黃瓜花葉病毒基因沉默載體的效率和穩(wěn)定性分析

向志丹，張震霄，李 超，杜志游

(浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

黃瓜花葉病毒基因沉默載體的效率和穩(wěn)定性分析

向志丹，張震霄，李 超，杜志游*

(浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

病毒誘導(dǎo)的基因沉默(virus-induced gene silencing， VIGS)已被廣泛應(yīng)用于植物基因的功能研究。試驗(yàn)以八氫番茄紅素脫氫酶(phytoene desaturase， PDS)作為指示基因，在本生煙體內(nèi)分析黃瓜花葉病毒(Cucumbermosaicvirus， CMV)作為VIGS載體對(duì)植物內(nèi)源PDS mRNA的沉默效率。采用分子克隆的方法，將Fny-CMV 2b ORF替換為不同長(zhǎng)度的PDS序列，并分析了其在本生煙植物上誘導(dǎo)的PDS沉默效率。結(jié)果表明，該重組病毒能誘導(dǎo)上部系統(tǒng)葉的光漂白表型，且沉默效率與插入片段長(zhǎng)度呈一定的正相關(guān)性，但在頂端新生葉中均不引起明顯的光漂白現(xiàn)象，過(guò)長(zhǎng)的片段插入(≥518 nt)影響病毒基因組的遺傳穩(wěn)定性，導(dǎo)致插入片段的部分缺失。CMV作為 VIGS載體，最適合的插入片段約為350 nt。

病毒誘導(dǎo)的基因沉默；黃瓜花葉病毒；2b；八氫番茄紅素脫氫酶

病毒誘導(dǎo)的基因沉默 (virus induced gene silencing， VIGS)是一種分子遺傳學(xué)技術(shù)，即利用病毒作為一個(gè)外源基因片段的載體，通過(guò)病毒復(fù)制和寄主RNA沉默機(jī)制產(chǎn)生外源片段的siRNA，進(jìn)而通過(guò)siRNA途徑沉默靶標(biāo)mRNA。由于該技術(shù)具有周期短和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于植物的基因功能研究。到目前為止，已有眾多VIGS載體的報(bào)道。其中，應(yīng)用最為廣泛的VIGS載體為煙草脆裂病毒(Tobaccorattlevirus， TRV)[1]。

黃瓜花葉病毒(Cucumbermosaicvirus， CMV)是屬于雀麥花葉病毒科(Bromoviridae)黃瓜花葉病毒屬(Cucumovirus)的典型成員。CMV可侵染包括茄科、十字花科、豆科及葫蘆科等重要經(jīng)濟(jì)作物在內(nèi)的1 000多種植物[2]。CMV基因組由3條正義單鏈RNA(RNA1-3)組成。RNA1和RNA2可直接作為模板翻譯合成1a和2a(RdRp)蛋白，負(fù)責(zé)病毒的復(fù)制；此外，RNA2還通過(guò)其亞基因組RNA4A編碼產(chǎn)生約12～15 ku的2b蛋白。2b ORF 5’端與2a ORF的3’端有240個(gè)堿基的重疊。2b蛋白是一種多功能蛋白，包括病毒致病因子和RNA沉默的抑制子。RNA3編碼3a蛋白(即移動(dòng)蛋白，MP)和外殼蛋白(CP)，負(fù)責(zé)病毒的細(xì)胞間移動(dòng)、長(zhǎng)距離移動(dòng)和病毒粒子的包裝[2-3]。

CMV的VIGS載體能有效地誘導(dǎo)本生煙和玉米植物內(nèi)源mRNA的沉默[4-6]，但是報(bào)道的CMV載體均保留了2b蛋白的N端約80個(gè)氨基酸序列，內(nèi)含RNA沉默抑制子活性的功能域。因此，保留的2b序列有可能會(huì)影響病毒誘導(dǎo)的基因沉默。為此，本試驗(yàn)利用一段八氫番茄紅素脫氫酶(phytoene desaturase， PDS)cDNA完全替換Fny-CMV株系的2b ORF，在本生煙體內(nèi)分析該CMV重組體對(duì)植物內(nèi)源PDS mRNA的沉默效率；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析PDS插入片段的長(zhǎng)度與CMV誘導(dǎo)沉默效率的關(guān)系，以及插入片段的遺傳穩(wěn)定性，從而明確CMV VIGS載體的最適插入片段長(zhǎng)度。

1 材料與方法

1.1 試劑

AMV逆轉(zhuǎn)錄酶、RNA酶抑制劑、高保真PyrobestTMDNA 聚合酶、限制性內(nèi)切酶均購(gòu)于TaKaRa公司。T4 DNA連接酶購(gòu)于NEB公司。RiboMax體外轉(zhuǎn)錄試劑盒、m7GpppG Cap類似物和Klenow大片段均購(gòu)于Promega公司。其他試劑購(gòu)于上海生工。

1.2 植物及其生長(zhǎng)

本生煙(Nicotianabenthamiana)幼苗于22～28 ℃、16 h光周期的植物培養(yǎng)室中培養(yǎng)。

1.3 質(zhì)粒及其構(gòu)建

CMV株系Fny基因組RNA1-3的侵染性克隆pF109、pF209和pF309由Dr. Peter Palukaitis提供[7]。2b缺失質(zhì)粒pF209Δ2b由本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建[8]。根據(jù)前期報(bào)道的方法，構(gòu)建pF209Δ2b-PDS353重組質(zhì)粒。擴(kuò)增片段Ⅰ和片段Ⅲ的PCR引物以及方法完全參照前期描述的方法[8]。片段Ⅱ?yàn)镻DS序列，利用引物NbPDS1437F和NbPDS1879R (表1)，以本生煙的mRNA作為模板，通過(guò)常規(guī)RT-PCR擴(kuò)增獲得353 bp大小的DNA片段。然后，通過(guò)重疊PCR，將片段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ混合作為PCR模板，進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)HindⅢ和PstⅠ酶切，克隆至pF209質(zhì)粒，產(chǎn)生pF209Δ2b-PDS353重組質(zhì)粒。值的一提的是，我們?cè)赑DS片段的上下游分別引入ApaⅠ和MluⅠ克隆位點(diǎn)，便于后續(xù)PDS片段的克隆。

為了構(gòu)建含有不同長(zhǎng)度的PDS片段的重組質(zhì)粒，我們利用不同的上游引物與NbPDS1879R組合，PCR擴(kuò)增獲得104、219、518、750和1 030 bp的PDS DNA片段。經(jīng)ApaI和MluI酶切，克隆至預(yù)先經(jīng)ApaI/MluI酶切的pF209Δ2b-PDS353質(zhì)粒，構(gòu)建產(chǎn)生重組質(zhì)粒PDS104、PDS219、PDS518、PDS750和PDS1030。所有重組質(zhì)粒都經(jīng)測(cè)序確定。

表1 用于構(gòu)建質(zhì)粒PDS重組質(zhì)粒的引物序列

Table 1 List of primers used for constructing PDS recombinant plasmids

引物名稱Primername引物序列Primersequence(5’-3’)質(zhì)粒plasmidsNbPDS760FGGGCCCAGAACTAGGGATTGATGATCPDS1030NbPDS1040FGGGCCCAGGGTGACAGATGAGGPDS750NbPDS1272FGGGCCCAGCTGAATGAGGATGGPDS518NbPDS1437FCCAACAAACAGCGAAAGAATTATTGATA-AGGGCCCTGGGAGTTCCTGTGATAAATGTCPDS353NbPDS1571FGGGCCCCAATCAGTCTATGTTGGAPDS219NbPDS1686FGGGCCCTTTCGGCAGATCAGAGPDS104NbPDS1879RAGATGCGGAAGGGGAGGTTTCAACGCGTCCGACAGGGTTCACAACCT—

1.4 體外轉(zhuǎn)錄和病毒接種

pF109、pF309、pF209及其突變體和PDS重組體經(jīng)PstI酶切線性化，然后利用RiboMax體外轉(zhuǎn)錄試劑盒合成相應(yīng)的RNA。將CMV的三條基因組以1∶1∶1的比例混合，摩擦接種至5～6葉期的本生煙。

1.5 病毒RNA的雜交檢測(cè)

根據(jù)Trizol試劑的使用操作說(shuō)明，提取葉組織總RNA。總RNA經(jīng)nanodrop定量和1×TBE瓊脂糖電泳的質(zhì)量檢測(cè)。總RNA的瓊脂糖-甲醛變性電泳、轉(zhuǎn)膜以及Northern雜交檢測(cè)參考文獻(xiàn)報(bào)道的方法[8]。

1.6 PDS mRNA的相對(duì)定量

利用Trizol試劑提取CMV重組病毒侵染的本生煙光漂白葉組織的總RNA，然后參考先前描述的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)[9]分析PDS mRNA的相對(duì)水平。EF1α作為內(nèi)參基因，引物序列詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。PDS 特異的上下游引物分別為NbPDS405F: 5’-CCACGACCCGAAGATTGAC-3’和 NbPDS511R: 5’-TAACGCCGCCTCCAAATAG-3’。

2 結(jié)果與分析

2.1 CMV沉默載體的構(gòu)建和沉默效率的測(cè)定

CMV 2b蛋白是一個(gè)有效的RNA沉默抑制子，其抑制活性位于其N端61氨基酸[10]，且該蛋白在多數(shù)植物上對(duì)病毒的復(fù)制和移動(dòng)是非必需的[3]，因此，我們將Fny-CMV的2b ORF替換為353 bp的PDS片段，構(gòu)建了pF209Δ2b-PDS353重組質(zhì)粒(圖1-A)。通過(guò)體外轉(zhuǎn)錄，將其與Fny-CMV RNA1和RNA3的體外轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物混合接種本生煙，產(chǎn)生重組病毒Fny-CMVΔ2b-PDS353；同時(shí)，以接種2b基因缺失的突變體Fny-CMVΔ2b作為對(duì)照。在整個(gè)病毒癥狀觀察期間，對(duì)照病毒Fny-CMVΔ2b僅引起輕微的花葉癥狀。然而，接種后7 d，F(xiàn)ny-CMVΔ2b-PDS353侵染引起上部系統(tǒng)葉出現(xiàn)明顯的沿脈褪綠；接種后25 d，以上系統(tǒng)葉則發(fā)展為大面積的光漂白表型(白色箭頭所示，圖1-B)。然而，頂部新生葉僅呈現(xiàn)局部有限的光漂白現(xiàn)象(灰色箭頭所示，圖1-B)。以上結(jié)果表明，在病毒侵染的早中期，F(xiàn)ny-CMVΔ2b-PDS353侵染能有效地誘導(dǎo)上部系統(tǒng)葉中PDS mRNA的沉默，然而，沉默效率在新生葉中受到明顯的抑制。

A， pF209與pF209Δ2b-PDS353的侵染性克隆示意圖；B， 本生煙接種病毒或緩沖液后(mock)的表型，接種25 d后拍照；C， pF209Δ2b-PDS353轉(zhuǎn)接3代后引起的本生煙表型，轉(zhuǎn)接14 d后拍照A， Diagram of infectious constructs pFny209 and its mutant pF209Δ2b-PDS353; B， Phenotype of N. benthamiana plants inoculated with virus or inoculation buffer (mock). The photos were taken at 25 dpi; C， Phenotype of N. benthamiana plant with infection of pF209Δ2b-PDS353 after three passages. The photo was taken at 14 dpi圖1 CMV誘導(dǎo)的PDS沉默F(xiàn)ig.1 PDS silencing induced by CMV

為了分析Fny-CMVΔ2b-PDS353重組病毒的遺傳穩(wěn)定性，對(duì)該病毒進(jìn)行了3次轉(zhuǎn)接本生煙。第三次轉(zhuǎn)接后14 d，接種植物的系統(tǒng)葉同樣表現(xiàn)明顯的光漂白表型(圖1-C)。然后，通過(guò)RT-PCR和測(cè)序分析，結(jié)果表明，插入PDS序列沒(méi)有出現(xiàn)任何片段缺失和突變(數(shù)據(jù)未顯示)，這說(shuō)明該重組病毒在植物體內(nèi)能穩(wěn)定遺傳，而且新生葉中減弱的沉默效率不是由于PDS插入片段的不穩(wěn)定性導(dǎo)致。

2.2 PDS插入片段的大小對(duì)CMV誘導(dǎo)沉默效率的影響

為了分析不同插入片段對(duì)CMV誘導(dǎo)沉默效率的影響，我們將2b ORF系列替換為不同長(zhǎng)度的PDS片段：104 bp(PDS104)、219 bp(PDS219)、353 bp(PDS353，即Fny-CMVΔ2b-PDS353)、518 bp(PDS518)、750 bp(PDS750)和1030 bp(PDS1030)(圖2-A)。將以上重組質(zhì)粒的體外轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物分別與RNA1和RNA3混合接種本生煙。接種后14 d，以上重組病毒在上部系統(tǒng)葉中引起差異的光漂白效果。PDS104幾乎不引起光漂白現(xiàn)象，葉片輕微出現(xiàn)少量的褪綠表型。PDS219則出現(xiàn)大面積褪綠，但光漂白現(xiàn)象不明顯。PDS518表現(xiàn)與PDS353相近的光漂白程度，而PDS750和PDS1030二者表現(xiàn)最為嚴(yán)重的光漂白表型。然而，在頂部的新生葉上，PDS518引起的光漂白最為明顯，而PDS750和PDS1030則與PDS104和PDS219相似，沒(méi)有引起明顯的PDS沉默表型(圖2-B)。

A， pF209Δ2b攜帶不同長(zhǎng)度的PDS插入片段的示意圖；B， 重組病毒在本生煙植物上引起的光漂白表型，接種后25 d拍照；C， 實(shí)時(shí)定量PCR分析重組病毒引起的PDS mRNA的下調(diào)，PDS mRNA 提取自下部呈現(xiàn)光漂白的葉片(非頂葉)A， Diagram of pF209Δ2b harboring PDS inserts in different sizes. B， Photobleaching phenotype on N. benthamiana plants with infection of the recombinant viruses. Photos were taken at 25 dpi. C， Analysis of down-regulation of PDS mRNA by the recombinant viruses using real-time PCR. PDS mRNA was extracted from the leaf tissues showing photobleaching， rather than the top leaves圖2 不同長(zhǎng)度的PDS插入對(duì)CMV誘導(dǎo)PDS沉默效率的影響Fig.2 Effect of PDS insertion in different sizes on CMV-induced PDS silencing

利用熒光定量PCR方法，對(duì)上述表現(xiàn)光漂白表型的上部系統(tǒng)葉(非頂部葉片)中的PDS mRNA水平進(jìn)行相對(duì)定量，結(jié)果如圖2-C所示。PDS104與PDS219侵染分別只降低了11%和25%；PDS353侵染則顯著降低了PDS mRNA水平，降低效率為65%。與mock相比，PDS518、PDS750和PDS1030分別降低了73%、82%和80%。以上結(jié)果說(shuō)明，CMV誘導(dǎo)的PDS沉默效率與PDS插入片段的大小呈一定的相關(guān)性。

2.3 重組病毒的遺傳穩(wěn)定性分析

為分析以上重組病毒的遺傳穩(wěn)定性，對(duì)重組病毒進(jìn)行了3次轉(zhuǎn)接。轉(zhuǎn)接后第14天，通過(guò)Northern雜交對(duì)系統(tǒng)葉中的病毒子代RNA進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示(圖3-A)，在轉(zhuǎn)接的植物中均檢測(cè)到病毒RNA條帶，且各重組病毒間基因組含量沒(méi)有顯著區(qū)別。但是，我們注意到PDS1030、PDS750和PDS518三者的基因組RNA2遷移速率比PDS353快，這與理論大小不相符，說(shuō)明前三者的RNA2很可能發(fā)生PDS片段的缺失。為此，通過(guò)RT-PCR和測(cè)序分析，我們發(fā)現(xiàn)，PDS353、PDS219和PDS104病毒的PDS插入片段沒(méi)有發(fā)生缺失和突變，但是，PDS1030、PDS750和PDS518在插入片段的5’端分別缺失813、542和332 nt(圖3-B)。這些結(jié)果說(shuō)明，CMV作為沉默載體，最適插入片段為350 nt左右。

3 討論

到目前為止，已有多達(dá)40個(gè)植物病毒的VIGS載體報(bào)道[11]，這說(shuō)明許多病毒都具有誘導(dǎo)基因沉默的能力。但是，不同病毒的沉默效率可能存在著差異性。Ratcliff等[1]發(fā)現(xiàn)：相比于馬鈴薯X病毒(Potatovirusx， PVX)、煙草花葉病毒(Tobaccomosaicvirus， TMV)和番茄金花葉病毒(Tomatogoldenmosaicvirus， TGMV)，TRV具有明顯的沉默效率優(yōu)勢(shì)：表現(xiàn)為更高的沉默程度和更久的持續(xù)時(shí)間。PVX不能有效地誘導(dǎo)頂部新生葉的PDS沉默，但是TRV則能有效地誘導(dǎo)沉默，這方面的差異很可能與二者病毒能否侵染植物頂端分生組織有關(guān)[1]。TRV由于其編碼的RNA沉默抑制子16k，使得該病毒能有效地侵染植物的頂端分生組織[12]，但是PVX則不能[1]。

A， RNA 雜交分析病毒子代RNA的積累，總RNA 提取自病毒轉(zhuǎn)接3代后第14天的系統(tǒng)葉；B， CMV病毒中PDS插入片段的缺失示意圖，網(wǎng)格方形代表PDS序列的缺失部分，括號(hào)中數(shù)字代表缺失的堿基數(shù)目，其他數(shù)字表示缺失片段在原插入片段中的位置，灰色代表在病毒基因組中保留的序列部分A， Analysis of viral progeny RNAs by RNA blotting. Total RNA was extracted from the upper systemic leaves at 14 dpi after 3 passages; B， Diagrams of PDS deletion from the PDS inserts in CMV. Rectangles with grids indicate deletion from the inserted PDS fragments. The numbers in brackets indicate deletion size. Other numbers represent the positions of deletion fragment in the original inserts. Gray rectangles indicate the sequence remained in the viral genomes after passages圖3 CMV重組病毒的遺傳穩(wěn)定性分析Fig.3 Analysis of genetic stabilities of CMV recombinants

CMV 2b蛋白是該病毒侵染植物的頂端分生組織所必需的[13]。我們所測(cè)試的CMV沉默載體由于完全缺失2b基因，從而使得CMV重組病毒喪失了侵染本生煙頂端分生組織的能力，這合理地解釋了該CMV沉默載體無(wú)法有效地沉默頂端新生葉組織中PDS的現(xiàn)象。另外一種可能是2b蛋白的缺失，使得病毒無(wú)法克服寄主的抗病毒RNA沉默，導(dǎo)致病毒積累顯著降低[9，14]，從而影響了PDS siRNA在體內(nèi)的豐度。當(dāng)在特定CMV株系的基因組中保留2b N端約80個(gè)氨基酸(包含RNA抑制子的活性結(jié)構(gòu)域)，在其后插入靶標(biāo)的部分序列，能有效地抑制本生煙和玉米植物體內(nèi)相應(yīng)內(nèi)源基因的RNA沉默[4，6]。由此可見(jiàn)，選擇特定CMV 2b蛋白，并保留其抑制子的功能結(jié)構(gòu)域，對(duì)CMV 誘導(dǎo)植物內(nèi)源的基因沉默是有利的。

Burch-Smith等[15]報(bào)道300～500 bp 插入片段的沉默效果最佳。然而，我們發(fā)現(xiàn)，插入片段的長(zhǎng)度與CMV誘導(dǎo)的沉默效率呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，353 nt和518 nt的插入片段均能有效地誘導(dǎo)沉默，但是，750 nt片段的插入達(dá)到最高的沉默效率(圖2)。盡管長(zhǎng)片段的插入增強(qiáng)了沉默效率，但是，插入片段大于518 nt則降低了病毒的遺傳穩(wěn)定性，出現(xiàn)插入片段的丟失(圖3)。外源片段丟失的現(xiàn)象也在侵染玉米的CMV沉默載體中發(fā)生[6]。片段的缺失很可能是由于長(zhǎng)片段的插入影響了病毒基因組的病毒粒子組裝和長(zhǎng)距離運(yùn)輸。基于沉默的效率和穩(wěn)定性，CMV載體的理想插入片段在350 nt左右。

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(責(zé)任編輯 張 韻)

Investigation of efficiency and stability ofCucumbermosaicvirus-based gene silencing vector

XIANG Zhidan， ZHANG Zhenxiao， LI Chao， DU Zhiyou*

(CollegeofLifeSciences，ZhejiangSci-TechUniversity，Hangzhou310018，China)

Virus-induced gene silencing (VIGS) has been widely used for analysis of plant gene function. In this work， using phytoene desaturase (PDS) as an indicator， efficiency ofCucumbermosaicvirus(CMV) as a VIGS vector was investigated to silence PDS mRNA inNicotianabenthamiana. Recombinant viruses were generated by replacing the 2b ORF with a set of PDS fragments， and tested inN.benthamianaplants. Results showed that these recombinants induced photobleaching phenotype in the upper systemic leaves and silencing efficiency was correlated with the length of the PDS inserts in some extents， but they did not cause obvious photobleaching phenotype in the newly top leaves and oversized inserts (≥518 nt) reduced genetic stability of viral genome， leading to partial deletion of the inserts. Thus， the optimal insert is about 350 nt in length for CMV-based VIGS vector.

virus-induced gene silencing;Cucumbermosaicvirus; 2b; phytoene desaturase

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.04.16

2016-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(31470007)

向志丹(1992—)，女，湖北宜昌人，碩士研究生，從事分子植物病毒學(xué)研究。E-mail: wjgqzwwl@qq.com

*通信作者，杜志游，E-mail: duzy@zstu.edu.cn

Q933

A

1004-1524(2017)04-0625-06

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(4): 625-630

向志丹，張震霄，李超，等. 黃瓜花葉病毒基因沉默載體的效率和穩(wěn)定性分析[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，29(4)： 625-630.