陳 林 姚曉華* 蘇樂平,4 姚有華 魏 嬋 吳昆侖
(1.青海大學(xué) 農(nóng)林科學(xué)院,西寧 810016; 2.國家麥類改良中心青海青稞分中心,西寧 810016; 3.青海省青稞遺傳育種重點(diǎn)實驗室,西寧 810016; 4. 延安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,陜西 延安 716000)
青稞(Hordeum
vulgare
L. var.nudum
Hook. f.)屬于禾本科大麥屬,也稱為裸大麥或米大麥(一些地區(qū)稱為元麥)。青稞因具有抗逆性強(qiáng)和適應(yīng)性廣的特點(diǎn),因此能適應(yīng)高寒地區(qū)的環(huán)境。它還是青藏高原重要的糧食、經(jīng)濟(jì)和飼料作物,距今已有約3 500年的種植歷史。青稞的生產(chǎn)直接影響著藏區(qū)的糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。大麥籽粒顏色分為黑、紫和藍(lán)色等,大麥顏色的差異主要是由花青素的積累引起的?;ㄇ嗨卦谥参镏袕V泛存在,是一類水溶性色素,屬于黃酮類次生代謝產(chǎn)物。有研究表明,花青素在籽粒的糊粉層積累,形成藍(lán)粒大麥;在籽粒的穎和穎片中積累會形成黑、紅和紫粒大麥。大麥籽粒中含有纖維、酚酸、黃酮類和植物甾醇等30多種功能成分,能輔助糖尿病、癌癥、降低膽固醇治療和預(yù)防心血管疾病的等功效,可防治20多種慢性病,大麥籽粒中的15種功能成分可預(yù)防11種慢性病。β-葡聚糖是具有降膽固醇、降血脂、抗腫瘤和預(yù)防心血管疾病的多糖,西藏青稞品種‘藏青25’中β-葡聚糖的含量高達(dá)8.62%。青稞中的維生素E具有抗氧化和抗癌等生理功能,黑青稞中B族維生素豐富,有助于維持人體的正常代謝活動。因此,大麥作為功能性食品而受到學(xué)者們地廣泛關(guān)注。
已有研究表明,ANT1
基因是屬于花青素合成通路中R2R3-MYB家族的轉(zhuǎn)錄因子,是MBW調(diào)控復(fù)合體中的一部分。ANT1
在植物生長發(fā)育和花器官發(fā)生中發(fā)揮著重要作用,Liu等研究認(rèn)為玉米ANT1
能通過靶基因調(diào)控細(xì)胞增殖和葉片生長、維管和葉脈發(fā)育、葉綠體發(fā)育和光合作用。Shoeva等研究認(rèn)為大麥ANT1
的啟動子區(qū)域含有與光、生物、非生物逆境脅迫因子、植物激素相關(guān)的順式調(diào)控元件和控制植物生長、發(fā)育及組織分化的一系列信號識別的元件。目前,關(guān)于大麥(青稞)粒色方面的研究主要集中在含量測定和基因定位等方面,尚未見花青素合成調(diào)控機(jī)制的研究報道。目前,青稞紫?;蚨ㄎ坏?H候選區(qū)段內(nèi)獲得1個MYB類轉(zhuǎn)錄因子ANT1
,但并未進(jìn)行該基因的克隆及表達(dá)研究。本研究以紫粒青稞品種‘涅如姆扎’和白粒青稞品種‘昆侖10號’為試驗材料,從中克隆了該基因,并對其序列進(jìn)行相關(guān)的生物信息學(xué)分析、亞細(xì)胞定位分析及HvnANT1
基因與花青素合成相關(guān)結(jié)構(gòu)基因HvnCHI
、HvnANS
、HvnDFR
在不同生育階段的表達(dá)模式分析,旨在探究HvnANT1
基因在青稞粒色形成過程中的基因表達(dá)模式,以期為揭示青稞紫粒形成的機(jī)制奠定基礎(chǔ)。供試青稞品種為‘涅如姆扎’和‘昆侖10號’由青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院作物栽培與育種研究所青稞研究室提供。2020年4月栽植于青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院試驗田,根據(jù)Zadoks等對谷物生長階段的分類,在籽粒著色不同時期:乳熟早期(播種后11周)、乳熟晚期(播種后13周)和軟面團(tuán)期(播種后15周)取籽粒種皮,每樣品3次生物學(xué)重復(fù)。在液氮中進(jìn)行速凍后于-80 ℃保存。
HvnANT1
(Gene ID: MLOC_6171)。利用Primer 5.0設(shè)計該基因引物(表1)。取‘涅如姆扎’和‘昆侖10號’的籽粒種皮,按照植物提取RNA試劑盒(TaKaRa MiniBEST Plant RNA Extraction Kit)提取青稞籽粒種皮的總RNA,用超微量核酸蛋白測量儀(Nano Photometer)測定RNA的濃度和純度,用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測其質(zhì)量。參照cDNA合成試劑盒(PrimeScript 1 st Strand cDNA Synthesis Kit)反轉(zhuǎn)錄成cDNA,-80 ℃保存。以青稞種皮的cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增體系及瓊脂糖凝膠電泳檢測結(jié)果參考姚曉華等的方法。目的條帶用柱式DNA膠回收試劑盒(DNA Gel Extraction Kit)回收,用超微量核酸蛋白測量儀(NanoPhotometer)測定回收產(chǎn)物的濃度和純度,與全式金生物公司的亞克隆載體連接,轉(zhuǎn)化至大腸桿菌,送至上海生物工程股份有限公司測序。
HvnANT1蛋白的蛋白質(zhì)理化性質(zhì)用Expasy Protparma(http:∥www.expasy.org/tools/protparam.html)和Protscale(https:∥web.expasy.org/protscale/)進(jìn)行預(yù)測。HvnANT1蛋白的信號肽和跨膜結(jié)構(gòu)分別用SignalP4.1(http:∥www.Detaibio.com/tools/signal-peptide.html)和TMHMM-2.0(http:∥www.cbs.dtu. dk/services/TMHMM-2.0/)進(jìn)行預(yù)測。用SMART(http:∥smart.embl-heidelberg.de/)預(yù)測結(jié)構(gòu)域。HvnANT1蛋白的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)運(yùn)用SPOMA(https:∥npsaprabi.ibcp.fr/cgibin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma.html)和SWISS-MODEL(https:∥swissmodel.expasy.org/)分別預(yù)測。在NCBI的Blastp功能中,查詢與HvnANT1蛋白同源植株的ANT1蛋白序列,DNAMAN 6.0軟件進(jìn)行多序列比對,用Mega 7.0軟件的Maximum Likelihood法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。
Xba
Ⅰ和Kpn
Ⅰ酶切位點(diǎn)的正向引物與反向引物,采用高保真酶KOD-FX擴(kuò)增HvnANT1
基因,構(gòu)建C端與GFP融合的表達(dá)載體。PCR擴(kuò)增體系與HvnANT1
基因克隆時體系相同。PCR產(chǎn)物和PBI221-GFP載體質(zhì)粒經(jīng)Kpn
I 和Xba
I雙酶切后,T連接酶連接混合后的產(chǎn)物并將其轉(zhuǎn)入大腸桿菌DH5α
感受態(tài)中,篩選陽性克隆及測序驗證。將青稞種子在30 ℃黑暗萌發(fā)15 d取葉片切成碎段(<0.5 mm),總量5~10 g,用于原生質(zhì)體制備,具體操作步驟參考李彥華等方法。HvnANT1
基因序列和大麥參考基因組(ftp: ∥ ftp.gramene.org/pub/gramene/release-63/fasta/hordeum_vulgare/dna/)的HvnCHI
、HvnANS
、HvnDFR
基因序列(https: ∥ www.gramene.org/),用Primer 5.0軟件設(shè)計HvnANT1
、HvnCHI
、HvnANS
和HvnDFR
的qRT-PCR引物(表1)。以‘涅如姆扎’和‘昆侖10號’的乳熟早期、乳熟晚期和軟面團(tuán)期的籽粒種皮cDNA為模板,18SrRNA
作為內(nèi)參基因(表1),采用TB Greenpremix ExTaq Ⅱ (TaKaRa公司)熒光染料利用Light Cycler 480 System進(jìn)行qRT-PCR。反應(yīng)體系參考蘇樂平的方法。用2法計算各基因的相對表達(dá)量,應(yīng)用SPSS 25.0軟件進(jìn)行顯著性檢測。表1 本試驗用到的引物序列
Table 1 Primers used in this study
引物名稱Primer name引物序列(5'→3')Primer sequence (5'→3')用途PurposeHvnANT1-1F: ATGGGGAGGAGGGCR: CGCAACGTACGGG基因克隆GenecloneHvnANT1-2F: AACAGCACGCTCGGCAGGAAR: AAGAAGAGGCCGCCAGTGCAqRT-PCR引物qRT-PCR primerHvnCHI F: GAACCACGATAAAACGCCCGR: AACGGAATGCCCTCCACTTCqRT-PCR引物qRT-PCR primerHvnANSF: GTATCTGCGAGCCAGACGATR: GTGCGCTATCCAGAAGACGGqRT-PCR引物qRT-PCR primerHvnDFRF: CCGTTCATCGAGCCATTGTCR: AGACGTAGTCGCCGTAAACCqRT-PCR引物qRT-PCR primerHvnANT1-GFPF: CGGCTACCACATCCAAGGAAR: CGGGTACCCACCGGCCATGTGCAGGGAC亞細(xì)胞定位載體Subcellular localization vector18SrRNAF: CGGCTACCACATCCAAGGAAR: GCTGGAATTACCGCGGCT內(nèi)參引物Control primer
HvnANT1-1
(Geneclone)為引物,擴(kuò)增得到1條1 033 bp的目的條帶(圖1(a))。經(jīng)測序后用DNAMAN 6.0分析表明,該基因完整開放閱讀框(ORF)為762 bp,編碼253個氨基酸。(a)HvnANT1基因擴(kuò)增產(chǎn)物;(b)HvnANT蛋白結(jié)構(gòu)域預(yù)測;(c)HvnANT蛋白二級結(jié)構(gòu)預(yù)測圖;(d)HvnANT蛋白三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測M,ML2000;1,青稞品種涅如姆扎PCR產(chǎn)物;2,青稞品種昆侖10號PCR產(chǎn)物;藍(lán)色表示α-螺旋;紅色表示延伸鏈;綠色表示β-轉(zhuǎn)角;橙色表示無規(guī)則卷曲。(a) PCR amplified product of HvnANT1; (b) Domain prediction of HvnANT1 protein; (c) Secondary structure prediction of HvnANT1; (d) Teritary structure prediction of HvnANT1M, DL2 000; 1, PCR product of Nierumuzha; 2, PCR product of Kunlun10; Blue color, α-helix; Red color, extended chain; Green color, β- turn; Orange color, randon coil.圖1 HvnANT1基因的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物及序列預(yù)測Fig.1 PCR amplification products and sequence prediction of HvnANT1 gene
測序后比對,‘涅如姆扎’和‘昆侖10號’的ORF區(qū)堿基序列和氨基酸序列一致性為100%,啟動子序列比對結(jié)果為82.77%。利用SMART對其氨基酸序列進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測,發(fā)現(xiàn)該基因具有2個典型的SANT結(jié)構(gòu)域,分別位于第13—第63個和第66—第114個氨基酸(圖1(b))。
HvnANT1蛋白分子式為CHNOS,分子量為27.14 kU,不穩(wěn)定指數(shù)為71.53,脂溶系數(shù)是69.21,pI 9.32,其中負(fù)電荷殘基(Asp+Glu)為27個,正電荷殘基(Asp+Glu)為35個。平均疏水性為-0.464。預(yù)測結(jié)果表明,HvnANT1蛋白是一個親水性的不穩(wěn)定堿性蛋白。HvnANT1蛋白跨膜結(jié)構(gòu)與信號肽預(yù)測結(jié)果表明,該蛋白不存在跨膜結(jié)構(gòu),且無信號肽。
通過對HvnANT1蛋白的二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果表明,HvnANT1蛋白的二級結(jié)構(gòu)是由無規(guī)卷曲、α-螺旋、延伸鏈、β-轉(zhuǎn)角組成,其中無規(guī)卷曲占47.04%,α-螺旋39.13%,延伸鏈5.93%,β-轉(zhuǎn)角7.91%,可見該蛋白是以無規(guī)則卷曲和α-螺旋為主,這兩個結(jié)構(gòu)在蛋白行使功能時可能發(fā)揮重要作用(圖1(c))。HvnANT1蛋白的三維結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果表明,HvnANT1蛋白的功能結(jié)構(gòu)域為‘V’形(圖1(d))。Uniprot基因注釋結(jié)果表明該蛋白為HvnANT1。
Hordeum
vulgare
)、烏拉爾圖小麥(Triticum
turgidum
)、高粱(Sorghum
bicolor
)、玉米(Zea
mays
L
)、二型花(Dichanthelium
oligosanthes
)、小米(Setaria
italica
)、水稻(Oryza
rufipogon
)、土瓶草(Cephalotus
follicularis
)、車軸草(Trifolium
affine
)和楊梅(Morella
rubra
)10種植物的ANT1蛋白序列相似性分別為100.00%、88.85%、54.64%、60.95%、60.82%、58.46%、57.61%、37.76%、36.05% 和36.33%,這些序列都具有2個高度保守的SANT結(jié)構(gòu)域。由圖3可知,在7種禾本科植物中,青稞HvnANT1蛋白與大麥的親緣關(guān)系最近,與水稻的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。Hvn,青稞;Hv,大麥;Tu,烏拉爾小麥;Zm,玉米;Do,二型花;Si,小米;Or,水稻;Sb,高粱;Ta,車軸草;Mr,楊梅;Cf,土瓶草。紅色箭頭之間代表HvnANT1蛋白的SANT保守功能域。Hvn, Hordeum vulgare; Hv, Hordeum vulgare; Tu, Triticum urart; Zm, Zea mays; Do, Dichanthelium oligosanthes; Si, Setaria italica; Or, Oryza rufipogon; Sb, Sorghum bicolor; Ta, Trifolium affine; Mr, Morella rubra; Cf, Cephalotus follicularis. The red arrows represent the SANT conserved functional domain of HvnANT1 protein.圖2 HvnANT1與其他植物ANT1蛋白氨基酸序列的多重比對Fig.2 Multiple alignment of amino acids sequences of HvnANT1 and ANT1 proteins from other plants
圖3 HvnANT1蛋白與其他植物系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.3 Phylogenetic tree analysis of the HvnANT1 protein and other plants
由圖4可知,HvnANT1-GFP融合蛋白在細(xì)胞核中有較強(qiáng)的綠色熒光信號,說明青稞HvnANT1蛋白定位于細(xì)胞核中。
激光共聚焦顯微鏡的激發(fā)波長的設(shè)置為:GFP 448 nm(綠色);葉綠體400 nm(紅色)。The excitation wavelength of the confocal laser microscope: Chloroplaste ia set as GFP 448 nm (green), chloroplasts 400 nm (red).圖4 HvnANT1亞細(xì)胞定位Fig.4 Subcellular location of HvnANT1
HvnANT1
基因的表達(dá)量逐漸升高,乳熟晚期表達(dá)量為乳熟早期的5.76倍,軟面團(tuán)期表達(dá)量為乳熟晚期的6.96倍;而‘昆侖10號’3個時期HvnANT1
表達(dá)量差異均不顯著;且軟面團(tuán)期‘涅如姆扎’籽粒HvnANT1
基因的表達(dá)量極顯著高于‘昆侖10號’(P
<0.01)。不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。Different capital letters are extremely significantly different at P<0.01.圖5 HvnANT1(a)、HvnCHI(b)、HvnANS(c)和HvnDFR(d)在不同青稞品種乳熟早期、乳熟晚期和軟面團(tuán)期的表達(dá)量Fig.5 Expression of HvnANT1 (a), HvnCHI (b), HvnANS (c) and HvnDFR (d) in the early milk, late milk and soft dough of different hulless barley varieties
HvnCHI
和HvnANS
與HvnANT1
表達(dá)量趨勢一致(圖5(b)和(c));HvnDFR
基因在‘涅如姆扎’的乳熟早期、乳熟晚期的表達(dá)量均低于‘昆侖10號’但差異不顯著;但在軟面團(tuán)期,高于‘昆侖10號’且具有極顯著差異(P
<0.01),與乳熟早期和乳熟晚期相反。HvnANT1
基因即屬于MYB家族,因此,探究該基因?qū)η囡ㄇ嗨氐暮铣捎兄匾囊饬x。擬南芥ANT
基因家族相關(guān)研究較多,與生長發(fā)育有著密不可分的關(guān)系,ANT
是AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子家族的成員,含有2個高度保守的AP2結(jié)構(gòu)域,在調(diào)節(jié)胚珠、胚珠發(fā)育和花器官生長中起著關(guān)鍵作用。在擬南芥中,ANT蛋白屬于AP2相關(guān)基因家族,對胚珠發(fā)育至關(guān)重要。大麥ANT1
是玉米C1
基因的同源物,C1
基因是編碼R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子家族的一個成員,在大麥中ANT1
基因(或稱為Rs
)被定位在7H染色體短臂的著絲粒區(qū)域內(nèi)。本研究中,青稞HvnANT1和大麥ANT1蛋白相似性為100%(圖2)。系統(tǒng)進(jìn)化樹也表明,兩者遺傳距離最近。Zakhrabekova等研究表明,大麥ANT1
是一個MYB家族的轉(zhuǎn)錄因子,與高粱Sb10g006700相似,可能具有編碼花青素C1/MYB轉(zhuǎn)錄因子的功能。因此推測青稞HvnANT1
也具有類似的功能。HvnANT1蛋白結(jié)構(gòu)域預(yù)測結(jié)果顯示該蛋白含有2個高度保守的SANT結(jié)構(gòu)域。Aasland等研究表明,SANT結(jié)構(gòu)域與MYB相關(guān)蛋白的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域相似性很高。通過亞細(xì)胞定位分析,HvnANT1
基因定位在細(xì)胞核中,這與暴志茹在二球懸鈴木(Platanus
acerifolia
)中的研究結(jié)果一致,符合轉(zhuǎn)錄因子的特性。因此推測在花青素合成過程中,轉(zhuǎn)錄因子HvnANT1在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮重要作用。已有研究表明,ANT1
基因在花青素合成的途徑中起關(guān)鍵作用,Jende等與Franckowiak等研究認(rèn)為ANT1
突變后在大麥的莖、葉耳、芒、外稃或基生葉鞘中花青素均不再累積,ANT1
基因可決定大麥葉鞘的花青素色素沉著;ANT
1是玉米C1
基因的同源物,是花青素合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,Zakhrabekova等研究表明,對無花色素苷1(ert-m ant1)雙突變體表型觀察可知,ANT
1基因產(chǎn)物參與花青素的生物合成;等研究表明,番茄中過量表達(dá)ANT1
基因,會使花青素大量積累導(dǎo)致植株變?yōu)樽仙?。本研究認(rèn)為紫粒青稞品種‘涅如姆扎’隨種皮顏色的加深,HvnANT1
基因表達(dá)量顯著升高;且在青稞籽粒顏色形成的過程中,尤其是軟面團(tuán)期紫粒種皮的HvnANT
1表達(dá)量極顯著高于白粒品種種皮中的表達(dá)量;與花青素合成相關(guān)的3個結(jié)構(gòu)基因HvnANS
、HvnDFR
和HvnCHS
的表達(dá)量也具有類似的結(jié)果(圖5)。已有研究表明,CHI
、F3
′H
、DFR
和ANS
這4個基因的轉(zhuǎn)錄依賴于ANT1
的等位基因狀態(tài)。本研究發(fā)現(xiàn)HvnCHI
和HvnANS
表達(dá)量與HvnANT1
趨勢一致。推測,HvnANT1
基因在紫粒青稞‘涅如姆扎’粒色形成過程中對花青素合成關(guān)鍵基因HvnANS
、HvnDFR
和HvnCHI
存在調(diào)控的作用。Nakatsuka等研究結(jié)果表明,DFR
基因的表達(dá)量在被片、花藥、花絲、雌蕊和紅色的鱗片中隨著花的生長發(fā)育而增加,因此認(rèn)為該基因僅在花色素苷著色的器官中表達(dá),并且此種基因的表達(dá)量與花色素苷的含量呈正相關(guān)。本研究中,乳熟早期和乳熟晚期HvnDFR
基因在‘昆侖10號’和‘涅如姆扎’中均有顯著表達(dá),但差異不顯著,這可能是由于DFR
基因不僅是催化生成不穩(wěn)定花色素苷的限速酶,而且還是單寧和蘆丁等次生代謝途徑中的關(guān)鍵酶。由此推測DFR
基因參與了單寧和蘆丁等次生代謝物的合成,但具體調(diào)控過程尚需進(jìn)一步驗證。HvnANT1
基因,分別在‘昆侖10號’和‘涅如姆扎’中克隆到該基因。生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn),青稞HvnANT1
完整開放閱讀框為762 bp,編碼253個氨基酸,屬于MYB家族,定位于細(xì)胞核。熒光定量PCR檢測結(jié)果顯示,在乳熟晚期青稞HvnANT1
、HvnANS
、HvnDFR
和HvnCHI
基因在‘涅如姆扎’中的表達(dá)量均顯著高于‘昆侖10號’。