雙分子熒光互補(bǔ)技術(shù)(BiFC)分析玉米MAPK5與bZIP72蛋白的相互作用

曹建美

(中國(guó)科學(xué)院上海辰山植物研究中心，上海辰山植物園，上海松江 201602)

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雙分子熒光互補(bǔ)技術(shù)(BiFC)分析玉米MAPK5與bZIP72蛋白的相互作用

曹建美

(中國(guó)科學(xué)院上海辰山植物研究中心，上海辰山植物園，上海松江 201602)

摘要[目的]分析玉米MAPK5與bZIP72蛋白之間的相互作用。[方法]構(gòu)建雙分子熒光互補(bǔ)表達(dá)載體pN-MAPK5和pC-bZIP72，應(yīng)用基因槍轟擊洋蔥表皮細(xì)胞瞬時(shí)表達(dá)，在激光共聚焦顯微鏡下觀察MAPK5與bZIP72蛋白相互作用產(chǎn)生的熒光信號(hào)。[結(jié)果]ZmMAPK5與ZmbZIP72的BiFC融合載體同時(shí)轟擊洋蔥表皮細(xì)胞，細(xì)胞核中能發(fā)出黃色熒光。[結(jié)論] ZmMAPK5與ZmbZIP72在植物細(xì)胞核內(nèi)相互作用。

關(guān)鍵詞ZmMAPK5；ZmbZIP72；雙分子熒光互補(bǔ)(BiFC)；蛋白互作

植物作為固著生物，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展出復(fù)雜的信號(hào)響應(yīng)系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)自身對(duì)各種不利環(huán)境條件的抵抗。其中，最保守的信號(hào)系統(tǒng)即為MAPK 信號(hào)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，它通過(guò)一系列的磷酸化作用將胞外刺激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到胞內(nèi)，保護(hù)細(xì)胞免受脅迫傷害。典型的MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)為三級(jí)磷酸化傳遞系統(tǒng)[1]。MAPKKK接受生物的或非生物的刺激，通過(guò)2次磷酸化過(guò)程將刺激信號(hào)逐級(jí)放大傳遞給MAPK，MAPK接收到信號(hào)后可能有3種反應(yīng)[2]：繼續(xù)停留在細(xì)胞質(zhì)中激活其他蛋白激酶；進(jìn)入細(xì)胞核，與轉(zhuǎn)錄因子相互作用，調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子活性；在細(xì)胞質(zhì)中使細(xì)胞骨架磷酸化。

轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factors, TFs)也稱反式作用因子，能夠與真核基因啟動(dòng)子區(qū)域中的順式作用元件發(fā)生特異性相互作用，并對(duì)轉(zhuǎn)錄有激活或抑制作用。植物轉(zhuǎn)錄因子基因家族中研究最多的一類是堿性亮氨酸拉鏈(basic region/leucine zipper motif, bZIP)類轉(zhuǎn)錄因子。植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子含有60～80個(gè)氨基酸殘基，由一個(gè)二聚化作用的亮氨酸拉鏈區(qū)域和一個(gè)DNA結(jié)合的堿性結(jié)構(gòu)域組成。研究表明，植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞中主要定位于細(xì)胞核。bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族成員在植物中有的呈組成型表達(dá)，有的呈器官特異性表達(dá)，有的呈發(fā)育相關(guān)性表達(dá)，有的受各種非生物脅迫，包括鹽害、冷害、干旱等誘導(dǎo)表達(dá)。除轉(zhuǎn)錄水平上受誘導(dǎo)表達(dá)調(diào)控活性外，植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子在轉(zhuǎn)錄后水平上也被調(diào)控，包括磷酸化調(diào)控、二聚化調(diào)控和蛋白蛋白相互作用等[3]。這些調(diào)控方式可以改變轉(zhuǎn)錄因子對(duì)順式元件結(jié)合的親和力，從而增強(qiáng)或減弱轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性。

玉米(Zeamays)是重要的糧食作物和工業(yè)生產(chǎn)原料，環(huán)境非生物脅迫因子如干旱、高鹽等嚴(yán)重影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，研究其逆境響應(yīng)機(jī)制，對(duì)提高玉米產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。目前，玉米中關(guān)于MAPK蛋白激酶與bZIP轉(zhuǎn)錄因子之間相互作用的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者根據(jù)玉米MAPK5和bZIP72基因序列設(shè)計(jì)特異性引物，從玉米葉片cDNA中擴(kuò)增ZmMAPK5和ZmbZIP72的CDS片段，分別構(gòu)建ZmMAPK5與ZmbZIP72的BiFC融合載體，基因槍轟擊洋蔥表皮細(xì)胞瞬時(shí)表達(dá)分析ZmMAPK5與ZmbZIP72的蛋白相互作用。

1材料與方法

1.1植物材料以玉米(ZeamaysL.)雜交種農(nóng)大108為試驗(yàn)材料。選取飽滿一致的玉米種子，浸泡過(guò)夜，25 ℃催芽48 h，挑選發(fā)芽一致的種粒播種于石英砂中，置于光照培養(yǎng)箱(28 ℃、RH 90%、光照16 h/d)中生長(zhǎng)。待幼苗第2葉完全展開，取葉片液氮速凍備用。新鮮的洋蔥，撕表皮待用。

1.2菌株、載體和酶類E.coli菌株(DH5α)、BiFC載體(pUC19-N，pUC19-C)由中國(guó)科學(xué)院辰山植物研究中心保存；pMD19-T載體、限制性內(nèi)切酶、T4連接酶、Trizol等購(gòu)自寶生物大連有限公司(TaKaRa);KOD購(gòu)自TOYOBO公司；DNA質(zhì)粒小量提取試劑盒、膠回收試劑盒購(gòu)自上海捷瑞生物工程公司；引物合成和測(cè)序由上海生工生物工程公司完成。

1.3方法

1.3.1玉米MAPK5和bZIP72基因克隆。采用Trizol方法提取玉米葉片總RNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA為模板，根據(jù)ZmMAPK5和ZmbZIP72基因序列通過(guò)Primer 5.0設(shè)計(jì)相應(yīng)的引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。ZmMAPK5上游引物F1：5′-ATGATTTTATTTTGACTGAT-3′,下游引物F2：5′-CTACTGATAATCAGGGTTGA-3′；ZmbZIP72上游引物F3：5′-ATGGACGAGCTGCTCCAGA-3′,下游引物F4：5′-ATGGACGAGCTGCTCCAGA-3′。PCR擴(kuò)增條件：預(yù)變性94 ℃ 2 min；98 ℃ 30 s，60 ℃ 30 s，68 ℃ 1 min，35個(gè)循環(huán)；72 ℃ 30 min加A尾。擴(kuò)增的PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后回收連接到pMD19-T載體，由上海生工生物工程有限公司測(cè)序，測(cè)序結(jié)果比對(duì)正確的陽(yáng)性質(zhì)粒待用。

1.3.2BiFC融合載體的構(gòu)建及鑒定。通過(guò)分析ZmMAPK5和ZmbZIP72基因序列上的克隆位點(diǎn)，在上下游引物中分別添加HindIII和BamHI以及XbaⅠ和SmaⅠ酶切位點(diǎn)，以連入目的基因的T載體質(zhì)粒為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR產(chǎn)物和BiFC載體經(jīng)相應(yīng)的內(nèi)切酶雙酶切后回收，回收產(chǎn)物用T4連接酶連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞，菌落PCR初步驗(yàn)證挑取陽(yáng)性單菌落提取質(zhì)粒，進(jìn)一步用相應(yīng)的內(nèi)切酶酶切鑒定，鑒定成功的克隆送上海生工生物工程有限公司測(cè)序。構(gòu)建成功的載體分別命名為pN-MAPK5、pC-bZIP72。

1.3.3基因槍轟擊洋蔥表皮細(xì)胞瞬時(shí)表達(dá)。在超凈工作臺(tái)中，將洋蔥剝?nèi)ネ獗砥ず螅〉?層鱗莖切成2 cm × 2 cm的方塊，撕下內(nèi)表皮貼在滅好菌的2%瓊脂糖培養(yǎng)基上，盡可能減少氣泡，待用。取7.5 μL金粉懸液于Eppendorf管，依次加入1 μL質(zhì)粒DNA(1 μg/μL)，15 μL 2.5 mol/L CaCl2和6 μL 0.1 mol/L亞精胺。振蕩3 min，冰上靜置10 s，10 000 r/min離心10～20 s，棄上清。加80 μL無(wú)水乙醇，振蕩重懸，10 000 r/min離心10～20 s，棄上清。用10 μL無(wú)水乙醇重懸，待用。將壓力膜和轟擊膜在70%乙醇中浸泡10 min后取出，在超凈工作臺(tái)上晾干；金屬擋板用70%乙醇清洗晾干。將10 μL無(wú)水乙醇重懸的金粉-DNA復(fù)合體均勻涂布于轟擊膜的中間位置，晾干，安裝到發(fā)射裝置上。將可裂膜安裝到氣體加速管的下端，洋蔥表皮集中于培養(yǎng)皿的中部，放入真空室內(nèi)，取下培養(yǎng)皿蓋。抽真空指針到所需值(27 in，Hg)，放氦氣于氣體加速管，直至管中壓力達(dá)到可裂圓片所能承受的壓力時(shí)，可裂膜破開，氣體沖至轟擊膜上，金屬顆粒透過(guò)金屬擋板的網(wǎng)孔射向洋蔥細(xì)胞，可裂膜壓力為1 100 psi。轟擊完的洋蔥細(xì)胞25 ℃培養(yǎng)24 h后用激光共聚焦顯微鏡(LSM 510 META)觀察，黃色熒光蛋白(Yellow Fluorescent Protein, YFP)最適激發(fā)光波長(zhǎng)490 nm，發(fā)射光波長(zhǎng)515 nm。

2結(jié)果與分析

2.1玉米MAPK5和bZIP72基因的克隆以反轉(zhuǎn)錄的玉米葉片cDNA為模板，用相應(yīng)的引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，分別得到1 200和890 bp的特異性條帶(圖1)，與ZmMAPK5和ZmbZIP72預(yù)期的CDS序列大小一致。用凝膠回收試劑盒分別回收，將回收的目的條帶連接到克隆載體pMD19-T上，轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞中，經(jīng)菌落PCR驗(yàn)證后挑取陽(yáng)性單菌落提取質(zhì)粒，由上海生工生物工程有限公司測(cè)序，測(cè)序結(jié)果通過(guò)BLAST比對(duì)證實(shí)，擴(kuò)增序列與ZmMAPK5和ZmbZIP72的基因序列完全一致。

2.2BiFC融合載體的構(gòu)建及驗(yàn)證ZmMAPK5和ZmbZIP72基因擴(kuò)增的片段經(jīng)HindⅢ+BamHⅠ、XbaⅠ+SmaⅠ雙酶切后，分別連接至同樣經(jīng)HindⅢ+BamHⅠ、XbaⅠ+SmaⅠ雙酶切的BiFC載體pUC19-N和pUC19-C上，轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞，菌落PCR驗(yàn)證后挑取陽(yáng)性單菌落提取質(zhì)粒，經(jīng)雙酶切鑒定，ZmMAPK5條帶約為1 200 bp，ZmbZIP72條帶約為890 bp，與預(yù)期結(jié)果一致(圖2)。測(cè)序結(jié)果通過(guò)BLAST比對(duì)與NCBI報(bào)道的序列完全一致，表明重組質(zhì)粒pN-MAPK5和pC-bZIP72融合表達(dá)載體構(gòu)建成功。

注：A中M.DNA Marker，Marker III, 1. ZmMAPK5 (1 200 bp); B中M.DNA Marker，DL2 000; 1.ZmbZIP72(890 bp)。Note:As for A, M.DNA Marker, MarkerIII; 1.ZmMAPK5 (1 200 bp); As for B, M.DNA Marker; DL2000; 1.ZmbZIP72 (890 bp).圖1　ZmMAPK5和ZmbZIP72基因的PCR擴(kuò)增Fig.1　PCR products of ZmMAPK5 and ZmbZIP72 genes

注：A中M.DNA Marker，Trans 2K plus DNA Marker, 1.重組質(zhì)粒pN-MAPK5雙酶切結(jié)果(HindⅢ+ BamHⅠ); B中M.Trans 2K plus DNA Marker, 1.重組質(zhì)粒pC-bZIP72雙酶切結(jié)果(XbaⅠ+ SmaⅠ)。Note: As for A, M.DNA Marker, Trans 2K plus DNA Marker; 1.Identification of recombinant plasmid of N-MAPK5by HindⅢ+ BamHⅠ; As for B, M.Trans 2K plus DNA Marker; 1.Identification of recombinant plasmid ofC-bZIP72by XbaⅠ+ SmaⅠ.圖2　BiFC融合表達(dá)載體pN-MAPK5和pC-bZIP72酶切鑒定Fig.2　Enzyme cut products of N-MAPK5 and C-bZIP72 plasmids

2.3BiFC檢測(cè)ZmMAPK5和ZmbZIP72蛋白相互作用將構(gòu)建好的BiFC融合載體pN-MAPK5和pC-bZIP72利用基因槍轟擊至洋蔥下表皮細(xì)胞中，25 ℃培養(yǎng)16 h后用激光共聚焦顯微鏡觀察黃色熒光信號(hào)，設(shè)置pN-MAPK5和pC-ABA2為陽(yáng)性對(duì)照；pN-MAPK5和pC-bZIP71為陰性對(duì)照。結(jié)果顯示，在激光共聚焦顯微鏡下陰性對(duì)照無(wú)熒光信號(hào)，陽(yáng)性對(duì)照MAPK5和ABA2在整個(gè)細(xì)胞質(zhì)中均檢測(cè)到黃色熒光信號(hào)，而MAPK5和bZIP72僅在細(xì)胞核中檢測(cè)到黃色熒光信號(hào)(圖3)。說(shuō)明ZmMAPK5和ZmbZIP72在植物體內(nèi)存在蛋白互作，且相互作用發(fā)生在細(xì)胞核中。

注：A試驗(yàn)組(pN-MAPK5和pC-bZIP72)的洋蔥表皮細(xì)胞，1.明場(chǎng)，2.黃色熒光蛋白激發(fā)熒光；3.1和2疊合；bar=150 μm; B陰性對(duì)照(pN-MAPK5和pC-bZIP71)的洋蔥表皮細(xì)胞，1.明場(chǎng)，2.無(wú)黃色熒光，3.1和2疊合，bar=150 μm; C陽(yáng)性對(duì)照(pN-MAPK5和pC-ABA2)的洋蔥表皮細(xì)胞，1.明場(chǎng)，2.黃色熒光蛋白激發(fā)熒光，3.1和2疊合，bar=75 μm。Note:A Experiment groups (pN-MAPK5 and pC-bZIP72)of bombarding onion epidermal cells:1.Light; 2.Fluorescence; 3.Merge; bar=150 μm;BNegative control (pN-MAPK5 and pC-bZIP71)of bombarding onion epidermal cells:1.Light; 2.Fluorescence; 3.Merge; bar = 150 μm;B Positive control(pN-MAPK5 and pC-ABA2)of bombarding onion epidermal cells:1.Light; 2. Fluorescence; 3.Merge; bar = 75 μm.圖3　ZmMAPK5和ZmbZIP72在洋蔥表皮細(xì)胞中互作的BiFC檢測(cè)Fig.3　BiFC assay of ZmMAPK5 and ZmbZIP72 in onion epidermal cells

3結(jié)論與討論

研究表明，玉米MAPK5參與ABA誘導(dǎo)的抗氧化防護(hù)且可增強(qiáng)植物對(duì)干旱、高鹽以及氧化脅迫等逆境的耐受性[4-5]。玉米bZIP72蛋白是ABA依賴的逆境響應(yīng)途徑的轉(zhuǎn)錄激活子，且bZIP72蛋白的活性可能受到轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。Ying等[6]研究玉米SAPK8調(diào)控bZIP72蛋白時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者之間無(wú)相互作用。玉米MAPK5能否調(diào)控bZIP72是該研究的重點(diǎn)。

BiFC技術(shù)是研究蛋白質(zhì)相互作用的最直觀方法，該技術(shù)將2個(gè)蛋白分別連到Y(jié)FP截?cái)嗟腘末端(YN，1～173)和C末端(CN，173～238)，當(dāng)這2個(gè)蛋白相互作用靠近時(shí)，YFP截?cái)嗟腘末端和C末端便形成完整的YFP發(fā)出黃色熒光，這個(gè)系統(tǒng)最初被應(yīng)用在動(dòng)物細(xì)胞中研究蛋白之間的相互作用[7-8]。隨著瞬時(shí)表達(dá)的建立，結(jié)合BiFC技術(shù)相繼建立了原生質(zhì)體的BiFC系統(tǒng)研究植物中蛋白之間的相互作用[9-11]。Xu等[12]利用擬南芥原生質(zhì)體的BiFC系統(tǒng)證實(shí)了CIPK23與CBL1、CBL9，CIPK23與AKT1在擬南芥原生質(zhì)體中相互作用調(diào)控K+的吸收，作用位置均在細(xì)胞膜上。該研究構(gòu)建了ZmMAPK5和ZmbZIP72熒光表達(dá)載體，以已知有相互作用的pN-MAPK5和pC-ABA2為陽(yáng)性對(duì)照,充分說(shuō)明兩者在細(xì)胞內(nèi)相互作用。

該研究成功建立了基因槍轟擊洋蔥表皮細(xì)胞瞬時(shí)表達(dá)

體系，結(jié)合BiFC技術(shù)發(fā)現(xiàn)ZmMAPK5和ZmbZIP72在植物體內(nèi)存在蛋白互作，且相互作用發(fā)生在細(xì)胞核中。該研究結(jié)果為MAPK在玉米逆境脅迫響應(yīng)途徑中的機(jī)理研究提供了思路。

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作者簡(jiǎn)介曹建美(1985- )，女，江蘇金壇人，工程師，博士，從事植物抗逆研究。

收稿日期2016-04-10

中圖分類號(hào)S 188+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)14-152-03

Interaction Between MAPK5 and bZIP72 of Maize Using Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC) Assay

CAO Jian-mei

(Shanghai Chenshan Plant Science Research Center, Chinese Academy of Science, Shanghai Chenshan Botanical Garden, Shanghai 201602)

Abstract[Objective] To analyze the interaction between MAPK5 and bZIP72.[Method] Two BiFc plasmids (pN-MAPK5 and pC-bZIP72) were constructed, then transfected into onion epidermal cells via gene-gun approach.The interaction between MAPK5 and bZIP72 was examined by confocal laser scanning microscopy.[Result] Yellow fluorescence was observed in the onion epidermal cells transfected with ZmMAPK5 and ZmbZIP72.[Conclusion] This research indicates that ZmMAPK5 and ZmbZIP72 interacts with each other in vivo.

Key wordsZmMAPK5; ZmbZIP72; Bimolecular fluorescence complementation (BiFC); Protein interaction