在煙草K326的根中表達量最高,而在莖、葉、花中表達量很低,其中在莖中的表達量最低。Leyman等[14]在煙草Nicotiana的研究中也發(fā)現(xiàn)該基因所編碼的蛋白在根中表達量最高,而莖、葉、花中表達量較低,本試驗結(jié)果與前人研究結(jié)果一致,因此推測NtSYP121主要在煙草根中發(fā)揮功能。
植物經(jīng)歷干旱脅迫時,ABA被普遍認為是一種干旱信號而傳遞干旱信息。逆境脅迫下,ABA通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,誘導(dǎo)相關(guān)基因和蛋白表達,從而提高植物對多種逆境脅迫的抗性[16-17]。已有研究表明,ABA能提高植物對干旱脅迫的抗性[18-20]。在ABA(1 μmol·L-1)處理后,NtSYP121基因表達量表現(xiàn)為在3 h上升,在6 h時下降且低于對照,隨后該基因表達量又逐漸上升且高于對照,最后在24 h時表達量最高;Real-time PCR分析結(jié)果表明:PEG處理后,NtSYP121的表達受到顯著誘導(dǎo),其中在12 h時該基因表達量最高;這與Leyman等[12]研究結(jié)果類似。在NaCl(200 mmol·L-1)和低鉀脅迫處理后,Real-time PCR結(jié)果表明NtSYP121基因的表達量與對照相比,呈下降趨勢,而在Leyman等[14]在煙草Nicotiana的研究中,使用Northern blot方法檢測該基因的表達量在NaCl(300 mmol·L-1)處理1 h升高,使用Western blot方法測得該蛋白的表達量在6 h明顯升高,而后逐漸降低,在24 h時表達量與對照沒有區(qū)別。導(dǎo)致試驗結(jié)果不同的原因可能是植物的生長時期,鹽處理濃度和檢測方法的不同。要明確NtSYP121參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑還需要進一步的試驗驗證。已成功構(gòu)建NtCBL1基因的過量表達載體,后續(xù)工作可通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究該基因的功能。
[1] STAEHELIN L A. The plant ER: A dynamic organelle composed of a large number of discrete functional domains[J].Plant Journal,1997,11(6):1151-1165.
[2] PRATELLI R,SUTTER J U,BLATT M R.A new catch in the SNARE[J].Trends in Plant Science,2004,9(4):187-195.
[3] BAND A M, KUISMANENE. Localization of plasma membrane t-SNAREs syntaxin 2 and 3 in intracellular compartmen-ts[J].BMC Cell Biology,2005,6(1):26.
[4] SANDERFOOT A A, RAIKHEL N V. The specificity of vesicle trafficking: Coat proteins and SNAREs[J].Plant Cell,1999,11(4):629-642.
[5] HONSBEIN A, SOKOLOVSKI S, GREFEN C, et al. A tripartite SNARE-K+channel complex mediates in channel-dependent K+nutrition in Arabidopsis[J].Plant Cell,2009,21(9): 2859-2877.
[6] GREFEN C, CHEN Z H, HONSBEIN A, et al. A novel motif essential for SNARE interaction with the K+channel KC1 and channel gating in Arabidopsis[J].Plant Cell,2010,22(9): 3076-3092.
[7] GEELEN D, LEYMAN B, BATOKO H, et al. The abscisic acid-related SNARE homolog NtSyr1 contributes to secretion and growth: evidence from competition with its cytosolic domain[J]. Plant Cell, 2002, 14(2):387-406.
[8] SUTTER J, CAMPANONI P,TYRRELL M, et al. Selective mobility and sensitivity to SNAREs is exhibited by the Arabidopsis KAT1 K+channel at the plasma membrane[J].Plant Cell, 2006,18(4):935-954.
[9] KWON C,NEU C,PAJONK S, et al. Co-option of a default secretory pathway for plant immune responses[J].Nature,2008,451(7180):835-840.
[10] MAEKAWA S, INADA N, YASUDA S, et al. The carbon/nitrogen regulator ARABIDOPSIS TOXICOS EN LEVADURA31 controls papilla formation in response to powdery mildew fungi penetration by interacting with SYNTAXIN OF PLANTS121 inArabidopsis[J].Plant Physiology,2014,164(2):879-887.
[11] KIYONO M, OKA Y, SONE Y, et al. Expression of the bacterial heavy metal transporter MerC fused with a plant SN-ARE, SYP121, inArabidopsisthalianaincreases cadmium accumulation and tolerance[J].Planta,2012,235(4):841-850.
[12] LEYMAN B, GEELAN D,QUINTERO F J, et al. A tobacco syntaxin with a role in hormonal control of guard cell ion channels[J].Science, 1999, 283(5401): 537-540.
[13] COLLINS N C,THORDAL-CHRISTENSEN H, LIPKA V, et al. SNARE-protein-mediated disease resistance at the plant cell wall[J].Nature,2003,425(6961):973-977.
[14] LEYMAN B,GEELEN D,BLATT M R. Localization and control of expression of Nt-Syr1,a tobacco SNARE protein[J].Plant Journal,2000,24(3):369-381.
[15] 李文綺.木薯SYP基因的克隆、表達和功能分析[D].石河子:石河子大學(xué),2013.
[16] AARATI P,KRISHNAPRASAD B T, GANESHKUMAR, et al. Expression of an ABA responsive 21 kDa protein in finger millet (EleusinecoracanaGaertn.) under stress and its relevance in stress tolerance[J].Plant Science,2003,164(1):25-34.
[17] BECKER W, APELK. Differences in gene expression between natural and artificially induced leaf senescence[J].Planta,1993,189(1):74-79.
[18] 王瑋,李春香.水分脅迫下外源ABA對玉米幼苗根葉滲透調(diào)節(jié)的影響(簡報)[J].植物生理學(xué)通訊,2000,36(6):523-526.
[19] MAYABA M, BEEKETT R P, CSINTALAN Z, et al. ABA increases the desiccation tolerance of photosynthesis in the afromontane understory moss Atrichumandrogynum[J].Annals of Botany,2001,88(6):1093-1100.
[20] AGARWAL S,SAIRAM R K,SRIVASTAVA G C, et al. Changes in antioxidant enzymes activity and oxidative stress by abscisic acid and salicylic acid in wheat genotypes[J].Biologia Plantarum,2005,49(4):541-550.