劉 意 劉泓江 陳培茹 楊新筍 雷 劍 王連軍 柴沙沙 靳曉杰 楊圓圓 程賢亮 焦春海* 張文英
(1.長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025; 2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所,武漢 430064)
甘薯(Ipomoea
batatas
(L.)Lam.)是我國重要的糧食、飼料、工業(yè)原料和生物質(zhì)能源作物,是世界第七大糧食作物。甘薯蔓割病又稱鐮刀菌枯萎病(Fusarium
wilt),是一種真菌性病害,是我國南方甘薯種植區(qū)的主要病害。選育和種植抗病品種是目前最經(jīng)濟(jì)有效且綠色環(huán)保的防治措施。探究抗病分子機(jī)理可提高抗病種質(zhì)資源的利用效率。WRKY家族作為植物中一類重要的轉(zhuǎn)錄因子,在植物抵御逆境脅迫中起著重要的調(diào)控作用。IbSPF1
是第1個被克隆的WRKY基因,來自于普通栽培甘薯‘高系14’。目前針對水稻(Oryza
sativa
)和擬南芥(Arabidopsis
thaliana
)中的WRKY研究較多。水稻的OsWRKY22
、OsWRKY30
和OsWRKY45
均正調(diào)控水稻對稻瘟病菌(Magnaporthe
grisea
)的應(yīng)答反應(yīng)。OsWRKY28
和OsWRKY76
均負(fù)調(diào)控水稻對稻瘟病菌的應(yīng)答反應(yīng)。AtWRKY25
在水楊酸介導(dǎo)的紫丁香假單胞菌(Pseudomonas
syringae
)防御反應(yīng)中發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用。同樣,AtWRKY38
和AtWRKY62
被證明負(fù)向調(diào)控擬南芥對紫丁香假單胞菌的抗性。相反,AtWRKY33
超表達(dá)可提高擬南芥對腐生型病原菌灰霉病菌(Botrytis
cinerea
)和黑斑病菌(Alternaria
brassicicola
)的抗性。已有研究表明WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物抵御生物脅迫中既存在正向調(diào)控又有負(fù)向調(diào)控作用。目前已報道與甘薯抗蔓割病相關(guān)的基因有IbSWEET10
和IbBBX24
。有關(guān)在甘薯抗蔓割病病原菌侵染后甘薯的WRKY轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)模式研究尚未見報道。本研究以‘鄂薯11’為試驗材料,克隆1個新的WRKY家族基因IbWRKY7
,進(jìn)行生物信息學(xué)分析;并對甘薯不同抗病品種在病原菌侵染后該基因的表達(dá)模式進(jìn)行分析,旨在探究甘薯響應(yīng)蔓割病病原菌侵染過程中IbWRKY7
基因的表達(dá)模式,以期為揭示甘薯蔓割病抗性機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)。‘鄂薯11’是湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所自主選育的高抗蔓割病甘薯品種;‘栗子香’是甘薯蔓割病敏感品種,由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘薯研究所選育。
田間剪取健康的‘鄂薯11’和‘栗子香’薯苗主莖頂部約16 cm莖段,置于裝有清水的三角瓶(100 mL)中生長,選取生長狀態(tài)一致的健康植株,用無菌剪刀制造新的傷口,將傷口在孢子濃度為1×10個的菌液中持續(xù)浸泡。分別在侵染0、2、4、12、24、48、72、96和120 h后取莖基部(4 cm),進(jìn)行液氮速凍后保存至-80 ℃超低溫冰箱,每個處理3個重復(fù)。試驗在(28±1) ℃光照生長室(16 h光照/8 h黑暗,光照強(qiáng)度為3 000 Lx)中進(jìn)行。
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甘薯總RNA提取及cDNA合成使用北京天漠科技開發(fā)有限公司總RNA提取試劑盒提取‘鄂薯11’和‘栗子香’總RNA。用超微量分光光度計檢測總RNA的濃度。采用TransScriptAll-in-One First-Strand cDNA Synthesis SuperMix for qPCR(One-Step gDNA Removal)試劑盒(北京全式金生物技術(shù)有限公司,中國)反轉(zhuǎn)錄合成cDNA第一鏈,-20 ℃存放,備用。
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IbWRKY7
基因克隆基于有參轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中篩選基因ID g1093的WRKY家族基因,Nr數(shù)據(jù)庫(ftp:∥ftp.ncbi.nlm.nih.gov/blast/db/)注釋結(jié)果為WRKY
7基因。利用基因ID在六倍體甘薯參考基因組數(shù)據(jù)庫(https:∥ipomoea-genome.org/)中檢索獲得甘薯IbWRKY7
基因的CDS序列。利用Primer 5.0軟件在參考序列CDS序列兩端設(shè)計特異性引物即IbWRKR7-CDS-F
: ATGGCAGTGGACCTTATGATGG;IbWRKR7-
CDS-R
: CTAAGAAGACTCTAAGATTAAACTGT。利用 PCR擴(kuò)增試劑盒TaKaRa La Taq(寶日醫(yī)生物技術(shù)(北京)有限公司)進(jìn)行PCR擴(kuò)增, PCR 反應(yīng)程序如下:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性30 s,53 ℃復(fù)性30 s,72 ℃延伸1.5 min,35個循環(huán);72 ℃延伸10 min;4 ℃保存。PCR目的產(chǎn)物回收、純化后,連接到pMD19-T 載體(寶日醫(yī)生物技術(shù)(北京)有限公司),轉(zhuǎn)化DH-5α大腸桿菌感受態(tài)(北京全式金生物技術(shù)有限公司),挑選單克隆搖菌后,進(jìn)行菌液PCR鑒定。挑選陽性單克隆送奧科鼎盛生物技術(shù)有限公司(武漢)進(jìn)行測序。
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IbWRKY7
基因序列的生物信息學(xué)分析利用NCBI網(wǎng)站(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/)Blastp程序進(jìn)行氨基酸序列比對查找同源蛋白;利用DNAMAN V6.0軟件進(jìn)行多序列比對;采用MEGA 7.0軟件的Neighbor-joining法(bootstrap為1 000)構(gòu)建同源序列系統(tǒng)進(jìn)化樹;利用在線軟件Expasy(https:∥web.expasy.org/protparam/)網(wǎng)站分析氨基酸的分子量、等點電(pI)、不穩(wěn)定系數(shù)和親水性;利用CELLO(http:∥cello.life.nctu.edu.tw/)、Cell-PLoc 2.0(http:∥www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/Cell-PLoc-2/)以及PSORT II (https:∥psort.hgc.jp/form2.html)等多種在線網(wǎng)站完成亞細(xì)胞定位; Plant CARE(http:∥bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)在線工具分析啟動子的順式作用元件,并利用GSDS 2.0(http:∥gsds.gao-lab.org/index.php)在線工具繪圖。
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IbWRKY7
基因表達(dá)分析利用BIO-RAD CFX96實時熒光定量PCR儀(伯樂生命醫(yī)學(xué)產(chǎn)品(上海)有限公司)對甘薯進(jìn)行實時熒光定量PCR分析。利用Primer 5.0軟件設(shè)計IbWRKY7
熒光定量特異性引物,引物序列分別為IbWRKY7-F
: CCCGTCGTTTCTTCTTTGC、IbWRKY7-R
: GAGGCGGAACTTGCTGAATC,以甘薯β肌動蛋白基因為內(nèi)參基因,β
-Actin
的擴(kuò)增引物為β
-Actin
-F
:AGCAGCATGAAGATTAAGGTTGTAGCAC、β
-Actin
-R
:TGGAAAATTAGAAGCACTTCCTGTGAAC。利用PerfectStartGreen qPCR SuperMix試劑盒(北京全式金生物技術(shù)有限公司)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,每個反應(yīng)3次重復(fù)。熒光定量PCR反應(yīng)程序如下:94 ℃預(yù)變性30 s,94 ℃變性5 s,58 S退火30 s,40個循環(huán);溶解曲線設(shè)置為65 ℃ 5 s到95 ℃,增量為0.5 ℃/循環(huán)。1
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數(shù)據(jù)分析利用2法計算IbWRKY7
基因相對表達(dá)量并使用DPS 7.5統(tǒng)計軟件對‘鄂薯11’和‘栗子香’的9個侵染時間點的莖部IbWRKY7
基因的表達(dá)量進(jìn)行雙因素方差分析和顯著性檢驗,P
<0.05表示差異顯著。IbWRKR7-CDS-F
和IbWRKR7-CDS-R
進(jìn)行PCR擴(kuò)增。由圖1可知, PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測得到約900 bp的單一條帶,與預(yù)期大小一致。將測序正確的CDS序列翻譯成蛋白序列,并在NCBI在線數(shù)據(jù)庫中對其蛋白序列進(jìn)行blastp比對,與其他植物WRKY7蛋白同源性最高,這與Nr數(shù)據(jù)庫注釋信息吻合,因此將其命名為IbWRKY7
。由表1可知,IbWRKY7
的CDS序列長度為945 bp,編碼314個氨基酸;預(yù)測蛋白分子量為33.92 kU,pI 9.82,IbWRKY7
編碼不穩(wěn)定的親水性蛋白。IbWRKY7
基因上游2 000 bp區(qū)域序列進(jìn)行分析,序列中含有啟動子的基本作用元件外,還存在多個與抗逆相關(guān)的順式作用元件(圖2),包括3個茉莉酸甲酯應(yīng)答元件(CGTCA-motif、G-box和TGACG-motif),1個脫落酸應(yīng)答元件(ABRE),1個生長素應(yīng)答元件(TGA-element),1個防御和應(yīng)激反應(yīng)元件(TC-rich),2個脅迫響應(yīng)元件(MYB和MYC)等(表2),說明該基因可能與甘薯的抗逆性相關(guān)。
M,DNA標(biāo)準(zhǔn)DL 2 000;1,IbWRKY7基因的擴(kuò)增產(chǎn)物。 M, DL 2 000 DNA Marker; 1, Products of IbWRKY7 gene.圖1 甘薯IbWRKY7基因的克隆Fig.1 Cloning of IbWRKY7 gene from sweet potato
表1 甘薯基因序列分析
Table 1 Sequence analysis of sweet potato
基因名稱Gene name長度/bpLength氨基酸數(shù)目Number ofamino acid蛋白分子量/kUProtein molecularweight等電點pI不穩(wěn)定系數(shù)Instabilityindex親水性值Grand average ofhydropathicityIbWRKY794531433.929.8246.04-0.461

圖2 IbWRKY7啟動子區(qū)的順式作用元件分布Fig.2 Distribution of IbWRKY7 promoter cis-acting elements
表2 基因啟動子抗逆相關(guān)順式作用元件
Table 2 -acting elements related to stress tolerance detected in the promoter region of
編號Code元件Element核心序列Core sequence數(shù)量Number功能Function1TC-rich repeatsATTCTCTAAC2防御和脅迫應(yīng)答元件Cis-acting element involved in defense and stress responsiveness2W-boxTTGACC4激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)Hormone signal transduction3CGTCA-motifCGTCA1茉莉酸甲酯應(yīng)答元件Cis-acting regulatory element involved in the MeJA-responsiveness4G-boxCACGTG1茉莉酸甲酯應(yīng)答元件Cis-acting regulatory element involved in the MeJA-responsiveness5TGACG-motifTGACG1茉莉酸甲酯應(yīng)答元件Cis-acting regulatory element involved in the MeJA-responsiveness6TGA-elementAACGAC1生長素應(yīng)答元件Cis-acting regulatory element involved in auxin responsiveness7ABREACGTG2脫落酸應(yīng)答元件Cis-acting element involved in salicylic acid responsiveness8MYCCATTTG6脅迫響應(yīng)元件Cis-acting element involved in stress responsiveness
表2(續(xù))
編號Code元件Element核心序列Core sequence數(shù)量Number功能Function9MYBCAACCA5脅迫響應(yīng)元件Cis-acting element involved in stress responsiveness10AREAAACCA3厭氧誘導(dǎo)順式調(diào)節(jié)元件Cis-acting regulatory element essential for the anaerobic induction11as-1TGACG1植物激素應(yīng)答元件Cis-acting element involved in hormone responsiveness12MybTAACTG2植物激素應(yīng)答元件Cis-acting element involved in hormone responsiveness
由圖3可知,與其他植物的WRKY7蛋白進(jìn)行多重序列比對表明,10個WRKY7蛋白均有WRKY家族共有特點,即包含1個WRKY七肽保守序列(WRKYGQK)和1個CHC(C-X-C-X-H-X-C)的鋅指結(jié)構(gòu)。IbWRKY7與其他9個WRKY7氨基酸序列具有相似性。由圖4可知,甘薯IbWRKY7與日本牽牛花InWRKY7和三裂葉薯ItWRKY7親緣關(guān)系最近,與葡萄VvWRKY7、蘋果MdWRKY7以及櫻桃PaWRKY7等親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

Ib,甘薯; It,三裂葉薯(XP_031117517.1);St,馬鈴薯(XP_006339860.1);In,日本牽牛花(XP_019183704.1);Ca,辣椒(XP_016561025.1);Sp,野生種番茄(XP_015063634.1);Nt,煙草(NP_001312942.1);Pa,櫻桃(XP_021802303.1);Md,蘋果(XP_008384448.2); Vv,葡萄(XP_002283219.1)。下同。紅色框代表鋅指結(jié)構(gòu)域,藍(lán)色框代表WRKY結(jié)構(gòu)域。 Ib: Ipomoea batatas (L.) Lam; It: Ipomoea triloba (XP_031117517.1); St: Solanum tuberosum (XP_006339860.1); In: Ipomoea nil (XP_019183704.1); Ca: Capsicum annuum (XP_016561025.1); Sp: Solanum pennellii (XP_015063634.1); Nt: Nicotiana tabacum (NP_001312942.1); Pa: Prunus avium (XP_021802303.1); Md: Malus domestica (XP_008384448.2); Vv: Vitis vinifera (XP_002283219.1). The same below. The red box represents the zinc finger domain. The blue box represents the WRKY domain.圖3 IbWRKY7氨基酸序列與其他植物 WRKY7蛋白的多序列比對Fig.3 Multi-sequence alignment of the IbWRKY7 amino acid sequences with those in other plants

圖4 不同植物WRKY7蛋白系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.4 Phylogenetic analysis of WRKY7 proteins from different plants
由表3可知,利用CELLO和PSORT II預(yù)測結(jié)果均顯示IbWRKY7蛋白定位于細(xì)胞核的預(yù)測分值高于其他位置,同時Cell-PLoc 2.0預(yù)測亞細(xì)胞定位結(jié)果表明IbWRKY7蛋白定位于細(xì)胞核。綜合3種在線預(yù)測軟件分析結(jié)果表明IbWRKY7蛋白定位于細(xì)胞核。
IbWRKY7
基因表達(dá)量在抗性不同的品種之間差異顯著。在Fob侵染后,‘鄂薯11’的IbWRKY7
表達(dá)量在4 h達(dá)到最高隨后下降,2、4、12、24、48、72、96和120 h的表達(dá)量均顯著高于未侵染(0 h)時的表達(dá)量,而‘栗子香’的IbWRKY7
表達(dá)量在侵染96 h才達(dá)到最高,除侵染24 h外其他7個時間點的表達(dá)量均顯著高于0 h。處理0 h,‘鄂薯11’中IbWRKY7
表達(dá)量高于‘栗子香’但不顯著。Fob侵染2、4、12、24和48 h時,‘鄂薯11’IbWRKY7
基因表達(dá)量顯著高于‘栗子香’,而72和96 h則相反,120 h時,兩者的IbWRKY7
基因表達(dá)量無顯著性差異。表3 IbWRKY7蛋白亞細(xì)胞定位
Table 3 Subcellular location prediction of IbWRKY7 protein
軟件Software細(xì)胞質(zhì)Chloroplasm細(xì)胞核Nuclear線粒體Mitochondrial細(xì)胞骨架CytoskeletalCELLO0.1241.2910.8010.010PSORT II30.45%52.20%8.70%8.70%
注:數(shù)值越大代表IbWRKY7蛋白定位在該位置可能性越大。
Note: The higher the value, the more likely the IbWRKY7 protein will be located at this location.

不同小寫字母表示表達(dá)量差異顯著(P<0.05)。 Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) in IbWRKY7 expression levels.圖5 蔓割病病原菌侵染后IbWRKY7的相對表達(dá)量Fig.5 Relative expression level of IbWRKY7 after Fusarium oxysporum f. sp. batatas infection
CmWRKY15
基因通過影響水楊酸信號途徑正向調(diào)控菊花(Chrysanthemum
morifolium
)對柄銹菌(Puccinia
horiana
Henn)的抗性。過量表達(dá)MdWRKY100
的轉(zhuǎn)基因蘋果(Malus
domestica
)植株對炭疽病菌(Colletotrichum
gloeosporioides
)的抗性增強(qiáng),而RNAi植株對炭疽病菌更為敏感,結(jié)果表明MdWRKY100
正向調(diào)控蘋果植株對炭疽病菌的抗性。PlWRKY65
基因通過調(diào)節(jié)茉莉酸和水楊酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)正向調(diào)控芍藥(Paeonia
lactiflora
)對細(xì)鏈孢霉(Alternaria
tenuissima
)的抗性。沉默GmWRKY40
的轉(zhuǎn)基因大豆(Glycine
max
)毛狀根對大豆疫霉菌(Phytophthora
sojae
)侵染的敏感性增強(qiáng)。Liu等研究發(fā)現(xiàn)RcWRKY41
基因沉默植株對灰霉病(Botrytis
cinerea
)的抗性降低。目前,關(guān)于甘薯中WRKY家族基因的研究較少。王連軍等在高抗根腐病甘薯品種‘徐薯18’中克隆到15個WRKY基因家族序列。朱虹等研究表明IbWRKY2
基因正向調(diào)控轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐旱性和耐鹽性。IbWRKY75
基因可能參與甘薯的抗旱、耐鹽過程以及正調(diào)控甘薯葉片的衰老。張凱等利用酵母雙雜交技術(shù)從甘薯文庫篩選獲得甘薯IbWRKY61的互作蛋白主要與生物脅迫響應(yīng)相關(guān),推測IbWRKY61
基因主要參與甘薯病原菌侵染的防御。甘薯WRKY家族基因功能研究較少,仍有待進(jìn)一步挖掘和功能驗證。依據(jù)WRKY七肽保守序列數(shù)量和鋅指結(jié)構(gòu)特點將WRKY蛋白分為3類:第Ⅰ類WRKY蛋白含有2個保守的WRKY七肽保守序列(WRKYGQK)和1個CH(C-X-C-X-H-X-H)的鋅指結(jié)構(gòu);第Ⅱ類WRKY蛋白含有1個保守的WRKY七肽保守序列和1個CH的鋅指結(jié)構(gòu);第Ⅲ類WRKY蛋白含有1個WRKY 七肽保守序列和1個的CHC(C-X-C-X-H-X-C)鋅指結(jié)構(gòu),大部分WRKY家族成員蛋白屬于第Ⅱ類WRKY蛋白。本研究在高抗蔓割病甘薯品種‘鄂薯11’中克隆了IbWRKY7
基因。對IbWRKY7蛋白序列進(jìn)行生物信息學(xué)分析結(jié)果表明IbWRKY7蛋白與其他幾個物種WRKY7蛋白有較高相似性,且具有相同的保守結(jié)構(gòu)域(1個WRKY保守結(jié)構(gòu)域和1個CHC型鋅指結(jié)構(gòu)域),因此IbWRKY7屬于第III類WRKY蛋白。綜上,本研究克隆得到的基因確為WRKY
基因家族成員IbWRKY7
。IbWRKY7
基因上游啟動子區(qū)域含有多個激素應(yīng)答和逆境脅迫應(yīng)答相關(guān)的元件,如MYC、MYB、G-box、TGACG-motif以及ABRE等,這表明IbWRKY7
基因可能參與甘薯響應(yīng)逆境脅迫的調(diào)控。沉默AtWRKY7
的擬南芥植株對灰霉病菌的敏感性顯著提高,而過表達(dá)AtWRKY7
基因提高了擬南芥對灰霉病菌的抗性,表明AtWRKY7
基因正向調(diào)控擬南芥對灰霉病菌的抗性。相反,AtWRKY7
基因負(fù)向調(diào)控擬南芥對細(xì)菌類病原菌紫丁香假單胞菌抗性。鄭超研究表明OsWRKY7
基因可能負(fù)向調(diào)控水稻對白葉枯病菌(Xanthomonas
oryzae
)免疫應(yīng)答,降低水稻植株對白葉枯病的抗性。擬南芥中異源表達(dá)大白菜(Brassica
rapa
L. ssp.pekinensis
)BrWRKY7
基因可提高擬南芥對腐生型病原菌軟腐果膠桿菌(Pectobacterium
carotovorumb
ssp.
carotovorum
)的抗性。以上研究表明WRKY7
基因在植物應(yīng)答病原菌中發(fā)揮重要作用。本研究利用蔓割病病原菌侵染感病品種‘栗子香’和抗病品種‘鄂薯11’,并對IbWRKY7
基因的表達(dá)模式進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,病原菌侵染后,2個品種IbWRKY7
基因均顯著上調(diào),‘鄂薯11’中的表達(dá)量在4 h達(dá)到最大值而‘栗子香’在侵染96 h才達(dá)到最大值,并且侵染2、4、12、24和48 h,‘鄂薯11’中的IbWRKY7
基因表達(dá)量顯著高于‘栗子香’。因此侵染前期IbWRKY7
基因在抗病品種中的表達(dá)量更高,表明‘鄂薯11’中IbWRKY7
基因更快速響應(yīng)蔓割病病原菌的侵染。IbWRKY7
基因可能在甘薯早期響應(yīng)蔓割病病原菌侵染過程中起重要作用,有待進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行功能驗證。IbWRKY7
基因上游2 000 bp的區(qū)域含有12種激素應(yīng)答和脅迫應(yīng)答相關(guān)的順式作用元件。IbWRKY7
的CDS序列全長為945 bp,編碼314個氨基酸,預(yù)測蛋白分子量為33.92 kU,pI 9.82,編碼不穩(wěn)定的親水性蛋白,具有WRKY家族的典型結(jié)構(gòu)特征即1個WRKY七肽保守序列和1個CHC型鋅指結(jié)構(gòu),屬于第Ⅲ類WRKY蛋白,氨基酸序列與同源物種相似度高,進(jìn)化上高度保守。IbWRKY7
基因不僅受Fob侵染誘導(dǎo)表達(dá)而且在不同蔓割病抗性品種中表達(dá)量差異顯著。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2022年6期