范志勇
(黑龍江省大慶市第四中學(xué),大慶,163711)
姜晶 王芳 呂東林 顧宸瑞 李騰 姜靜
(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))) (遼寧林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院) (林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué)))
類黃酮化合物(flavonoids)普遍存在于高等植物的葉、莖、花、果實(shí)等各種器官組織中,是果實(shí)和花的主要色素。查耳酮合酶(chalcone synthase,CHS)是黃酮類物質(zhì)合成的第一個(gè)限速酶,該酶催化丙二酰CoA與對(duì)羥基苯丙烯酰CoA縮合生成四羥基查耳酮,查爾酮在查爾酮異構(gòu)酶的作用下生成許多黃烷酮類物質(zhì),再由黃烷酮衍生出各種黃酮類、醇類、花色素苷類等次級(jí)代謝產(chǎn)物[1]。由此可知,CHS的作用非常重要,CHS基因的沉默、超表達(dá)或突變都將直接或間接影響花色素苷等黃酮類化合物的合成,進(jìn)而導(dǎo)致植物花色或果實(shí)顏色變異[2-6]。迄今為止,已從桂花(Osmanthusfragrans)、葡萄(Vitisvinifera)、向日葵(HelianthusannuusL.)、越橘(Vacciniumspp.)等700多種植物中克隆獲得CHS基因[7-11]并在煙草(Nicotianabenthamiana)[9,12]、甘藍(lán)型油菜(BrassicanapusL.)[11]、洋桔梗(Eustomagrandiflorum)[13]、獼猴桃(Actinidiasinensis)[14]等植物中采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)已獲得花色、果色變異的轉(zhuǎn)基因品種。
白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)是我國(guó)東北及內(nèi)蒙古四省區(qū)主要分布的樹(shù)種之一,其姿態(tài)優(yōu)美、樹(shù)皮潔白,具有獨(dú)特的觀賞價(jià)值,被廣泛應(yīng)用于庭院觀賞和園林綠化[15],人們采用基因工程育種的方法相繼對(duì)白樺進(jìn)行了遺傳改良,分別獲得了同期縮短、木質(zhì)素含量降低、抗蟲(chóng)及耐鹽性提高的轉(zhuǎn)基因白樺[16-19]。然而,有關(guān)BpCHS基因研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道,本實(shí)驗(yàn)以白樺合子胚為受體采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將BpCHS3導(dǎo)入白樺基因組中,通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因株系的生長(zhǎng)表型觀察以及色素含量測(cè)定,探討白樺CHS3基因的功能。
轉(zhuǎn)基因受體為白樺(Betulaplatyphylla×B.pendula)種子,種子采自東北林業(yè)大學(xué)白樺強(qiáng)化種子園內(nèi)自由授粉的優(yōu)樹(shù),將采摘的種子晾干,去除苞片及果梗等雜質(zhì),分成若干小份,塑料袋塑封后置于冰箱-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
EHA105(pBpCH3)菌株為本實(shí)驗(yàn)室保存。TaqDNA polymerase購(gòu)自Fermentas公司;潮霉素(Hygromycin B)購(gòu)自amresco公司;利福平(rifampicin,Rif)購(gòu)自Sigma公司;頭孢霉素(Cefotaxime)購(gòu)自Phyto Technology Laboratories公司。
白樺的遺傳轉(zhuǎn)化:采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的合子胚法進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化[17]。即將縱切后并經(jīng)過(guò)工程菌液侵染的白樺合子胚置于共培養(yǎng)基上(WPM+2.0 mg/L 6-BA+0.2 mg/L NAA)暗培養(yǎng)48 h,隨后轉(zhuǎn)接至含選擇劑和抑菌劑的固體平板培養(yǎng)基上(WPM+2.0 mg/L 6-BA+0.2 mg/L NAA+200 mg/L Cef+50 mg/L Hyg),(25±2)℃光照條件下進(jìn)行選擇培養(yǎng),20 d后在合子胚切口處可見(jiàn)陸續(xù)產(chǎn)生Hyg抗性愈傷組織,待抗性愈傷組織直徑為0.2 mm左右時(shí)將其切下,置于分化培養(yǎng)基上(WPM+0.8 mg/L 6-BA+0.02 mg/L NAA+0.5 mg/L GA3+200 mg/L Cef+50 mg/L Hyg)誘導(dǎo)分化不定芽,待不定芽長(zhǎng)成叢生苗后選取生長(zhǎng)健壯的無(wú)根苗接種于生根培養(yǎng)基(WPM+0.4 mg/L IBA+200 mg/Lcef)中進(jìn)行生根培養(yǎng)。
PCR檢測(cè):采用植物DNA提取試劑盒(天根生化科技(北京)有限公司)提取參試株系總DNA,根據(jù)BpCHS3 ORF兩端序列設(shè)計(jì)引物:
上游引物為:5′-CACCATGGTGTCCCCTGGAAACGCG-3′;下游引物為:5′-CGCAACTGGTGGGTGGAGCAC-3′,PCR反應(yīng)體系參考文獻(xiàn)[20],PCR產(chǎn)物用1.0%的瓊脂糖凝膠檢測(cè)。
qRT-PCR檢測(cè):采用植物總RNA提取試劑盒(北京百泰克生物技術(shù)有限公司)分別提取參試株系總RNA,RNA經(jīng)DNaseI(RNase free)消化后用Rever Tre Ace?qPCR RT Kit(東洋紡(上海)生物科技有限公司)進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄。逆轉(zhuǎn)錄體系為RNA 1 μg、5×RT Buffer 2 μL、Primer Mix 0.5 μL、Enzyme Mix 0.5 μL,去離子水補(bǔ)足體積至10 μL。反應(yīng)程序?yàn)?7 ℃ 15 min;98 ℃ 5 min。將反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物稀釋10倍,用作定量PCR的模板,同時(shí)以18S rRNA和tublin為內(nèi)參基因,對(duì)參試基因進(jìn)行qRT-PCR分析。PCR反應(yīng)體系為2×SYBR Green Realtime PCR Master mix 10 μL(東洋紡(上海)生物科技有限公司)、模板2.5 μL、上游引物和下游引物(10 μmol·L-1)各0.5 μL、用去離子水補(bǔ)足體積20 μL。反應(yīng)程序?yàn)?4 ℃ 30 s,94 ℃ 12 s、54 ℃ 30 s、72 ℃ 30 s,循環(huán)45次,80.0 ℃讀板1 s,收集熒光,繪制熔解曲線,溫度由55 ℃開(kāi)始至99 ℃終止。在DNA Engine OpticonTM 2型實(shí)時(shí)定量PCR儀(Bio-Rad,USA)上完成qRT-PCR,各反應(yīng)均設(shè)3次重復(fù),用2-ΔΔCt方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析(表1)。
表1 qRT-PCR引物序列
轉(zhuǎn)基因植株生長(zhǎng)性狀調(diào)查:將獲得的轉(zhuǎn)基因白樺繼代苗及WT苗接種于生根培養(yǎng)基中進(jìn)行生根培養(yǎng),待生根苗高在2~3 cm左右時(shí)開(kāi)蓋煉苗,按文獻(xiàn)[20]進(jìn)行煉苗及移栽,每個(gè)株系擴(kuò)繁50株左右,待苗木1年生時(shí),參試株系均選取高度一致的苗木30株,移至直徑25 cm、高度30 cm的營(yíng)養(yǎng)缽中,2年生時(shí)進(jìn)行苗高、地徑及側(cè)枝數(shù)等性狀的調(diào)查。
轉(zhuǎn)基因白樺樹(shù)皮顏色的調(diào)查:利用英國(guó)皇家園藝學(xué)會(huì)第6版比色卡(RHS2015)鑒定參試株系的莖桿顏色。
葉綠素與類胡蘿卜素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定:于7月中旬分別摘取參試株系的第4~5葉片,每個(gè)株系取3株樹(shù)的葉片,混樣后備用;同時(shí)截取第4葉開(kāi)始至下方10 cm處的莖桿,每個(gè)株系也是截取3株樹(shù)的莖桿,用刀片輕輕刮取韌皮組織,混樣后備用。
將上述試材分別放于研缽中液氮研磨后,取0.1 g放于含有10 mLV(丙酮)∶V(乙醇)=2∶1混和液的三角瓶中浸提,三角瓶置于避光處室溫浸泡至無(wú)色,過(guò)濾后獲得提取液(各樣品重復(fù)3次)。
將上述提取液用V(丙酮)∶V(乙醇)=2∶1混合液稀釋5倍,置于比色皿中,采用722S可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定其在663、645、470 nm波長(zhǎng)處的吸光值,根據(jù)公式求算色素質(zhì)量濃度:
葉綠素a=12.7DO663-2.69DO645;
葉綠素b=22.9DO645-4.68DO663;
總?cè)~綠素(a+b)=20.2DO645+8.02DO663;
類胡蘿卜素=8.73DO470+2.11DO663-9.06DO645。
根據(jù)公式求算色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)=[色素質(zhì)量濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)]/樣品鮮質(zhì)量。公式中DO663、DO645和DO470分別為葉綠素提取液在663、645和470 nm下的吸光值。提取方法參照文獻(xiàn)[21]和[22]。
花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定:根據(jù)文獻(xiàn)[23]方法稱取1 g待測(cè)試材,剪碎后置于燒杯中,加入10 mL的0.1 mol/L HCL,將燒杯口封好后置于溫箱32 ℃浸提4 h后過(guò)濾,即為待測(cè)溶液。用1 mL比色皿,在721分光光度計(jì)上于530 nm處讀取吸光度(A),以0.1 mol/L HCL溶液為空白對(duì)照。
取純度95%的花青素樣品20 mg及0.1 mol/L HCl溶液20 mL配制0.95 g/L的0.1 mol/L HCL標(biāo)準(zhǔn)溶液。在721分光光度計(jì)上于530 nm處讀取標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度,以吸光度(A)=0.1時(shí)的花青素為1個(gè)單位進(jìn)行單位換算,標(biāo)準(zhǔn)溶液花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為平均20個(gè)單位,則每單位對(duì)應(yīng)花青素0.475 mg,將上述測(cè)定的花青素單位乘以0.475,即為測(cè)定的花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)目的基因載體轉(zhuǎn)化白樺成熟合子胚,經(jīng)50 mg/L Hyg篩選獲得抗性繼代苗,將繼代苗分別接種于生根培養(yǎng)基中,待長(zhǎng)出3~4片葉時(shí),切取葉片繼續(xù)在50 mg/L Hyg培養(yǎng)基中進(jìn)行二次篩選,試驗(yàn)共計(jì)獲得15個(gè)轉(zhuǎn)化子,分別命名為OE1、OE2、…、OE15(圖1)。
分別對(duì)獲得的抗性株系進(jìn)行PCR檢測(cè),即以轉(zhuǎn)基因白樺總DNA為模板,以pBpCHS3質(zhì)粒載體為陽(yáng)性對(duì)照,野生型白樺(WT)為陰性對(duì)照,采用BpCHS3基因ORF兩端序列為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增(圖2),結(jié)果顯示:陽(yáng)性pBpCHS3質(zhì)粒及4個(gè)轉(zhuǎn)基因株系在1 100 bp左右處有擴(kuò)增譜帶,該條帶為白樺基因組整合的1 170 bp的BpCHS3cDNA,而WT及4個(gè)轉(zhuǎn)基因株系在2 000 bp左右處也出現(xiàn)一條擴(kuò)增譜帶,該譜帶是白樺基因組中具有535 bp內(nèi)含子的1 705 bpBpCHS3基因序列,檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明,35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的BpCHS3 cDNA序列已整合到白樺基因中。
M.DL2000;泳道1為pBpCHS3質(zhì)粒;泳道2為水;泳道3為WT株系;泳道4~7為轉(zhuǎn)基因株系(OE1、OE2、OE4、OE6)。
分別選擇5個(gè)轉(zhuǎn)基因株系進(jìn)行qRT-PCR檢測(cè),結(jié)果顯示:5個(gè)轉(zhuǎn)基因株系的BpCHS3基因表達(dá)量相對(duì)WT株系均呈現(xiàn)上調(diào)表達(dá),但BpCHS3上調(diào)幅度不盡相同(表2),雖然OE10株系BpCHS3上調(diào)表達(dá)量最低,但BpCHS3的表達(dá)量也高于WT株系的15倍;試驗(yàn)表明,轉(zhuǎn)基因株系中BpCHS3基因在mRNA水平能夠過(guò)量表達(dá)。
表2 轉(zhuǎn)基因株系BpCHS3基因qRT-PCR分析
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。
分別對(duì)1年生及2年生移栽的苗木觀察發(fā)現(xiàn)(圖3、圖4):與野生型WT株系比較,轉(zhuǎn)基因白樺葉片綠色變淺,樹(shù)皮顏色也發(fā)生明顯變化,BpCHS3過(guò)表達(dá)株系的莖桿呈現(xiàn)淺黃綠(RHS2015 199B),將樹(shù)皮剝離后發(fā)現(xiàn),樹(shù)皮為灰白色(RHS2015 156A),且透光(圖4中D),因此,莖桿的淺黃綠是韌皮組織透過(guò)灰白色樹(shù)皮而呈現(xiàn)的顏色(圖4中E);WT株系樹(shù)皮為褐色(RHS2015 165A),由于其不透光,故此,WT的莖桿也為褐色(圖4中B、C)。
A.生長(zhǎng)發(fā)育中的白樺;B.停止生長(zhǎng)的白樺;C.WT(左)及轉(zhuǎn)基因白樺莖桿(右);D.WT莖的顏色為Moderate Brown(RHS2015 165A);E.BpCHS3過(guò)表達(dá)株系莖桿的顏色為L(zhǎng)ight Olive Brown(RHS2015 199 B)。
苗高及地徑調(diào)查顯示,轉(zhuǎn)基因株系與WT的生長(zhǎng)量差異不顯著,而在側(cè)枝生長(zhǎng)方面表現(xiàn)不同,1年生的轉(zhuǎn)基因白樺各株系均有側(cè)枝生長(zhǎng),而WT株系未見(jiàn)側(cè)枝形成(圖3中B),2年生時(shí)WT株系雖然出現(xiàn)側(cè)枝(表3),但在側(cè)枝數(shù)量方面顯著少于轉(zhuǎn)基因株系(p<0.01),調(diào)查的5個(gè)轉(zhuǎn)基因株系平均側(cè)枝數(shù)為22.87個(gè),而WT僅為18.63個(gè)。
為了探明BpCHS3過(guò)表達(dá)白樺組織細(xì)胞中花青素含量發(fā)生怎樣變化?明確轉(zhuǎn)基因白樺葉片綠色變淺,樹(shù)皮莖桿呈現(xiàn)淺黃綠色與光合色素的關(guān)系。試驗(yàn)選取OE1、OE2、OE4等3個(gè)轉(zhuǎn)基因株系及WT株系,分別測(cè)定葉片及韌皮組織的葉綠素、類胡蘿卜素和花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果顯示:葉片組織中轉(zhuǎn)基因株系的光合色素及花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于WT株系(P<0.01),轉(zhuǎn)基因株系總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值低于WT的13.68%(表4),花青素相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值低于WT的45.99%;韌皮組織中轉(zhuǎn)基因株系的光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于WT,但只有OE1和OE2株系達(dá)到顯著水平(P<0.01),3個(gè)轉(zhuǎn)基因株系總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值高于WT株系的88.16%(表5),而轉(zhuǎn)基因株系韌皮組織中的花青素相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與WT株系差異不顯著(表6)。
表3 2年生轉(zhuǎn)基因白樺苗高、地徑及側(cè)枝數(shù)比較
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;WT為對(duì)照株系,OE為BpCHS3過(guò)表達(dá)株系;同列不同字母表示差異極顯著(P<0.01)。
A.WT及轉(zhuǎn)基因白樺莖桿;B.剝離的樹(shù)皮(實(shí)體顯微鏡拍照,×0.8)(greyed-white group)(RHS2015 156A);C.箭頭標(biāo)記的上方為剝離樹(shù)皮后露出的韌皮部、下方為沒(méi)有剝離樹(shù)皮莖桿;D.剝離的樹(shù)皮(實(shí)體顯微鏡拍照,×0.8)(greyed-white group)(RHS2015 156A);E.箭頭標(biāo)記的上方為剝離樹(shù)皮后露出的韌皮部、下方為沒(méi)有剝離樹(shù)皮莖桿。
為了明確轉(zhuǎn)白樺CHS3過(guò)量表達(dá)株系中BpCHS家族成員的表達(dá)特性,試驗(yàn)根據(jù)前期紫雨樺轉(zhuǎn)錄組分析,以擬南芥查耳酮合酶(CHS,AT5G13930.1)作為輸入序列,與白樺基因組進(jìn)行BLASTP比對(duì),在白樺基因組中找到BpCHS1、BpCHS2、BpCHS3等3條CHS基因全長(zhǎng)序列[24-25],轉(zhuǎn)基因白樺的qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn),相對(duì)WT株系3個(gè)轉(zhuǎn)基因株系中的BpCHS1基因均呈下調(diào)表達(dá),3個(gè)轉(zhuǎn)基因株系的表達(dá)量均值僅為WT的64.59%,而B(niǎo)pCHS2基因除OE1株系外,其他2個(gè)轉(zhuǎn)基因株系也呈現(xiàn)下調(diào)表達(dá)(表7)。
表4 轉(zhuǎn)基因株系韌葉片組織中葉綠素及類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較mg·g-1
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;同列不同字母表示差異極顯著(P<0.01)。
表5 轉(zhuǎn)基因株系韌皮部葉綠素及類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較 mg·g-1
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;同列不同字母表示差異極顯著(P<0.01)。
表6 轉(zhuǎn)基因株系葉片與韌皮部中花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較 mg·g-1
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;同列不同字母表示差異極顯著(P<0.01)。
表7 BpCHS3過(guò)表達(dá)白樺葉片中CHS1及CHS2的相對(duì)表達(dá)量
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。
利用花色素代謝的結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因,對(duì)觀賞植物的色彩進(jìn)行改良具有十分廣泛的前景,其中查耳酮合酶基因(CHS)在植物花色分子設(shè)計(jì)育種方面報(bào)道較多,例如運(yùn)用RNAi技術(shù)抑制煙草、紫色矮牽牛等植物的CHS基因的表達(dá),可導(dǎo)致花青素含量不同程度的降低,花色產(chǎn)生變異,甚至產(chǎn)生白色花朵[26]。白樺為高大喬木,童期較長(zhǎng),野外條件下17~20 a才能開(kāi)花結(jié)實(shí)[27],白樺CHS3過(guò)表達(dá)能否影響花色需要后續(xù)觀察。因此,試驗(yàn)僅對(duì)轉(zhuǎn)基因白樺表型、花青素及光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因白樺樹(shù)皮為無(wú)色(圖4中D),側(cè)枝增多,轉(zhuǎn)基因白樺葉片總?cè)~綠素及類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值分別低于WT株系的13.68%、36.15%(表4)。有研究表明,CHS基因的過(guò)量表達(dá)或抑制表達(dá)轉(zhuǎn)基因植物的種皮及莖桿顏色變淺,葉片組織葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,轉(zhuǎn)CHS煙草及甘藍(lán)型黑籽油菜的的側(cè)枝數(shù)量也發(fā)生改變[11,28-29]。白樺CHS3過(guò)表達(dá)株系生長(zhǎng)表現(xiàn)與前人的研究結(jié)果非常相似。
對(duì)轉(zhuǎn)基因白樺的花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析發(fā)現(xiàn),其含量不但沒(méi)有提高,反而顯著降低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的OE2株系僅為WT株系的57.27%(表6),認(rèn)為在轉(zhuǎn)基因白樺中發(fā)生了CHS的共抑制現(xiàn)象,即引入的CHS基因能夠阻斷花色苷的合成。共抑制現(xiàn)象是20世紀(jì)90年代初Nappli et al在進(jìn)行矮牽牛(Petuniahybrida)過(guò)量表達(dá)CHS基因時(shí),首次提出了CHS基因間存在共抑制現(xiàn)象,隨后人們相繼發(fā)現(xiàn)了矮牽牛中與色素合成有關(guān)的一些基因轉(zhuǎn)基因后會(huì)發(fā)生共抑制現(xiàn)象,其中CHS基因的研究較多[11,28-29]。然而讓我們困惑不解的是qRT-PCR結(jié)果顯示:轉(zhuǎn)基因株系BpCHS3表達(dá)量卻顯著上調(diào),均值高于WT株系59.76倍(表2),試驗(yàn)又對(duì)白樺中僅有的另外2條BpCHS表達(dá)量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因株系中的BpCHS1和BpCHS2均呈下調(diào)表達(dá)(OE1株系除外),故此,推測(cè)BpCHS3的過(guò)量表達(dá),未對(duì)BpCHS3產(chǎn)生共抑制,但可能對(duì)另外2個(gè)CHS家族成員(2個(gè)家族成員與CHS3具有70%左右的同源性)產(chǎn)生了共抑制現(xiàn)象,這種推測(cè)還需后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步的驗(yàn)證。
白樺CHS3的過(guò)量表達(dá)為何導(dǎo)致葉片光合色素合成量的減少,葉綠素、類胡蘿卜素及花青素之間是通過(guò)怎樣的代謝途徑相互影響,CHS通過(guò)共抑制如何影響側(cè)枝數(shù)量及樹(shù)皮著色等問(wèn)題還有待進(jìn)一步揭示。