王世澤 劉 杰 楊志曉 曹領(lǐng)改 劉 勇, 宗 儀林小虎 余世洲,
(1河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院,河北 秦皇島 066004; 2貴州省煙草科學(xué)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550081;3河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院,河南 鄭州 450002; 4江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210000)
干旱是抑制作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量的主要非生物脅迫之一[1]。作物遭受干旱脅迫后生長(zhǎng)受到抑制,可導(dǎo)致作物減產(chǎn)乃至絕收[2]。前人通過(guò)對(duì)擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativaL.)NAC 基因家族進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn),按照蛋白結(jié)構(gòu)相似度和進(jìn)化關(guān)系,可以將NAC 基因劃分為兩大類,共18 個(gè)亞組[3]。其中AtNAC3 和ATAF 亞組基因多被報(bào)道與干旱、鹽害、冷害等逆境脅迫應(yīng)答相關(guān)[4]。除了這兩個(gè)亞組基因,NAP、NAM 和OsNAC3亞組也有少數(shù)基因具有響應(yīng)逆境脅迫的功能[5]。
Tran 等[6]利用基因表達(dá)譜芯片發(fā)現(xiàn),擬南芥AtNAC3 亞組成員基因ANAC019、ANAC055和ANAC072/RD26遭受干旱或鹽脅迫后,基因表達(dá)顯著上調(diào),且構(gòu)建的過(guò)表達(dá)植株在干旱脅迫下表現(xiàn)出抗旱性,證實(shí)了上述3 個(gè)基因能夠響應(yīng)干旱或鹽脅迫。隨后NAC 基因家族AtNAC3亞組成員基因或同源基因在多個(gè)物種中被證實(shí)具有抵御干旱脅迫的功能。如在玉米(Zea maysL.)中過(guò)表達(dá)ZmNAC49基因,能夠影響氣孔發(fā)育,降低氣孔密度,從而提高玉米的耐旱性[7]。通過(guò)在擬南芥中異源表達(dá)玉米ZmSNAC13基因能夠顯著提高擬南芥植株的耐旱性[8]。在小麥(Triticum aestivumL.)中,通過(guò)正向遺傳學(xué)和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析,發(fā)掘出小麥干旱響應(yīng)基因TaSNAC8-6A,且證實(shí)了其具有抗旱功能[9]。在茄科物種NAC 基因家族相關(guān)研究中,證實(shí)了過(guò)表達(dá)馬鈴薯(Solanum tuberosum)StNAC053和番茄(Solanum lycopersicum)SlNAC6基因,可使植株對(duì)干旱脅迫處理的耐受性顯著提高,同時(shí)維持較低的水分損失率和氧化損傷程度,以及較高的脯氨酸含量和抗氧化酶活性[10]。另外在木薯(Manihot esculentaCrantz)和芹菜(Apium graveliensL.)研究中,分別發(fā)現(xiàn)擬南芥ANAC072/RD26同源基因MeRd26[11]和AgNAC63[12]受干旱脅迫誘導(dǎo)后表達(dá)量顯著上升,具有抗旱作用。
本研究前期通過(guò)生物信息學(xué)手段篩選到與擬南芥ANAC072/RD26基因的同源煙草(Nicotiana tabacumL.)基因NtabNAC087[13],且通過(guò)基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下表達(dá)量上調(diào)。為了進(jìn)一步鑒定NtabNAC087基因是否參與干旱脅迫應(yīng)答,本研究以具有參考基因組序列的主要栽培煙草品種K326為試驗(yàn)材料,通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化、CRISPR/CAS9 技術(shù)及煙草生育期調(diào)控技術(shù)[14],構(gòu)建NtabNAC087基因的過(guò)表達(dá)和基因敲除純合陽(yáng)性株系(T2),并在此基礎(chǔ)上,觀測(cè)不同煙草株系材料在遭受干旱脅迫后植株表型和基因表達(dá)情況,以期為進(jìn)一步研究NtabNAC087的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及育種利用提供幫助。
普通煙草品種K326(野生型/對(duì)照材料)種子,遺傳轉(zhuǎn)化過(guò)程中使用的大腸桿菌DH5α、Top10 感受態(tài)細(xì)胞、農(nóng)桿菌EHA105菌株和載體pBWA(V)HS均由貴州省煙草科學(xué)研究院保存并提供,前期研究初步篩選得到的NtabNAC087基因(Nitab4.5_0000662g0120.1)[13]序列在茄科基因組網(wǎng)站(https://solgenomics.net/)下載得到。
1.2.1 煙草NtabNAC087基因的克隆及轉(zhuǎn)基因植株的構(gòu)建 利用總RNA 小量制備試劑盒(愛(ài)思進(jìn),杭州)提取煙草總RNA,并用EasyScript One-Step gDNA Removal and cDNA Synthesis SuperMix 試劑盒(全式金生物,北京)進(jìn)行RNA 反轉(zhuǎn)錄。使用Primer6 軟件[15]對(duì)NtabNAC087基因進(jìn)行PCR 擴(kuò)增引物設(shè)計(jì)(引物信息見(jiàn)表1)。PCR體系為20 μL:DNA 3 μL,2× Taq Master Mix 10 μL,10 μmol·L-1正反引物各1 μL,蒸餾水補(bǔ)至20 μL。PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性2 min;95 ℃變性15 s,60 ℃退火20 s,72 ℃延伸2 min,35個(gè)循環(huán);72 ℃終延伸7 min。選擇1%瓊脂糖凝膠電泳,并用DNA 凝膠回收試劑盒(愛(ài)思進(jìn),杭州)回收目的片段,隨后將回收的NtabNAC087基因片段與pBWA(V)HS 載體片段利用T4 連接酶進(jìn)行連接。遺傳轉(zhuǎn)化流程參考文獻(xiàn)[16]。
表1 所用引物序列Table 1 The sequence of the primers used in this experiment
通過(guò)CRISPR-P 2.0(http://crispr.hzau.edu.cn/CRISPR2/)在線網(wǎng)站設(shè)計(jì)CRISPR/Cas9 敲除sgRNA,基因敲除載體構(gòu)建及遺傳轉(zhuǎn)化委托武漢伯遠(yuǎn)生物科技有限公司完成。利用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)獲得的T0代植株是否為陽(yáng)性,對(duì)陽(yáng)性植株進(jìn)行早花處理[17],在貴州省煙草科學(xué)研究院人工氣候室進(jìn)行連續(xù)加代,得到T2代材料,挑選基因表達(dá)量較高的過(guò)表達(dá)植株及編輯位點(diǎn)純合的編輯植株做為后續(xù)的試驗(yàn)材料。
1.2.2 干旱脅迫試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將NtabNAC087基因過(guò)表達(dá)植株、編輯植株和野生型K326 種子放入含有20%PEG6000的MS固體培養(yǎng)基中進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn),觀察種子萌發(fā)10 d后根的生長(zhǎng)情況。
苗期試驗(yàn)處理流程:將種子放入含Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中進(jìn)行催芽,待發(fā)芽后移栽到泥炭土中進(jìn)行培養(yǎng),在16 h 光照/8 h 黑暗、28 ℃/23 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)生長(zhǎng),設(shè)置干旱處理組,自然脅迫(移栽成活后不澆水)處理15 d,觀察并記錄植株的萎蔫程度,對(duì)照組煙草植株正常補(bǔ)充水分。
1.2.3 數(shù)據(jù)調(diào)查 待對(duì)照組煙草植株播種后45 d時(shí),利用SU8010掃描電鏡(日立,日本)對(duì)其葉片組織氣孔形態(tài)進(jìn)行觀察,利用Nano Measure 1.2 軟件統(tǒng)計(jì)氣孔密度、氣孔長(zhǎng)度和氣孔寬度,每個(gè)樣品設(shè)置5 個(gè)生物學(xué)重復(fù)。待煙草植株播種后45 d時(shí),將其移入Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行水培,60 d時(shí)進(jìn)行20% PEG6000模擬干旱處理。在干旱處理0、1、3、6 和12 h 時(shí)分別對(duì)植株葉片取樣,液氮速凍,-80 ℃保存。采用脯氨酸(proline,Pro)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量試劑盒(蘇州格銳思生物科技有限公司)測(cè)定不同材料中各成分的酶活及含量。以煙草Actin基因作內(nèi)參基因,使用TB Green?Premix DimerEraserTM(Perfect Real Time)試劑盒(TaKaRa,大連)進(jìn)行qRTPCR(quantitative real-time PCR)測(cè)定基因的表達(dá)量(所用引物見(jiàn)表1)。反應(yīng)體系為20 μL:cDNA 2 μL,TB Green Premix DimerEraser 10 μL,RoxⅡ0.4 μL,10 μmol·L-1正反引物各0.6 μL,用蒸餾水補(bǔ)至20 μL。反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性10 s,60 ℃退火20 s,40個(gè)循環(huán)。設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。
使用Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制,使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
NtabNAC087基因的開(kāi)放閱讀框長(zhǎng)度為1 766 bp,共編碼342 個(gè)氨基酸,分子量為39.046×103,含有NAC超家族結(jié)構(gòu)域,屬于AtNAC3 亞族成員。共獲得24 株T0代過(guò)表達(dá)株系材料,結(jié)果表明96%的過(guò)表達(dá)植株為陽(yáng)性(圖1-A)。對(duì)陽(yáng)性植株進(jìn)行連續(xù)早花處理后得到T2代材料,篩選得到5 個(gè)穩(wěn)定株系(oeNAC087-1~oeNAC087-5)。
圖1 NtabNAC087的基因過(guò)表達(dá)及基因敲除檢測(cè)結(jié)果Fig.1 Results of gene overexpression and gene knockout detection of NtabNAC087
對(duì)NtabNAC087基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知含有4 段編碼序列(coding sequences,CDS)區(qū)(圖1-B),將第一個(gè)外顯子區(qū)5′→3′方向118~137 bp 區(qū)域的20 bp 堿基序列為靶點(diǎn)編輯位點(diǎn)進(jìn)行NtabNAC087基因敲除,序列(5′→3′)為GACTTCTCTATGCAAATCATTGG。共得到10 株T0代編輯株系材料,進(jìn)行加代后得到5 個(gè)穩(wěn)定株系(geNAC087-1~geNAC087-5)。
分別對(duì)不同株系的基因表達(dá)量進(jìn)行測(cè)定。待T2代材料生長(zhǎng)45 d左右時(shí),對(duì)NtabNAC087基因表達(dá)量進(jìn)行檢測(cè),過(guò)表達(dá)植株中NtabNAC087基因表達(dá)量均顯著高于對(duì)照K326,編輯植株中有3個(gè)株系NtabNAC087基因表達(dá)量與對(duì)照組存在顯著差異(圖1-C)。其中過(guò)表達(dá)株系oeNAC087-5的基因表達(dá)量最高是對(duì)照的14倍左右;基因編輯株系geNAC087-5 的基因表達(dá)量最低,是對(duì)照的0.27 倍,選擇這兩個(gè)株系做后續(xù)的干旱脅迫及自然干旱相關(guān)試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)基因編輯株系geNAC087-5提取DNA后進(jìn)行測(cè)序,發(fā)現(xiàn)其編輯位點(diǎn)存在胸腺嘧啶T堿基的插入,導(dǎo)致NtabNAC087基因移碼突變(圖1-D)。
由圖2-A 可知,在PEG6000 干旱脅迫處理下,種子在萌發(fā)階段根長(zhǎng)的發(fā)育存在差異,其中編輯植株的根最短,過(guò)表達(dá)植株的根相比對(duì)照組較長(zhǎng)。由圖2-B可知,苗期進(jìn)行自然干旱處理后,3 種植株葉片都表現(xiàn)出不同程度萎蔫,基因敲除植株葉片萎蔫程度最大,過(guò)表達(dá)植株萎蔫程度最小,由此推測(cè),NtabNAC087基因可以提高煙草的抗旱性。同時(shí),對(duì)3 種煙草植株葉片進(jìn)行掃描電鏡觀察,在同一面積內(nèi)對(duì)氣孔密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖2-C 所示。對(duì)照K326植株的平均氣孔密度為12 個(gè),過(guò)表達(dá)植株為18 個(gè),編輯植株為12 個(gè),過(guò)表達(dá)植株的氣孔密度高于其他兩組。通過(guò)對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)對(duì)照K326 植株細(xì)胞較為飽滿,細(xì)胞外露,而過(guò)表達(dá)植株細(xì)胞較小且在氣孔內(nèi)嵌,編輯材料的氣孔形態(tài)介于兩者之間(圖2-D)。
由圖3 可知,過(guò)表達(dá)植株葉片氣孔長(zhǎng)度相比于對(duì)照組及編輯植株氣孔長(zhǎng)度顯著較短,對(duì)照K326與編輯材料無(wú)顯著差異;過(guò)表達(dá)植株葉片寬度最短,對(duì)照組其次,編輯植株葉片氣孔寬度最長(zhǎng),三者之間均存在顯著差異。氣孔長(zhǎng)度與氣孔寬度相乘表示氣孔的大小。因此,過(guò)表達(dá)植株的氣孔小于對(duì)照K326,而編輯植株的氣孔大于對(duì)照K326。
圖3 氣孔長(zhǎng)寬對(duì)比圖Fig.3 Comparison of pore length and width
由圖4-A 可知,在干旱脅迫處理下,3 種材料的SOD 活性都表現(xiàn)出隨處理時(shí)間延長(zhǎng)而升高的趨勢(shì),且過(guò)表達(dá)植株在所有時(shí)間段內(nèi)SOD 活性均顯著高于其他植株,在12 h時(shí)達(dá)到最高,為1 553.96 U·g-1;編輯植株在0、1、3 和6 h 時(shí)活性顯著高于對(duì)照K326,在12 h時(shí)與對(duì)照K326無(wú)顯著差異。
圖4 抗氧化酶活性Fig.4 The activities of the antioxidant enzymes
由圖4-B可知,在干旱脅迫處理下,3種材料中CAT活性均表現(xiàn)為先增加后減少再增加的趨勢(shì)。其中,在0和1 h時(shí)3種植株中CAT活性無(wú)顯著差異;在3 h時(shí)過(guò)表達(dá)植株顯著高于其他材料,為753.36 μmol·min-1·g-1,編輯植株顯著低于其他材料;在6 h時(shí)過(guò)表達(dá)植株活性顯著高于其他材料,編輯植株與K326 之間無(wú)顯著差異;在12 h 時(shí)3 種材料無(wú)顯著差異且均達(dá)到最高值。結(jié)果表明,過(guò)表達(dá)植株在短期脅迫下,CAT 活性在3 h 前無(wú)顯著變化,3~6 h 較對(duì)照組顯著升高,12 h 時(shí)無(wú)明顯變化。
由圖4-C 可知,在干旱脅迫處理下,MDA 含量整體為先上升后下降趨勢(shì),在0 h 時(shí)3 種材料之間無(wú)顯著差異;1 和3 h 時(shí)過(guò)表達(dá)材料顯著低于其他材料,編輯植株顯著高于其他材料;6 h 時(shí)3 種材料無(wú)顯著差異;12 h 時(shí)編輯材料與過(guò)表達(dá)植株顯著低于K326。過(guò)表達(dá)植株在整個(gè)處理過(guò)程中MDA 含量較為穩(wěn)定,K326和編輯植株均在1 h時(shí)達(dá)到最高值。
由圖4-D 可知,在干旱脅迫處理下,Pro 含量隨時(shí)間變化一直升高,在1 h 時(shí)過(guò)表達(dá)植株P(guān)ro 含量較對(duì)照組不存在顯著差異;在0、3、6 和12 h 時(shí)過(guò)表達(dá)植株顯著高于K326,編輯植株顯著低于K326,說(shuō)明在脅迫后期NtabNAC087基因?qū)ro 含量的影響較為明顯,提高了植株的抗旱性。
通過(guò)qRT-PCR 對(duì)NtabNAC087基因表達(dá)量進(jìn)行測(cè)定,得到結(jié)果如圖5 所示。隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),植株中基因的表達(dá)量均呈現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì),并且過(guò)表達(dá)植株在0、1、6 和12 h 時(shí)NtabNAC087基因表達(dá)量顯著高于K326,編輯植株在0、1、3 和6 h 時(shí)基因表達(dá)量顯著低于K326,過(guò)表達(dá)和對(duì)照K326 植株在6 h 時(shí)基因表達(dá)量達(dá)到最高,而編輯植株在3 h時(shí)達(dá)到最高。
圖5 NtabNAC087基因表達(dá)量Fig.5 The expression of NtabNAC087 gene
氣孔作為控制水分和CO2進(jìn)出植物的重要途徑,氣孔的大小、密度和數(shù)量等指標(biāo)可以用于評(píng)估植株的抗旱能力[18]。氣孔的打開(kāi)和關(guān)閉是由保衛(wèi)細(xì)胞膨脹的變化引起的,保衛(wèi)細(xì)胞膨脹時(shí)氣孔打開(kāi),保衛(wèi)細(xì)胞松弛時(shí)氣孔關(guān)閉,干旱脅迫下會(huì)誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉[19]。干旱和低溫都會(huì)導(dǎo)致植物水分狀況失衡,并誘導(dǎo)促進(jìn)氣孔關(guān)閉的脫落酸(abscisic acid,ABA)合成。因此,氣孔關(guān)閉是對(duì)干旱和寒冷的適應(yīng)性反應(yīng)[20]。在本研究中通過(guò)對(duì)過(guò)表達(dá)和基因編輯NtabNAC087基因株系與K326野生型植株的氣孔表型進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)植株相較于編輯和K326 植株中氣孔數(shù)量較多,氣孔較小。賈東峰[21]研究發(fā)現(xiàn)蘋果中過(guò)表達(dá)MdNAC1基因會(huì)降低氣孔大小,提高氣孔密度,與本研究結(jié)果相符。氣孔密度的增加及氣孔大小的減小可以保持或改善總氣孔的面積,同時(shí)也提供了更短的擴(kuò)散途徑,可能會(huì)改善氣體的交換[22]。水稻中NAC家族OsNAC1基因可以促進(jìn)葉片氣孔關(guān)閉,減少水分損失,從而增強(qiáng)過(guò)表達(dá)植株的耐旱性和耐鹽性[23],同樣證實(shí)了NAC 基因家族可以參與氣孔的調(diào)節(jié)活動(dòng)。
活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生是植物在正常和脅迫條件下的常見(jiàn)現(xiàn)象,并且在非生物脅迫逆境中,ROS 的產(chǎn)生將可能超出抗氧化防御系統(tǒng)的能力[24]。若植物體內(nèi)ROS 的動(dòng)態(tài)平衡被打破,植物會(huì)通過(guò)酶抗氧化系統(tǒng)來(lái)維持體內(nèi)ROS平衡[25]。在干旱脅迫下,SOD和CAT活性上升,從而降低膜脂過(guò)氧化損傷程度,提高腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)活性,緩解干旱光合生理的傷害[26]。本研究中SOD活性隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高,且過(guò)表達(dá)植株的SOD 活性與K326存在顯著差異。說(shuō)明干旱脅迫下,過(guò)表達(dá)植株表現(xiàn)出更好的耐旱性。
ROS的積累,包括作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的H2O2,也可能導(dǎo)致廣泛的細(xì)胞損傷和光合作用抑制[27]。在干旱脅迫下,植物會(huì)發(fā)生原生質(zhì)脫水,引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的變化及膜上細(xì)胞的失活[28]。MDA 是膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物,可作為氧化脂質(zhì)損傷標(biāo)志物[29],其含量可以用來(lái)評(píng)估植株受到的氧化損傷程度。本研究通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因純合材料的驗(yàn)證,NtabNAC087基因表達(dá)量的檢測(cè)及干旱脅迫處理?xiàng)l件下煙草植株各種生理指標(biāo)的測(cè)定,驗(yàn)證NtabNAC087基因是否參與干旱脅迫的響應(yīng)功能。結(jié)果表明,CAT活性在3~6 h內(nèi)過(guò)表達(dá)植株較其余材料存在顯著差異,MDA 含量在1~3 h內(nèi)差異較為明顯,推測(cè)NtabNAC087基因可能在干旱脅迫前期對(duì)CAT 活性和MDA 含量存在影響,其中3 種材料的Pro 含量、SOD活性存在差異,都為上升趨勢(shì)且在12 h時(shí)差異顯著,可能對(duì)干旱脅迫后期產(chǎn)生影響。Pro 作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)揮作用[30],當(dāng)植株受到的干旱脅迫越為嚴(yán)重,其后期含量就越高。通過(guò)3種材料的橫向比較,發(fā)現(xiàn)面對(duì)相同程度的干旱脅迫,過(guò)表達(dá)植株中Pro 含量明顯升高,Pro含量越高則代表其抗旱能力越強(qiáng)。同作為茄科植物的番茄,過(guò)表達(dá)SlNAC6基因可顯示出對(duì)干旱脅迫的耐受性大大增強(qiáng),同時(shí)表現(xiàn)出較高的Pro含量和抗氧化酶活性[10],這與本研究結(jié)果相吻合,證明了NtabNAC087基因與煙草抗旱性相關(guān),過(guò)表達(dá)該基因后可提高煙草的抗旱性。
在基因表達(dá)量分析結(jié)果中,CRISPR/Cas9 技術(shù)使NtabNAC087基因表達(dá)量下降,與李兆偉等[31]的研究結(jié)果相似。本研究還發(fā)現(xiàn)NtabNAC087基因表達(dá)量的變化較為明顯,整體表現(xiàn)為先上升后下降,且在6 h時(shí)達(dá)到最高,與白戈等[32]研究轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫下的表達(dá)量呈先增后減趨勢(shì)的結(jié)果相似。由此推測(cè)NtabNAC087基因的抗旱能力可能存在閾值,過(guò)表達(dá)植株的閾值提高,從而增強(qiáng)了植株的抗旱性。
通過(guò)克隆煙草中與擬南芥RD26基因同源的NtabNAC087基因,進(jìn)行過(guò)表達(dá)及編輯植株的構(gòu)建,在PEG6000模擬干旱脅迫下研究NtabNAC087基因功能,發(fā)現(xiàn)煙草NtabNAC087基因過(guò)表達(dá)植株通過(guò)改變植株葉片氣孔、生理指標(biāo)及相關(guān)基因的表達(dá),增強(qiáng)了植株的抗旱性。證明NtabNAC087基因作為轉(zhuǎn)錄因子參與干旱脅迫的應(yīng)答,且過(guò)表達(dá)NtabNAC087基因可以使植株獲得更強(qiáng)的耐旱性。