李乾玉 王秀美 倪珊珊 王樂 張舒婷 夏朝水 葉煒 陳裕坤 賴鐘雄



摘? 要:以非洲菊‘G088為材料,基于本研究所測序得到的非洲菊轉錄組數據(SRA: SRR9937065)的基礎上,采用RT-PCR技術克隆獲得2個病程相關蛋白1(PR-1)基因,分別命名為GjPR-1-like1和GjPR-1-like2(GenBank登錄號:MW057342和MW057343),GjPR-1-like1和GjPR-1-like2編碼序列長度分別為534 bp和489 bp,可編碼177和162個氨基酸。生物信息學分析表明,GjPR-1-like1屬于堿性不穩定性蛋白,GjPR-1-like2屬于弱酸性穩定蛋白;它們編碼的蛋白質均含有CAP_PR-1和CAP superfamily保守結構域,屬于富含半胱氨酸超家族蛋白,含有信號肽、跨膜結構和磷酸化位點;亞細胞定位表明均位于液泡中。PR-1基因在不同組織(葉、葉柄和根)、不同激素與逆境(SA、MeJA、ABA、NaCl)以及根腐病病原菌處理非洲菊的表達模式分析結果表明,GjPR-1-like1和GjPR-1-like2均在葉片中表達水平最高,在SA、MeJA、ABA和NaCl脅迫以及根腐病病原菌處理下,均顯著影響GjPR-1-like1和GjPR-1-like2的表達水平。研究表明,GjPR-1-like1和GjPR-1-like2可能參與調控非洲菊生長發育過程,尤其是葉片的發育過程;且可能參與了非洲菊生物及非生物脅迫過程,尤其在響應非洲菊根腐病的抗病防御過程中發揮了一定的作用。
關鍵詞:非洲菊;病程相關蛋白1;基因克隆;激素;根腐病
中圖分類號:Q949.783.5????? 文獻標識碼:A
Cloning and Expression Analysis of PR-1 Genes in Gerbera jamesonii
LI Qianyu1, WANG Xiumei1, NI Shanshan1, WANG Le1, ZHANG Shuting1, XIA Chaoshui2, YE Wei2, CHEN Yukun1*, LAI Zhongxiong1*
1. Institute of Horticultural Biotechnology, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China; 2. Sanming Academy of Agricultural Sciences, Sanming, Fujian 365000, China
Abstract: In this study, based on the transcriptome database of Gerbera jamesonii (SRA: SRR9937065), we successfully cloned two PR-1 genes, named as GjPR-1-like1 and GjPR-1-like2 (GenBank accession number: MW057342 and MW057343), from G. jamesonii cv.‘G088 using the RT-PCR method. The coding sequence of GjPR-1-like1 and GjPR-1-like2 was 534 bp and 489 bp, encoding 177 and 162 amino acids. Bioinformatics analysis indicated that GjPR-1-like1 and GjPR-1-like2 were belonged to the basic unstable protein and acid stable protein; all the two GjPR-1s possessed CAP_PR-1 and CAP superfamily conserved domain, belonged to cysteine-rich secretory super family proteins and contained signal peptide, transmembrane structure and phosphorylation sites; subcellular localization indicated that they both located in the vacuole. The expression patterns of PR-1 in different tissues (including leaf, petiole and root), and under different adversity stresses (including SA, MeJA, ABA, NaCl treatments) and Phytophthora cryptogea treatments in Gerbera transplant seedlings, the results showed that both GjPR-1-like1 and GjPR-1-like2 showed the highest expression level in the leaf. Under stress conditions of SA, MeJA, ABA, NaCl treatments and P. cryptogea treatments, the expression level of GjPR-1-like1 and GjPR-1-like2 were significantly changed. GjPR-1-like1 and GjPR-1-like2 may participate in the regulation of the growth and development process of G. jamesonii particularly in leaf development, and were concerned with biotic stresses and abiotic stresses, especially play a certain role in the process of disease resistance and defense in response to the gerbera P. cryptogea interaction.
Keywords: Gerbera jamesonii; pathogenesis-related protein 1; gene clone; hormone; Phytophthora cryptogea
DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.07.006
植物生長發育的過程中會面臨多種病毒、真菌以及外界脅迫的侵襲。為了保護自己免受侵襲,植物細胞壁硬化并產生抗菌化合物(植物抗毒素)和抗菌蛋白[1-2],啟動體內的防御機制。植物病程相關蛋白(pathogenesis-related proteins,PRs)是植物在受病原菌侵染過程中誘導產生的[3],在植物抗病過程中發揮重要作用。根據PRs蛋白家族的類型及特性主要歸納為17個家族[4-5],其中PR-1家族是PRs家族中重要的多基因家族,屬于富含半胱氨酸的分泌蛋白、抗原5和病程相關蛋白1超家族(CAP superfamily)[6],并且進化上高度保守。PR-1基因通常被認為是植物抗病性和系統獲得性抗性的標志基因[7-8],能夠參與植物防御病原菌攻擊的過程[9]。某些PR-1蛋白的防御功能通過在轉基因植物中過量表達已得到證實,如過表達PR-1會增強植物對真菌[10]、卵菌[11]和細菌[12-13]的抗性,但對病毒的抗性沒有增加[14]。對于多基因家族PR-1蛋白的研究表明,并不是所有PR-1基因都能夠表現出一定的抗病性。番茄中與PR-1家族相關的3種不同的堿性14 kDa蛋白質P14a、P14b和P14c在體外和體內條件下均顯示出抗真菌活性[15],而在蘋果中轉入PR-1a、PR-1b和PR-1c后,蘋果幼苗并未表現出抗病特性[16]。PR-1蛋白除具有抗病功能以外,在植物正常的生長發育、響應激素誘導和非生物逆境脅迫等過程也發揮著重要作用。例如,PR-1蛋白被證明主要在成花植物衰老的葉子中[17]以及在正在發育的花的萼片中積累[18]。研究發現水稻OsPR1a和OsPR1b基因不僅響應茉莉酸(JA)、水楊酸(SA)、過氧化氫(H2O2)和稻瘟病菌(Magnapor theoryzae)等的誘導,還能夠響應化學試劑和環境脅迫的誘導[19-21]。番茄PR-1家族在干旱脅迫下所有成員均上調表達,表明SlPR-1基因積極響應干旱脅迫并發揮了一定作用[22]。綜上所述,PR-1基因不僅能增強多種植物的抗病性,還能提高抵御生物或非生物脅迫的能力,具有重要的研究意義。
非洲菊(Gerbera jamesonii)是多年生的草本花卉,屬菊科(Compositae)大丁草屬(Gerbera)。因花朵大、顏色艷麗等特點深受人們喜愛,但是隨著其種植面積的擴大和管理粗放,病蟲害問題也日益凸顯。研究表明根腐病是影響非洲菊生長的重要病害之一[23],因此,研究非洲菊抗病相關基因有助于進一步解決非洲菊抗病機理的相關難題,對非洲菊根腐病防治策略的選擇有重要意義。本研究以非洲菊‘G088移栽苗為材料,結合本研究所的轉錄組數據庫,對非洲菊2個PR-1基因進行克隆及生物信息學分析,采用qRT-PCR技術檢測在不同組織、不同激素、不同逆境處理和隱地疫霉菌處理下非洲菊PR-1基因的表達水平,以期為非洲菊抗病機制的后續研究提供理論依據。
1? 材料與方法
1.1? 材料
實驗所用‘G088非洲菊移栽苗由福建省三明市農業科學研究院夏朝水提供。非洲菊根腐病病原菌隱地疫霉由本實驗室從非洲菊病株分離鑒定[24]。
非洲菊不同處理試驗方法如下:(1)分別取同一株非洲菊根、莖和葉片,備用。(2)水楊酸(SA)、茉莉酸甲酯(MeJA)和脫落酸(ABA)處理:分別使用5 mmol/L的SA、100 μmol/L的MeJA和100 μmol/L的ABA溶液噴施于非洲菊葉片,直至葉片滴水,于處理后0、6、12、24、48、72 h取葉片。(3)鹽脅迫處理:使用200 μmol/L的NaCl溶液一次性澆灌移栽苗,于處理后0、4、8、12、48 h取葉片。(4)根腐病菌接種非洲菊:參考郝向陽等[25]的方法,將非洲菊移栽苗置于隱地疫霉菌液中2 h后移栽,并于處理后0、2、4、6 d取根系。所有處理材料取樣后均置于液氮中,存放于?80 ℃冰箱中備用。
1.2? 方法
1.2.1? 總RNA的提取及cDNA合成? 采用Trizol試劑盒提取非洲菊根、葉柄和葉片的總RNA,使用超微量分光光度計測定RNA濃度及吸光值(OD值),以OD500nm值1.8~2.0為最佳。參照Thermo Scientific RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒說明書,反轉錄獲得cDNA第一鏈用于PCR擴增;參照TransScript All-in-One First-Strand cDNA Synthesis SuperMix for qPCR試劑盒說明書反轉錄合成不同處理樣品的cDNA用于qRT-PCR反應。
1.2.2? 基因克隆? 利用本實驗室非洲菊轉錄組測序數據,通過轉錄組NT、NR和Swiss-Prot數據庫進行關鍵詞“Pathogenesis-related protein 1”的檢索,獲得2條PR-1基因序列c33369_g1和c40036_g1,并設計用于基因PCR擴增的引物(表1)。以非洲菊‘G088葉片cDNA為模板進行PCR擴增。PCR反應體系如下:94 ℃預變性3 min;94 ℃變性30 s,56 ℃退火30 s,72 ℃延伸2 min,共34個循環;72 ℃延伸10 min。PCR擴增獲得目的條帶后,使用Gel/PCR Extraction Kit試劑盒進行膠產物回收,pMD18-T載體連接目的片段后轉化大腸桿菌感受態細胞DH5α的轉化,隨后挑選陽性克隆送至北京六合華大基因科技股份有限公司進行測序。
1.2.3? 生物信息學分析? 使用在線軟件對克隆的2個PR-1基因編碼蛋白進行基本理化性質分析(Expasy,https://web.expasy.org/protparam/)、保守結構域分析(CDD,https://www.ncbi.nlm.nih. gov/Structure/cdd/cdd.shtml)、信號肽預測(SignalP 5.0 Server,http://www.cbs.dtu.dk/ser?vi?ces/SignalP/)、亞細胞定位預測(Plant-mPLoc Server,http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant- multi/#)、跨膜結構預測(TMpred,http://www.cbs. dtu.dk/ services/TMHMM/)、磷酸化位點預測(NetPhos 3.1 Sever,http://www.cbs.dtu.dk/serv?ices/Net?Phos/)蛋白二級結構預測(SOPMA,https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/secpred_sopma. pl)。通過在線網站NCBI分析2個非洲菊PR-1基因的氨基酸序列;從TAIR下載擬南芥、萵苣、葡萄等14種物種的PR-1蛋白序列,其次利用在線網站NCBI Blastp比對并下載與非洲菊PR-1高度同源的12個不同物種的PR-1蛋白序列,利用MEGA-X軟件,使用鄰近法(Neighbor-joining method)構建系統進化樹。
1.2.4? 非洲菊PR-1基因熒光定量表達分析? 參照郝向陽等[25]的方法,以非洲菊18sRNA為內參基因,以克隆獲得的序列設計qRT-PCR的上、下游引物(表1),采用羅氏480(Light?Cycler480)儀器進行相對表達分析。qRT-PCR反應體系為20 μL,反應程序設置為:95 ℃預變性30 s;95 ℃變性10 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共45個循環。每個樣品進行3次重復,檢測不同處理下兩個PR-1基因在非洲菊中的表達情況。相對表達量用2?CT法計算得出,并使用Excel軟件進行數據統計、SPSS 24.0軟件的Duncan法進行差異顯著性分析(P<0.05)及Graphpad軟件進行繪圖。
2? 結果與分析
2.1? 非洲菊PR-1基因克隆
以非洲菊cDNA為模板,利用設計的引物進行PCR擴增,凝膠電泳結果顯示(圖1),在500 bp
左右處均有1條清晰的條帶,大小與預期結果一致,膠回收、TA克隆、挑取單克隆后進行測序。利用DNAMAN 6軟件,將測序獲得的2條PR-1基因序列分別與非洲菊轉錄組對應的c33369_g1
和c40036_g1基因序列比對分析,相似度分別達99.26%和98.98%,CDS長度分別為534 bp和501 bp,預測可分別編碼177和162個氨基酸(圖2)。利用NCBI Blastn比對發現,c33369_g1與大薊PR-1-like相似度最高,達到80.43%;c40036_g1與萵苣PR-1 type-like的相似度最高,達到80.90%,將c33369_g1和c40036_g1基因分別命名為GjPR-1-like1和GjPR-1-like2,GenBank登錄號分別為MW057342、MW057343。利用軟件DANMAN對擬南芥、水稻、番茄、向日葵和橡膠樹等5種植物PR-1蛋白的氨基酸序列進行序列比對分析發現(圖3),盡管不同植物PR-1蛋白的N末端氨基酸序列存在較大差異,但在其C末端氨基酸序列高度保守,均含有標志PR-1家族的6個保守的半胱氨酸,且不同植物PR-1基因的長度相差不大,進一步表明了PR-1基因在進化上的保守性。
2.2? 生物信息學分析
蛋白理化性質預測分析表明,GjPR-1-like1蛋白分子式為C898H1371N263O239S12,蛋白分子量為20 060.10 Da,原子總數為2783,不穩定系數53.03,脂肪指數62.94,等電點為10.15,平均親水系數為?0.356,屬于堿性不穩定性蛋白。GjPR-1-like2蛋白分子式為C785H1176N222O239S10,蛋白分子量為17 867.92 Da,原子總數為2432,不穩定系數22.86,脂肪指數71.67,等電點為5.60,平均親水系數為?0.301,屬于弱酸性穩定蛋白。推測GjPR-1-like1和GjPR-1-like2均屬于親水性蛋白。GjPR-1-like1蛋白的甘氨酸(Gly)含量最高,達10.2%,其次是精氨酸(Arg)為9.6%;GjPR-1-like2蛋白的甘氨酸(Gly)含量最
高,達10.2%,其次是精氨酸(Arg),為9.6%。
由表2可知,GjPR-1-like1和GjPR-1-like2蛋白均有信號肽,GjPR-1-like1的信號肽序列在第1~26個氨基酸,GjPR-1-like2的信號肽序列在第1~23個氨基酸。蛋白的亞細胞定位預測發現GjPR-1-like1和GjPR-1-like均定位于液泡。GjPR-1-like1和GjPR-1-like2均有由內向外和由外向內的跨膜結構。磷酸化位點預測顯示,GjPR-1-like1共有13個磷酸位點,GjPR-1-like2共有20個磷酸位點。蛋白二級結構預測發現GjPR-1-like1和GjPR-1-like2的主要組成原件均為α-螺旋、延伸鏈和無規卷曲。
保守結構域預測分析發現(圖4),GjPR-1- like1和GjPR-1-like2都包含1個CAP_PR-1結構域,也包含1個CAP superfamily結構域,2個非洲菊PR-1蛋白均屬于富含半胱氨酸超家族蛋白。對非洲菊GjPR-1-like1和GjPR-1-like2的motif預測發現,2個PR-1蛋白質含有相同的9個motif,推測非洲菊PR-1可能存在功能冗余。
系統進化樹結果顯示(圖5),非洲菊GjPR-1-like1基因編碼的蛋白與擬南芥PR-1-like聚類在一起,GjPR-1-like2基因編碼的蛋白與煙草PRP-1聚類在一起;非洲菊PR-1與擬南芥PR-1親緣關系更近,而與水稻和玉米2種單子葉植物親緣關系相對較遠,推測在生物學功能上有著一定聯系。
2.3? GjPR-1-like1和GjPR-1-like2基因在不同組織的表達分析
為明確2個PR-1基因在非洲菊不同組織的表達情況,采用熒光定量PCR檢測基因相對表達量。由圖6A分析發現,在非洲菊不同組織中GjPR-1- like1和GjPR-1-like2的相對表達量存在顯著差異。GjPR-1-like1和GjPR-1-like2基因均在葉片中表達水平最高,葉柄次之,根最少。GjPR-1-like1在葉柄和根的表達量約為葉片中的70.82%和26.21%,GjPR-1-like2在葉柄和根的表達量約為葉片中的40.38%和15.29%。
2.4? 非生物脅迫下GjPR-1-like1和GjPR-1-like2的表達情況
SA處理下(圖6B),GjPR-1-like1和GjPR- 1-like2基因的表達受SA顯著誘導,總體呈現先升后降的趨勢,且均高于對照組(0 h)的表達水平。GjPR-1-like1和GjPR-1-like2于處理后12 h表達量均達到峰值,分別約為對照組的6倍和7.8倍(P<0.05),隨后逐漸降低。
MeJA處理下(圖6C),GjPR-1-like1和GjPR-1-like2基因的表達均受到促進作用,但在響應MeJA的時間上存在差異。GjPR-1-like1于處理后6 h表達量達到峰值,約為對照組的9.5 倍(P<0.05),后逐漸下降,總體呈現出逐漸降低趨勢。GjPR-1-like2于處理后12 h表達量達到峰值,約為對照組的5.3倍(P<0.05),總體呈現先升后降趨勢。可見,GjPR-1-like1較GjPR-1-like2響應MeJA誘導表達更迅速。
ABA處理下(圖6D),GjPR-1-like1的表達受到顯著促進,12 h表達量達到峰值,約為對照組的6.6倍(P<0.05)。GjPR-1-like2在6 h時表達受抑制,表達量僅為對照組的62.86%,表達水平在處理12 h后開始回升,于24 h表達量達到峰值,約為對照組的5.73倍(P<0.05)。
鹽脅迫條件下(圖6E),GjPR-1-like1在表達早期受抑制,于處理8 h后回升達到表達量峰值,約為對照組的2.15倍(P<0.05),隨后逐漸降低且24 h和48 h的表達量均低于對照組。GjPR-1-like2的表達總體呈現逐漸下降趨勢,處理4 h和8 h的表達量分別為對照組的1.65倍和1.52倍,之后表達水平顯著受到抑制作用且均低于對照組。
2.5? 隱地疫霉處理下GjPR-1-like1和GjPR-1- like2的表達情況
非洲菊接種根腐病病原菌隱地疫霉不同時間后,GjPR-1-like1和GjPR-1-like2基因的表達均受顯著誘導(圖6F),且表達量均高于對照組。GjPR-1-like1于處理2 d的表達量達到峰值,約為對照組的14.8倍(P<0.05),GjPR-1-like2于處理4 d的表達量達到峰值,約為對照組的31.5倍(P<0.05),GjPR-1-like1較GjPR-1-like2響應隱地疫霉脅迫更迅速。以上結果說明GjPR-1-like1和GjPR-1-like2參與了非洲菊的抗病反應過程。
3? 討論
近年來,PR-1基因已在多種植物中被克隆得到,如小麥[26]、玉米[27]、牡丹[28]、桑樹[29]和白菜[30]等,本研究利用RT-PCR技術克隆得到2個非洲菊基因GjPR-1-like1和GjPR-1-like2,可分別編碼177和162個氨基酸,均含有標志PR-1家族的6個保守的半胱氨酸,且經同源性比對分析發現,非洲菊GjPR-1-like1和GjPR-1-like2序列與擬南芥、番茄和單子葉植物水稻都高度同源,這些結果進一步表明PR-1基因在不同植物中具有較高的保守性。本研究推測GjPR-1-like1蛋白為堿性,GjPR-1-like2蛋白為酸性,理論上PR-1家族中的堿性蛋白具有較強的抗真菌活性[5],如胡椒[31]中等電點約為8.5的堿性PR-1蛋白對病原體和生物逆境脅迫的抗性顯著增強,而Niderman等[15]的研究表明番茄中的抗病PR-1蛋白是酸性蛋白。因此,不同物種中PR-1蛋白存在功能多樣性,PR-1蛋白的抗病特性不能僅依據pI值或序列同源性來判斷。
PR-1基因在許多植物的不同組織及不同生長發育階段的表達情況存在差異。如在水稻正常葉片生長過程中PR-1家族蛋白分為苗期表達量最高及最低2種表達模式[32];在番茄根部和衰老葉片中SlPR-1基因的表達量相對較高,在莖、幼葉和成熟葉片中表達量相對較低[33]。本研究結果發現,非洲菊GjPR-1-like1和GjPR-1-like2基因在葉片中表達量相對較高。侯麗霞等[34]研究表明的葡萄葉片中VvPR-1表達量最高。2個非洲菊PR-1基因表達的組織特異性,表明其可能參與調控非洲菊的生長發育過程,在非洲菊葉片生長或免疫防御過程中可能發揮比較重要的作用。
PR-1是SA信號傳導途徑的SAR抗病機制的標志基因[35],該基因不僅能夠響應植物激素(SA、JA和ABA等)和鹽等多種非生物脅迫條件,還能夠被病原菌誘導表達,在植物抗病防御過程中發揮著重要作用。研究發現,SA、JA和ABA均能誘導葡萄VvPR-1的表達,且對于3種植物激素存在響應速度的差異[34];Gao等[36]研究表明小麥PR-1基因能夠積極響應乙烯(EH)、脫落酸(ABA)以及茉莉酸甲酯(MeJA)的誘導表達;此外,在費爾干豬毛菜研究中也同樣顯示出SfPR1a基因在脫落酸(ABA)、茉莉酸(JAs)、乙烯合成直接前體(ACC)等相關激素脅迫及鹽處理下能夠被誘導表達[37]。以上研究結果均表明PR-1基因參與了植物對逆境脅迫的應答。本研究結果顯示,在SA、MeJA、ABA和鹽脅迫條件下GjPR-1-like1和GjPR-1-like2確實能夠積極響應表達,這與許多植物PR-1基因積極響應以上非生物脅迫的反應一致[38],推測PR-1基因可能在不同信號途徑的復雜應答網絡中起到聯結作用,但不同植物的PR-1基因響應植物激素和脅迫條件的表達模式存在一定差異,推測可能與PR基因參與不同調控機制有關。
在植物抗病方面,研究證實將PR1-a轉入煙草能顯著增強煙草對霜霉病菌和黑脛病菌的抗性[11];將辣椒CaBPR1在煙草中過表達后能增強煙草對多種病菌的抵抗能力[12];轉入桑樹MuPR1-2基因的擬南芥對灰霉菌有較強的抗性[29]。本研究中,用根腐病病原菌隱地疫霉接種非洲菊,發現GjPR-1-like1和GjPR-1-like2均受隱地疫霉顯著誘導,分別在接種2 d和4 d時的表達量達峰值,GjPR-1-like1較GjPR-1-like2響應隱地疫霉脅迫更迅速,說明它們均能響應根腐病病原菌的誘導表達,但這2個基因是否具有抗根腐病的功能,還需進一步研究PR-1基因在非洲菊抗根腐病中的作用機制。
綜合以上研究表明:GjPR-1-like1和GjPR-1- like2基因主要在葉片中表達,可能參與調控非洲菊的生長發育過程,其還能對植物激素SA、MeJA和ABA、鹽脅迫和隱地疫霉脅迫作出應答,推測GjPR-1-like1和GjPR-1-like2可能參與了非洲菊生物及非生物脅迫過程,但在非洲菊抗逆抗病反應中的具體功能與調控機制等需要進一步研究,以期為PR-1基因在非洲菊抗病育種研究中的應用提供理論依據。
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責任編輯:黃東杰