任惠文,楊子璠,郭雙元,張艷琴,康振生,張新梅
(西北農(nóng)林科技大學(xué) a 生命科學(xué)學(xué)院,b 植物保護(hù)學(xué)院,c 旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)
RNA轉(zhuǎn)錄與降解密切影響生物體的生長(zhǎng)發(fā)育,在真核細(xì)胞中,mRNA的成熟主要依靠?jī)煞N途徑,即5′→3′ RNA降解和3′→5′ RNA降解,這兩種途徑均起始于多聚腺苷-poly(A)尾部的脫腺苷化[1],隨后5′→3′ RNA降解由5′→3′ RNA外切核糖核酸酶家族X(qián)rn完成[2-3],3′→5′ RNA降解由多亞基3′→5′外切核糖核酸酶復(fù)合物——RNA外切體催化[4-5]。真核生物和古生菌的外切體均由六聚體核心和三聚體帽子結(jié)構(gòu)組成[4,6]。外切體在人類(lèi)、酵母和古細(xì)菌中,主要參與RNA的加工和降解過(guò)程,包括正常細(xì)胞質(zhì)mRNA周轉(zhuǎn)[7]、mRNA質(zhì)量控制[8]和小非編碼RNA的加工[9]。真核RNA外切體由9~11個(gè)不同蛋白組成,部分蛋白序列與細(xì)菌的3′→5′外切酶相似。其中RRP4亞基含有類(lèi)核糖體蛋白S1 RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(S1)和K同源(K Homology,KH)RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域,RRP4協(xié)同其他2個(gè)RNA結(jié)合亞基RRP40和CSL4形成外切體頂端帽子結(jié)構(gòu),不僅穩(wěn)定了外切體結(jié)構(gòu),而且增加了其對(duì)多聚腺苷酸(polyA)底物的特異性結(jié)合及催化效率[6]。
RNA加工過(guò)程中防御基因的調(diào)節(jié)是植物免疫的一個(gè)重要方面,RNA結(jié)合蛋白含有RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(RNA binding domain,RBD),通過(guò)與RNA互作形成復(fù)合體,直接或間接參與RNA加工過(guò)程[10]。KH結(jié)構(gòu)域是最常見(jiàn)最豐富的RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域,在人源核不均一核糖核蛋白K(hnRNPK)中最先發(fā)現(xiàn)[11],其廣泛存在于古細(xì)菌、細(xì)菌和真核生物中[12],大約包含70個(gè)氨基酸,通過(guò)識(shí)別RNA或ssDNA參與多種生物學(xué)過(guò)程,如選擇性剪接、控制翻譯等[13]。含有3個(gè)KH結(jié)構(gòu)域的馬鈴薯RNA結(jié)合蛋白StKRBP1能與晚疫病菌(Phytophthorainfestans)效應(yīng)子Pi04089互作,過(guò)表達(dá)StKRBP1能夠促進(jìn)晚疫病菌侵染馬鈴薯葉片;當(dāng)StKRBP1 KH結(jié)構(gòu)域上的RNA識(shí)別位點(diǎn)GXXG突變?yōu)镚DDG時(shí),StKRBP1會(huì)失去識(shí)別和結(jié)合RNA的能力,影響植物的可變剪接,進(jìn)而抑制晚疫病菌對(duì)馬鈴薯葉片的侵染[14]。作為免疫負(fù)調(diào)控因子,馬鈴薯RNA結(jié)合蛋白StKH17同樣能促進(jìn)晚疫病菌侵染[15]。U-box類(lèi)E3泛素連接酶StPUB17可以正調(diào)控馬鈴薯對(duì)晚疫病菌的抗性[16]。Mclellan等[15]通過(guò)酵母雙雜交和免疫共沉淀發(fā)現(xiàn),StPUB17與StKH17相互作用,有可能將StKH17降解,從而提高馬鈴薯葉片對(duì)晚疫病菌的抗性。上述研究表明,含KH結(jié)構(gòu)域的RNA結(jié)合蛋白在植物與病原菌的互作過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。
小麥(TriticumaestivumL.)作為重要的糧食作物,養(yǎng)育了全球近40%的人口,而由條形柄銹菌小麥專(zhuān)化型(Pucciniastriiformisf. sp.tritici,Pst)引起的小麥條銹病嚴(yán)重影響小麥生產(chǎn)。因此,解析小麥與小麥條銹菌互作的分子機(jī)理,對(duì)小麥抗病品種的選育與合理利用至關(guān)重要。本研究以TaRRP4為候選目的基因,采用qRT-PCR技術(shù)分析該基因在小麥品種水源11與小麥條銹菌生理小種CYR23和CYR31互作及非生物脅迫、外源植物激素處理下的表達(dá)特征,以期為小麥與小麥條銹菌互作中該基因功能的驗(yàn)證以及小麥抗病育種提供參考。
供試小麥品種為水源11(Suwon 11),供試小麥條銹菌菌種為條中23號(hào)(CYR23)和條中31號(hào)(CYR31),均由西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫團(tuán)隊(duì)提供。其中CYR23與水源11構(gòu)成非親和體系,CYR31與水源11構(gòu)成親和體系。
使用總RNA提取試劑盒(天根,北京)提取CYR23和CYR31誘導(dǎo)處理的小麥葉片總RNA。使用反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Thermo Fermentas,美國(guó))合成cDNA第一條鏈,引物使用Oligo d(T)18。
在小麥與小麥條銹菌CYR23和CYR31構(gòu)建的非親和與親和互作體系中,篩選出小麥TaRRP4基因的EST序列,結(jié)合NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)等公共數(shù)據(jù)庫(kù),得到目標(biāo)基因序列。利用Primer Premier 5.0設(shè)計(jì)擴(kuò)增引物TaRRP4-ORF-F(5′-ATGAGAGACCTCCACCTCCC-3′)和TaRRP4-ORF-R(5′-CCTCTTCTTTCCCAGGAGGT-3′),以1.2節(jié)反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系(40 μL)為:cDNA(200 ng/μL) 2 μL,2×Prime STAR Max DNA Polyme-rase(TaKaRa,大連)20 μL,TaRRP4-ORF-F/TaRRP4-ORF-R(10 μmol/L)各1 μL,ddH2O 16 μL。PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?8 ℃預(yù)變性5 min;98 ℃變性30 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,37個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min,16 ℃保存。目標(biāo)條帶純化后進(jìn)行雙向測(cè)序。引物合成和測(cè)序均由西安擎科澤西生物科技有限責(zé)任公司完成。
用ProtParam(https://web.expasy.org/protparam/)對(duì)TaRRP4的理化性質(zhì)進(jìn)行在線分析;用NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml)分析TaRRP4的保守結(jié)構(gòu)域;用Phobius(http://phobius.sbc.su.se/)分析TaRRP4的跨膜結(jié)構(gòu)和信號(hào)肽;在NCBI blastp搜索TaRRP4的同源序列,然后使用MEGA 7軟件構(gòu)建TaRRP4的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),分析其親緣關(guān)系;用DNAMAN6.0.40軟件分析TaRRP4同源序列之間的保守性。
1.5.1 小麥苗培養(yǎng) 挑選600粒小麥種子,均勻撒播于裝有育苗基質(zhì)(莘縣魯源育苗基質(zhì)有限公司)的花盆中,每盆12粒,置于16 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(光/暗周期為16 h/8 h,光照強(qiáng)度20 000 lx)。
1.5.2 小麥條銹菌誘導(dǎo)處理 將150株生長(zhǎng)至一葉一心的小麥等分為3組,參照康振生等[17]的方法給第1組和第2組分別接種CYR31和CYR23,第3組作為對(duì)照,只涂抹滅菌水。接種后,將小麥立即置于16 ℃恒溫培養(yǎng)箱中黑暗保濕,24 h后正常培養(yǎng)。分別采集接種0,12,24,48,72,96和120 h的小麥葉片,在液氮中速凍,存儲(chǔ)于-80 ℃冰箱,用于小麥條銹菌誘導(dǎo)下TaRRP4基因的表達(dá)特征分析。
1.5.3 非生物脅迫處理 將200株生長(zhǎng)至一葉一心的小麥等分為5組,第1組和第2組分別使用200 mmol/L NaCl溶液和0.2 g/mL PEG6000溶液澆灌小麥,進(jìn)行高鹽和干旱脅迫處理(溶劑為霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液);第3組將小麥置于4 ℃培養(yǎng),作為低溫處理;第4組使用消毒的刀片水平輕柔劃割小麥葉片,進(jìn)行機(jī)械損傷處理;第5組為對(duì)照組,使用霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液處理[18]。分別采集處理后0,2,6,12,24和48 h的小麥葉片,在液氮中速凍,存儲(chǔ)于-80 ℃冰箱,用于非生物脅迫下TaRRP4基因的表達(dá)特征分析。
1.5.4 外源植物激素處理 將200株生長(zhǎng)至一葉一心的小麥等分為5組,前4組分別使用100 mmol/L脫落酸(abscisic acid,ABA)、100 mmol/L茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)、100 mmol/L乙烯利(ethrel,ETH)和2 mmol/L水楊酸(salicylic acid,SA)等體積均勻噴施于小麥及保濕桶四壁,16 ℃黑暗培養(yǎng),溶劑均為體積分?jǐn)?shù)0.1%乙醇;第5組作為對(duì)照組,使用體積分?jǐn)?shù)0.1%的乙醇和吐溫20混合液進(jìn)行相同處理[18]。分別采集處理后0,2,6,12和24 h的小麥葉片在液氮中速凍,存儲(chǔ)于-80 ℃冰箱,用于外源植物激素處理下TaRRP4基因的表達(dá)特征分析。
1.5.5 小麥組織采集 分別采集一葉一心小麥的第1葉、莖稈及根須在液氮中速凍,存儲(chǔ)于-80 ℃冰箱,用于TaRRP4基因組織特異性表達(dá)特征分析,將小麥第1葉中TaRRP4基因的表達(dá)量作為對(duì)照。
1.5.6TaRRP4基因相對(duì)表達(dá)量測(cè)定 根據(jù)TaRRP4序列特點(diǎn)設(shè)計(jì)保守的定量引物TaRRP4-qF/TaRRP4-qR,選擇TaEF-1α(GenBank:Q030-33)作為內(nèi)參基因(表1)。使用qRT-PCR檢測(cè)試劑盒(諾唯贊,南京),以1.2節(jié)反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA為模板,用Bio-Rad CFX96定量?jī)x(伯樂(lè),美國(guó))進(jìn)行qRT-PCR。反應(yīng)體系及程序參照qRT-PCR檢測(cè)試劑盒說(shuō)明書(shū)。試驗(yàn)進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù),用2-△△Ct法[18]對(duì)不同處理下小麥葉片和小麥不同組織的TaRRP4基因相對(duì)表達(dá)量進(jìn)行分析。其中,TaRRP4基因的相對(duì)表達(dá)量是指不同處理下,各個(gè)時(shí)間點(diǎn)試驗(yàn)組與對(duì)照組中TaRRP4表達(dá)量的比值或者不同組織中TaRRP4表達(dá)量與對(duì)照(葉片)中TaRRP4表達(dá)量的比值。
表1 用于TaRRP4基因qRT-PCR的引物信息Table 1 Primer information for TaRRP4 gene qRT-PCR
2.2.1TaRRP4基因的克隆及理化性質(zhì) 利用引物TaRRP4-ORF-F/TaRRP4-ORF-R擴(kuò)增得到小麥TaRRP4基因序列,其全長(zhǎng)951 bp(圖1),編碼316個(gè)氨基酸。使用ProtParam對(duì)TaRRP4的理化性質(zhì)進(jìn)行分析表明,TaRRP4蛋白的分子質(zhì)量為35.6 ku,等電點(diǎn)為6.6。
M.DL5000 DNA Marker;A.TaRRP4 PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物M.DL5000 DNA Marker;A.Amplification product of TaRRP4 gene圖1 TaRRP4基因的擴(kuò)增Fig.1 TaRRP4 amplification
2.2.2 TaRRP4蛋白結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè) 使用NCBI對(duì)TaRRP4保守結(jié)構(gòu)域進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果(圖2)顯示,TaRRP4屬于外切體亞基RRP4家族,包含S1(第91-162位氨基酸)和KH(第180-305位氨基酸)2個(gè)RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域及1個(gè)保守的RNA識(shí)別位點(diǎn)GXXG(第210-213位氨基酸),S1和KH結(jié)構(gòu)域由保守的KYGKL連接。此外,使用Phobius對(duì)TaRRP4蛋白進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)和信號(hào)肽分析,結(jié)果表明,該蛋白無(wú)信號(hào)肽,在第250-275氨基酸處可能有1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu),但概率極低。
圖2 TaRRP4保守結(jié)構(gòu)域分析Fig.2 Conserved domain analysis of TaRRP4
2.2.3 TaRRP4及其同源蛋白序列分析 在NCBI blastp搜索TaRRP4的同源蛋白序列并使用MEGA 7進(jìn)行聚類(lèi)分析,結(jié)果(圖3)顯示,小麥TaRRP4與節(jié)節(jié)麥(Aegilopstauschii)AtRRP4、大麥(Hordeumvulgare)HvRRP4、二穗短柄草(Brachypodiumdistachyon)BdRRP4同屬一個(gè)大分支,其中與AtRRP4的親緣關(guān)系最近,與HvRRP4、BdRRP4的親緣關(guān)系次之。用DNAMAN6.0.40進(jìn)行多序列分析發(fā)現(xiàn),TaRRP4與其同源蛋白序列高度相似,均含有保守的S1和KH結(jié)構(gòu)域。其中TaRRP4與擬南芥(Arabidopsisthaliana)AtRRP4p的氨基酸序列相似性為62.96%。
括號(hào)中為各物種基因登錄號(hào)Genetic entry number of each species is shown inside brackets圖3 TaRRP4同源蛋白的聚類(lèi)分析Fig.3 Clustering analysis of TaRRP4 homologous proteins
2.3.1 小麥條銹菌誘導(dǎo)下TaRRP4的表達(dá)特征 利用qRT-PCR分析小麥條銹菌誘導(dǎo)下TaRRP4的表達(dá)特征,結(jié)果(圖4)顯示,與接種0 h相比,TaRRP4在接種CYR31后24,48和72 h表達(dá)極顯著上調(diào);之后隨著接種時(shí)間的延長(zhǎng),其表達(dá)量逐漸降低。與接種0 h相比,TaRRP4在接種CYR23后48 h表達(dá)顯著上調(diào),但上調(diào)倍數(shù)較?。唤臃N后其他時(shí)間點(diǎn)均無(wú)顯著上調(diào)趨勢(shì)。
*和**分別表示與處理0 h相比,TaRRP4在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的相對(duì)表達(dá)量差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。下同* and ** show significant (P<0.05) and extremely significant (P<0.01) differences in TaRRP4 expression among time points compared with 0 h treatment,respectively.The same below圖4 水源11接種小麥條銹菌后TaRRP4的表達(dá)特征Fig.4 Expression patterns of TaRRP4 in wheat Suwon 11 inoculated with Puccinia striiformis f. sp. tritici
2.3.2 非生物脅迫處理下TaRRP4的表達(dá)特征 對(duì)小麥進(jìn)行高鹽、干旱、低溫和機(jī)械損傷處理,分析TaRRP4響應(yīng)非生物脅迫時(shí)的表達(dá)特征。由圖5可知,高鹽脅迫下,TaRRP4的表達(dá)量在處理12 h極顯著上調(diào),約為0 h表達(dá)量的7倍;在處理48 h顯著上調(diào),約為0 h表達(dá)量的3倍。TaRRP4的表達(dá)量在干旱脅迫6 h上調(diào)表達(dá)最為顯著,為干旱處理0 h表達(dá)量的29倍。與低溫處理0 h相比,TaRRP4表達(dá)量在處理2 h開(kāi)始極顯著或顯著上調(diào),且維持時(shí)間較長(zhǎng),直至48 h表達(dá)量才降低。在機(jī)械損傷處理后,各時(shí)段TaRRP4的表達(dá)量無(wú)明顯變化。
圖5 非生物脅迫處理下TaRRP4的表達(dá)特征分析Fig.5 Expression analysis of TaRRP4 induced by abiotic stresses treatments
2.3.3 外源植物激素處理下TaRRP4的表達(dá)特征 使用ABA、MeJA、ETH和SA 4種外源植物激素處理小麥,分析TaRRP4響應(yīng)激素信號(hào)的表達(dá)特征。由圖6可知,與ABA處理0 h相比,ABA處理小麥2和6 h,TaRRP4表達(dá)量下調(diào),但差異不顯著;處理小麥12和24 h,TaRRP4的表達(dá)量極顯著下調(diào)。MeJA處理各時(shí)段對(duì)小麥中TaRRP4表達(dá)量的影響均不明顯。與ETH處理0 h相比,ETH處理小麥2 h后,TaRRP4的表達(dá)量呈極顯著上調(diào)趨勢(shì),且在12 h達(dá)到最高,是對(duì)照表達(dá)量的10倍,處理24 h上調(diào)不顯著。與SA處理0 h相比,SA處理小麥2~12 h,TaRRP4表達(dá)量呈極顯著上調(diào)趨勢(shì),但上調(diào)倍數(shù)較低;處理24 h上調(diào)不顯著。
圖6 外源植物激素處理下TaRRP4的表達(dá)特征Fig.6 Expression analysis of TaRRP4 induced by exogenous plant hormone treatments
2.3.4TaRRP4的組織特異性表達(dá) 對(duì)TaRRP4在小麥不同組織中的表達(dá)量進(jìn)行定量分析,結(jié)果(圖7)表明,TaRRP4在小麥根、莖、葉中均有所表達(dá),且在葉片中的表達(dá)量顯著高于根和莖中。
外切體是一類(lèi)參與生物體內(nèi)RNA加工或降解的3′→5′核糖核酸外切酶,在古細(xì)菌、酵母、動(dòng)物、植物中均有發(fā)現(xiàn)[4,6,19-20]。而RRP4作為真核生物外切體亞基之一,可以協(xié)同其他2個(gè)RNA結(jié)合蛋白R(shí)RP40和CSL4穩(wěn)定外切體結(jié)構(gòu),同時(shí)結(jié)合并幫助目的RNA進(jìn)入外切體酶活性中心[6,21]。植物RRP4最早發(fā)現(xiàn)于含有AtRRP41p的復(fù)合體中,它與酵母RRP4p同源,包含S1和KH結(jié)構(gòu)域,對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育十分重要[22]。在AtRRP4p缺失突變體中,擬南芥表現(xiàn)出不同發(fā)育階段生長(zhǎng)停滯現(xiàn)象,突變體產(chǎn)生的大多數(shù)種子含有雙細(xì)胞胚和非細(xì)胞胚乳,在胚胎早期就已經(jīng)停止發(fā)育,嚴(yán)重?fù)p害了合子的發(fā)育過(guò)程[23]。
**表示與葉片相比,不同組織中TaRRP4相對(duì)表達(dá)量 差異極顯著(P<0.01)** indicates extremely significant differences (P<0.01) in relative expression of TaRRP4 between leaves and other tissues圖7 TaRRP4的組織特異性表達(dá)分析Fig.7 Expression levels of TaRRP4 in leaves,roots and stems of wheat Suwon 11
本研究在小麥與小麥條銹菌互作體系中克隆到一個(gè)外切體亞基RRP4家族的基因TaRRP4,其編碼的蛋白包含S1和KH 2個(gè)RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域,與擬南芥AtRRP4p蛋白的氨基酸相似度達(dá)62.96%,推測(cè)TaRRP4對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育也十分重要。采用qRT-PCR對(duì)TaRRP4在小麥根、莖、葉中的表達(dá)量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)TaRRP4在小麥組織中均有表達(dá),但在葉片中表達(dá)量最高,暗示其主要在葉片中發(fā)揮作用。
RRP4具有RNA結(jié)合與外酶切活性[21-22],極有可能是響應(yīng)植物免疫的重要組成成分。本研究在轉(zhuǎn)錄水平上,通過(guò)分析TaRRP4在小麥與小麥條銹菌互作中的表達(dá)譜,初步證實(shí)TaRRP4可能參與小麥對(duì)小麥條銹菌的防御反應(yīng)。外源激素SA、ETH和ABA處理下,TaRRP4應(yīng)答強(qiáng)烈,且早于對(duì)小麥條銹菌的應(yīng)答,說(shuō)明其可能通過(guò)SA、ETH和ABA信號(hào)途徑的“交流”,介導(dǎo)小麥對(duì)小麥條銹菌的防御反應(yīng)。其中,ETH誘導(dǎo)TaRRP4顯著上調(diào)表達(dá),推測(cè)TaRRP4是通過(guò)響應(yīng)ETH信號(hào)途徑,在小麥感條銹病過(guò)程中發(fā)揮正調(diào)節(jié)作用,這與ETH是番茄對(duì)鐮刀菌感病性的正調(diào)節(jié)因子[24]相一致。
小麥條銹菌對(duì)TaRRP4的誘導(dǎo)主要發(fā)生在接種后24和48 h,前期研究表明,接種小麥條銹菌24 h,吸器大量形成,抗病基因表達(dá),過(guò)敏性壞死明顯;接種小麥條銹菌48 h,條銹菌生長(zhǎng)發(fā)育在親和與非親體系間的差異開(kāi)始明顯[25]。因此,從小麥接種小麥條銹菌后TaRRP4的表達(dá)模式可以看出,TaRRP4在小麥對(duì)小麥條銹菌的防御反應(yīng)中發(fā)揮作用。真核RNA外切體亞基RRP4主要結(jié)合RNA,通過(guò)RRP4外切體-底物互作機(jī)制使有效的RNA降解[21]。在小麥與小麥條銹菌互作過(guò)程中,TaRRP4蛋白結(jié)合哪個(gè)RNA序列,如何進(jìn)行基因表達(dá)調(diào)控,尚有待深入研究。到目前為止,關(guān)于其他物種TaRRP4受高鹽、干旱、低溫和機(jī)械損傷的誘導(dǎo)情況鮮有報(bào)道,但是依據(jù)本研究可以推斷,TaRRP4在植物抗逆過(guò)程中發(fā)揮重要作用,且作用范圍廣泛。
本研究克隆了小麥條銹菌誘導(dǎo)的小麥外切體亞基TaRRP4基因,該基因長(zhǎng)951 bp,編碼316個(gè)氨基酸。在小麥與小麥條銹菌互作中,TaRRP4基因在親和體系中的表達(dá)量顯著高于非親和體系;外源激素SA、ETH和ABA參與并協(xié)同調(diào)控TaRRP4的表達(dá);干旱、高鹽和低溫脅迫均誘導(dǎo)TaRRP4上調(diào)表達(dá),推測(cè)其可能參與小麥的抗逆應(yīng)答。