許向陽(yáng),裴 童,吳泰茹,王子玉,趙婷婷,李景富,楊歡歡,張 賀,姜景彬
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院,哈爾濱 150030;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150030)
番茄(Solanum lycopersicum)在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中面臨許多不利環(huán)境因素,如非生物脅迫。在非生物脅迫中,干旱脅迫是造成番茄經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的脅迫之一,對(duì)番茄植株水分代謝途徑與干旱逆境應(yīng)答信號(hào)傳導(dǎo)途徑產(chǎn)生顯著影響[1]。例如,干旱脅迫降低番茄葉片氣孔開(kāi)放率,改變生理生化反應(yīng),從而影響番茄水分與營(yíng)養(yǎng)代謝途徑[2]。干旱脅迫也可通過(guò)打破植物細(xì)胞內(nèi)Na+與K+平衡,導(dǎo)致番茄葉片水分含量發(fā)生改變,引起植物代謝紊亂和形態(tài)變化[3]。干旱脅迫還可誘導(dǎo)抗旱應(yīng)答過(guò)程中轉(zhuǎn)錄因子與基因表達(dá),使其通過(guò)脫落酸(ABA)等信號(hào)傳導(dǎo)途徑增強(qiáng)植物對(duì)脅迫的抵抗能力[4]。植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是一個(gè)具有多種級(jí)聯(lián)反應(yīng)的復(fù)雜調(diào)控過(guò)程,許多轉(zhuǎn)錄因子、基因共同調(diào)控抗旱應(yīng)答信號(hào)傳導(dǎo)途徑與生理生化代謝等途徑[5-6]。當(dāng)植物遇到干旱脅迫時(shí),植物體內(nèi)干旱脅迫應(yīng)答基因迅速表達(dá)以調(diào)控該過(guò)程,在該脅迫應(yīng)答基因調(diào)控的抗旱應(yīng)答過(guò)程中,許多轉(zhuǎn)錄因子和基因共同表達(dá)促使植物適應(yīng)脅迫過(guò)程[5]。由此可知,干旱脅迫信號(hào)引起脅迫信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的多種基因表達(dá),參與調(diào)控植物抗旱應(yīng)答,但應(yīng)答過(guò)程中許多調(diào)控理論機(jī)制尚不清楚,挖掘和探討未知機(jī)制對(duì)研究番茄抗旱調(diào)控具有重要理論意義。
酵母雙雜交系統(tǒng)是檢測(cè)蛋白質(zhì)間是否存在相互作用的一種技術(shù)方法[7]。該技術(shù)首次由Fields等提出,可直接驗(yàn)證已知蛋白相互作用情況,也可篩選文庫(kù)中與誘餌蛋白質(zhì)存在相互作用的新蛋白,確定新蛋白質(zhì)功能[8]。隨酵母雙雜交技術(shù)發(fā)展,該技術(shù)已應(yīng)用于多種蔬菜作物。李穎波等在鹽脅迫下構(gòu)建大麥酵母雙雜交cDNA文庫(kù)[9]。雷海英等構(gòu)建玉米酵母雙雜交cDNA文庫(kù)[10]。鄒禹等構(gòu)建高鹽脅迫下水稻酵母雙雜交cDNA文庫(kù)[11]。許向陽(yáng)等構(gòu)建Cf-19介導(dǎo)的抗番茄葉霉?。–ladosporium fulvum)免疫應(yīng)答酵母雙雜交cDNA文庫(kù)[12]。由此可知,酵母雙雜交系統(tǒng)在各類作物非生物脅迫、質(zhì)量性狀與病害等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
“Micro-Tom”番茄是番茄理論研究最好的模式作物,因此本研究以番茄品種“Micro-Tom”作為構(gòu)建文庫(kù)的材料,對(duì)其作PEG 6000模擬干旱脅迫,干旱脅迫后0、3與6 h“Micro-Tom”番茄材料等量混合,利用Gateway技術(shù)構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù),以期為進(jìn)一步完善干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄抗旱理論研究奠定基礎(chǔ)。
“Micro-Tom”番茄材料由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院番茄課題組提供,試驗(yàn)材料種植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)站。2019年6月將“Micro-Tom”番茄種子播種于營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi),覆膜保濕,避光培養(yǎng),溫度為20~28℃,5 d左右幼苗破土。去掉覆膜,培養(yǎng)條件為:光照17 h,黑暗7 h,溫度25~30℃,濕度70%~75%,避免徒長(zhǎng)。待幼苗長(zhǎng)至4~5葉一心時(shí)將試驗(yàn)材料干旱脅迫處理。干旱處理:將“Micro-Tom”番茄幼苗置于15%PEG 6000溶液中模擬干旱條件。干旱脅迫早期0、3與6 h“Micro-Tom”番茄幼嫩葉片置于液氮中,保存于-80℃冰箱用于干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)構(gòu)建。
將PEG6000脅迫處理后0、3與6 h番茄葉片等量混合,稱取1 g樣品在液氮下研磨用于干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)構(gòu)建。將研磨試驗(yàn)材料加入Trizol,震蕩后加入CH3Cl離心;棄去多余液體加入異丙醇離心,收集RNA沉淀,于通風(fēng)處風(fēng)干,加入適量DEPC水溶解。最終得到干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)總RNA。
按照Oligotex mRNA Midi Kit說(shuō)明書(shū)對(duì)干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)總RNA作mRNA分離與純化。首先向RNA沉淀中加入DEPC水溶解,再向其中加入buffer OBB與Oligotex suspension溶液水浴,離心后獲取沉淀。其次,向沉淀中加入OW2與buffer OEB溶液,于凝膠電泳下觀察mRNA條帶分布情況。最后,mRNA中加入NH4OAC與糖原等物質(zhì)混勻,無(wú)水乙醇清洗兩次,最終獲得已純化mRNA沉淀。利用凝膠電泳檢測(cè)mRNA質(zhì)量用于構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)。
1.3.1 cDNA雙鏈合成
根據(jù)Invitrogen公司構(gòu)建cDNA文庫(kù)說(shuō)明書(shū)構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)。cDNA首鏈合成試劑:mRNA模板、DEPC水、dNTPs、5×First Strand Buffer與SuperScript III RT酶等。cDNA第2條鏈合成試劑:DEPC水、E.coliDNA Ligase、E.coliRNaseH、5 X Second Strand Buffer、E.coliDNA Polymerase I、 EDTA、 T4DNA Polymerase與酚:氯仿:異戊醇(25:24:1)等。
1.3.2 雙鏈cDNA重組接頭連接、分級(jí)分離與收集
將雙鏈cDNA與三框attB1重組接頭連接(3種接頭分別各連接1份)。3份cDNA產(chǎn)物混合后加入TEN Buffer分級(jí)分離,向分級(jí)分離的cDNA產(chǎn)物加入以下成分于-80℃冰箱靜止:Glycogen、100%ethano與NH4OAc,靜止后室溫下離心收集沉淀;加入乙醇溶液(70%)清洗沉淀并吹干,加入DEPC水溶解獲得酵母雙雜交初級(jí)文庫(kù)cDNA。
1.3.3 cDNA重組反應(yīng)與擴(kuò)增
將擴(kuò)增的cDNA片段重組到pDONR222質(zhì)粒上得到cDNA-pDONR222重組載體,重組載體電轉(zhuǎn)化到大腸桿菌中,加入液體培養(yǎng)基于搖床中復(fù)蘇菌體55 min。復(fù)蘇后用涂布棒涂布到固體LB培養(yǎng)基(抗生素Kanamycine)中用于庫(kù)容量與文庫(kù)滴度鑒定,剩余菌體加入甘油儲(chǔ)存于-80℃冰箱中,此即為干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交初級(jí)cDNA文庫(kù)菌液。
將初級(jí)cDNA文庫(kù)菌液加入液體培養(yǎng)基搖菌擴(kuò)增,12~14 h后根據(jù)Biospin Plasmid DNA Extraction Kit(博日科技有限公司,杭州)提取重組載體質(zhì)粒,按照1.3.3重組載體方法將質(zhì)粒cDNA-pDONR222與次級(jí)文庫(kù)pGADT7DEST質(zhì)粒上形成cDNA-pDONR222-pGADT7DEST重組載體。重組載體轉(zhuǎn)化大腸桿菌,搖床中復(fù)蘇菌液55 min,最后于固體培養(yǎng)基(抗生素Ampicillin)上培養(yǎng)菌落。剩余菌液加入等量甘油保存于-80℃冰箱中,即為干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交次級(jí)cDNA文庫(kù)菌液。
1.5.1 初級(jí)、次級(jí)與目的cDNA文庫(kù)庫(kù)容量檢測(cè)
將酵母雙雜交初級(jí)與次級(jí)cDNA文庫(kù)菌液10倍稀釋,稀釋后從兩個(gè)文庫(kù)中各吸取50 μL分別涂布于含Kanamycine與Ampicillin抗性的固體LB培養(yǎng)基上,37℃培養(yǎng)12~16 h長(zhǎng)出菌落克隆。
酵母雙雜交初級(jí)/次級(jí)cDNA文庫(kù)滴度(CFU·mL-1):平板上全部菌落克隆數(shù)量50 μL× 100倍×1×103μL。酵母雙雜交文庫(kù)總?cè)萘浚–FU)=酵母cDNA文庫(kù)滴度(CFU·mL-1)× 文庫(kù)菌液總體積(mL)。番茄目的酵母文庫(kù)滴度(CFU·mL-1)=平板上克隆數(shù)量/涂板菌液體積×文庫(kù)菌液稀釋倍數(shù)。
1.5.2 初級(jí)、次級(jí)與酵母cDNA文庫(kù)片段長(zhǎng)度與重組率鑒定
初級(jí)、次級(jí)cDNA文庫(kù)固體LB培養(yǎng)基中分別選取24個(gè)單菌落,通過(guò)PCR檢測(cè)cDNA文庫(kù)中重組序列完整性。其中,初級(jí)cDNA文庫(kù)與次級(jí)cDNA文庫(kù)PCR引物均由Invitrogen公司設(shè)計(jì)并提供,而PCR反應(yīng)程序參照文獻(xiàn)[13]。最終,“Micro-Tom”番茄初級(jí)與次級(jí)酵母文庫(kù)cDNA文庫(kù)片段長(zhǎng)度通過(guò)1%瓊脂凝膠電泳檢測(cè)鑒定,觀察目的條帶數(shù)量及其長(zhǎng)度。重組率(%)=重組成功數(shù)量/全部克隆總數(shù)×100%。
次級(jí)cDNA酵母文庫(kù)菌液在37℃,200 r·min-1搖床中擴(kuò)繁,14~16 h后采用諾唯贊質(zhì)粒提取試劑盒提取cDNA-pDONR222-pGADT7DEST重組質(zhì)粒。將提取的質(zhì)粒轉(zhuǎn)入酵母中,具體方法如下:將次級(jí)cDNA文庫(kù)質(zhì)粒與Herring Testes Carrier DNA混合熱激與冰浴;加入感受態(tài)細(xì)胞Appendix B試劑混合水浴離心等;加入3YPD Plus液體培養(yǎng)基復(fù)蘇酵母2 h;離心后加入生理鹽水(0.9%)稀釋菌塊,將菌液250 μL在SD/Leu培養(yǎng)基上培養(yǎng),共100個(gè)平板,于30℃培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)3~4 d可觀察到單菌落;將長(zhǎng)出菌落平板放置于4℃冰箱冷卻約3~4 h,加入冷凍培養(yǎng)基,按照1.5.1方法檢測(cè)目的酵母cDNA文庫(kù)庫(kù)容量與文庫(kù)滴度,吸取100 μL酵母雙雜交cDNA文庫(kù)菌液按照1∶100、1∶1 000與1∶10 000稀釋,均勻涂布在SD/Leu培養(yǎng)基上于30℃培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)2~4 d可觀察到單菌落生成;隨機(jī)選擇單克?。?4個(gè))置于液體培養(yǎng)基,于30 ℃,250 r·min-1搖菌14~16 h,離心4 min棄上清,加入SDS溶液重懸菌體通過(guò)PCR鑒定菌落陽(yáng)性克隆數(shù)量,計(jì)算重組率。最終,將PCR產(chǎn)物加入loading Buffer在瓊脂糖凝膠電泳中檢測(cè)干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)重組序列完整性(片段長(zhǎng)度與重組率)。
將“Micro-Tom”番茄植株作PEG 6000處理,在脅迫后0、3與6 h選取“Micro-Tom”番茄幼嫩葉片提取干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)總RNA。在1%瓊脂糖凝膠下檢測(cè)cDNA文庫(kù)總RNA質(zhì)量,如圖1a所示,圖譜中總RNA主要有兩條帶,28S主帶與18S次帶,兩條帶清晰且明亮,無(wú)明顯彌散性條帶。由此可知,cDNA文庫(kù)總RNA質(zhì)量較好,無(wú)降解。mRNA電泳圖譜如圖1b所示,mRNA條帶在500~2 000 bp范圍內(nèi)呈均勻彌散分布,證明cDNA文庫(kù)mRNA質(zhì)量較好,未發(fā)生降解。ds cDNA電泳圖譜如圖1c所示,ds cDNA條帶在較大范圍內(nèi)呈彌散性均勻分布,因此cDNA條帶完整性較高,質(zhì)量較好,可用于構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)。
將cDNA初級(jí)酵母cDNA文庫(kù)菌液100倍稀釋后于固體LB培養(yǎng)基(含抗生素Kanamycine)上培養(yǎng),待長(zhǎng)出菌落后計(jì)數(shù)。
如圖2a所示,經(jīng)計(jì)算“Micro-Tom”番茄初級(jí)cDNA文庫(kù)平板上共長(zhǎng)出1 300個(gè)克隆,初級(jí)cDNA文庫(kù)滴度為2.6×106CFU·mL-1,初級(jí)cDNA文庫(kù)庫(kù)容量為1.04×107CFU。初級(jí)cDNA文庫(kù)培養(yǎng)基中隨機(jī)選擇24個(gè)克隆檢測(cè),電泳圖譜檢測(cè)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖2b),24個(gè)克隆全部擴(kuò)增出條帶,重組率為100%,該結(jié)果從一定程度上降低克隆假陽(yáng)性。24個(gè)克隆全部為500 bp以上,且插入片段平均長(zhǎng)度>1 000 bp。由此可知,以上數(shù)據(jù)達(dá)到構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)。
將“Micro-Tom”番茄次級(jí)酵母cDNA文庫(kù)菌液按照上述方法100倍稀釋后于固體LB培養(yǎng)基(含抗生素Ampicillin)上培養(yǎng),待長(zhǎng)出菌落后計(jì)數(shù)。如圖3a所示,經(jīng)計(jì)算Micro-Tom番茄初級(jí)cDNA文庫(kù)平板上共長(zhǎng)出1 700個(gè)克隆,次級(jí)cDNA文庫(kù)滴度為3.4×106CFU·mL-1,次級(jí)cDNA文庫(kù)的庫(kù)容量為1.36×107CFU。利用PCR方法檢測(cè)次級(jí)cDNA文庫(kù)重組率與插入片段長(zhǎng)度,在次級(jí)cDNA文庫(kù)培養(yǎng)基中隨機(jī)選擇24個(gè)克隆檢測(cè)。凝膠電泳圖譜檢測(cè)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖3b),24個(gè)克隆全部擴(kuò)增出條帶,重組率為10%,該結(jié)果從一定程度上降低克隆假陽(yáng)性。其中,24個(gè)克隆全部為500 bp以上,片段最長(zhǎng)為2 000 bp,有18個(gè)克隆位于1 000~2 000 bp,6個(gè)克隆片段長(zhǎng)度位于500~1 000 bp,且插入片段平均長(zhǎng)度>1 000 bp。由此可知,以上數(shù)據(jù)達(dá)到構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)。
將次級(jí)cDNA文庫(kù)菌液轉(zhuǎn)化到酵母菌株中于SD/Leu培養(yǎng)基中培養(yǎng)。按100、1 000與10 000倍稀釋菌液,最后吸取100 μL稀釋度為10 000倍酵母雙雜交cDNA文庫(kù)菌液涂布培養(yǎng),得到干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)。
由圖4a可知,該酵母雙雜交cDNA文庫(kù)平板上共長(zhǎng)出600個(gè)克隆,文庫(kù)滴度為6.0×107CFU·mL-1。利用PCR檢測(cè)番茄cDNA酵母文庫(kù)重組率與插入片段長(zhǎng)度,在目的酵母cDNA文庫(kù)培養(yǎng)基中隨機(jī)選擇24個(gè)克隆檢測(cè)。
根據(jù)圖4b凝膠電泳圖譜檢測(cè)結(jié)果顯示,24個(gè)克隆全部擴(kuò)增出條帶,重組率為100%,該結(jié)果從一定程度上降低克隆假陽(yáng)性。其中,24個(gè)克隆全部為500 bp以上,16個(gè)克隆位于1 000~2000 bp,18個(gè)克隆片段長(zhǎng)度位于500~1 000 bp,且插入片段平均長(zhǎng)度>1 000 bp。由此可知,以上數(shù)據(jù)達(dá)到構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)。
酵母雙雜交技術(shù)是檢測(cè)蛋白質(zhì)間是否存在相互作用與篩選酵母cDNA文庫(kù)中未知功能蛋白的重要手段,對(duì)研究新蛋白質(zhì)功能與代謝途徑有重要意義[7]。目前,許多研究者構(gòu)建酵母雙雜交cDNA文庫(kù),為更深入研究基因與蛋白作用機(jī)理、信號(hào)傳導(dǎo)與代謝途徑奠定基礎(chǔ)。酵母雙雜交cDNA文庫(kù)構(gòu)建方法主要有SMART法與Gateway法,SMART法構(gòu)建cDNA文庫(kù)所需RNA含量少,成本較低,僅能采用Mating方法篩選cDNA酵母文庫(kù),局限性較大。而Gateway法所需RNA質(zhì)量較高,通過(guò)重組方法提高文庫(kù)重組率與庫(kù)容量,可采用Mating方法與共轉(zhuǎn)兩種方法篩選cDNA酵母文庫(kù)[14]。因此,本試驗(yàn)采用Gateway技術(shù)構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)。
構(gòu)建高質(zhì)量cDNA酵母文庫(kù)有利于高效篩選cDNA文庫(kù)中蛋白質(zhì),酵母雙雜交cDNA文庫(kù)質(zhì)量主要通過(guò)庫(kù)容量與重組序列完整性兩方面判斷[15]。庫(kù)容量是構(gòu)建cDNA文庫(kù)中全部克隆的數(shù)目,其數(shù)量代表cDNA文庫(kù)覆蓋度,1個(gè)完整的酵母cDNA文庫(kù)的文庫(kù)滴定度需達(dá)1.0×106CFU·mL-1以上為合格[16]。本研究初級(jí)酵母cDNA文庫(kù)、次級(jí)酵母cDNA文庫(kù)與“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)的文庫(kù)滴定濃度分別是為2.6×106、3.4×106與6.0×107CFU·mL-1。周汐等構(gòu)建大豆酵母雜交cDNA文庫(kù)的文庫(kù)滴度為1.0×107CFU·mL-1[17]。王玉姣等構(gòu)建辣椒疫霉菌誘導(dǎo)辣椒酵母雙雜交cDNA文庫(kù)的文庫(kù)滴度為1.13×106CFU·mL-1[18]。由此可知,本研究構(gòu)建的干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)的庫(kù)容量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),相比之下該酵母雙雜交cDNA文庫(kù)種類更豐富,覆蓋度更完整。
基因重組率與插入基因片段長(zhǎng)度代表基因重組序列完整性[19]。其中,cDNA文庫(kù)平均插入片段需達(dá)1 000 bp以上才可達(dá)到構(gòu)建酵母雙雜交cDNA文庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)[20]。重組率是重組載體成功的數(shù)目與克隆總數(shù)百分比,一定程度上反映文庫(kù)中菌落假陽(yáng)性出現(xiàn)概率。本試驗(yàn)初級(jí)、次級(jí)與“Micro-Tom”番茄酵母cDNA文庫(kù)平均插入基因片段長(zhǎng)度均>1 000 bp,重組率均為100%,降低該cDNA文庫(kù)中菌落假陽(yáng)性概率,以上數(shù)據(jù)均達(dá)到構(gòu)建cDNA文庫(kù)要求。劉露露等構(gòu)建霜霉菌侵染后葡萄葉片酵母雙雜交cDNA文庫(kù)的平均插入片段長(zhǎng)度>1 kb,重組率為96%[14]。鄒禹等構(gòu)建水稻高鹽脅迫下酵母雙雜交文庫(kù)平均插入片段長(zhǎng)度>1 kb,文庫(kù)重組率為96%[11]。本研究構(gòu)建干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)質(zhì)量較高。
本研究通過(guò)Invitrogen公司Gateway技術(shù)完成干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)構(gòu)建。結(jié)果表明,“Micro-Tom”番茄初級(jí)cDNA文庫(kù)與次級(jí)cDNA文庫(kù)的文庫(kù)滴度分別為為2.6×106與3.4×106CFU·mL-1,文庫(kù)總庫(kù)容量分別為1.04×107與1.36×107CFU。干旱脅迫下“Micro-Tom”番茄酵母雙雜交cDNA文庫(kù)滴度為6.0×107CFU·mL-1。初級(jí)、次級(jí)與“Micro-Tom”番茄酵母cDNA文庫(kù)重組率均為100%,各級(jí)文庫(kù)插入片段長(zhǎng)度大多數(shù)均在1 000~2 000 bp,插入片段平均長(zhǎng)度均>1 kb。說(shuō)明構(gòu)建cDNA文庫(kù)質(zhì)量及完整度較好,可用于篩選互作蛋白文庫(kù)。