RNA干擾對煙草NtPPO8基因沉默的效應分析

姚怡帆 代卓毅 江智敏 徐 敏 李芳芳張 希 黨 偉 武兆云 丁永樂 楊鐵釗

（1河南農業大學煙草學院，450002，河南鄭州；2浙江中煙工業有限責任公司，310008，浙江杭州；3中國煙草總公司河南省公司，450002，河南鄭州；4陜西中煙工業有限責任公司技術中心，721013，陜西寶雞）

植物多酚氧化酶（PPO）是一種含銅的氧化還原酶[1]，有多種功能，能增強植物的抗逆性，也會催化產生深褐色的醌類物質。PPO基因在不同植物中的存在形式有較大的差異，在大部分植物中以多基因家族的形式存在[2]。目前在煙草中利用生物信息學方法從普通煙草基因組中鑒定出10個PPO基因家族成員[3]。近年來，對PPO的研究主要集中在其分布、特性、功能和酶活抑制等方面，對PPO基因的染色體定位、克隆、表達分析及基因轉化的研究也屢見報道[4]。目前，關于PPO基因功能的研究主要集中在酶促褐變中的作用。褐變問題一直是很多果蔬收獲后貯藏、加工等過程導致質量下降、經濟價值降低的一個重要因素。PPO介導的酶促棕色化反應會對煙草等作物的質量造成負面影響[5-7]。在煙葉烘烤過程中，過高的PPO活性會使煙葉變褐，不僅影響烤煙的外觀質量，還會影響煙葉內化學物質以及香氣成分的含量，進而影響其感官質量[8-9]。煙草多酚氧化酶基因NtPPOE的表達影響了煙葉PPO活性，且煙葉的烘烤特性與PPO活性存在極為密切的聯系，煙葉PPO活性與烤后雜色煙葉比例呈顯著正相關[10]。降低PPO活性能使其不同程度地顯示出不易褐變和耐貯藏的特性[11]。伴隨PPO酶活調控范疇的發展，使用分子技術調節PPO的表達已經成為PPO研究的嶄新領域[12-13]。基因沉默（virus induced gene silencing，VIGS）技術作為RNA干擾技術的一種手段，是近20年發展起來的、能夠快速鑒定基因功能的反向遺傳學重要方法之一。煙草脆裂病毒（TRV）是一種雙分體、正鏈RNA病毒，攜帶目的基因的TRV衍生載體可以穩定迅速地侵染植物，且不產生TRV病毒癥狀[14]。在VIGS病毒基因組中插入的基因片段與mRNA的轉錄方向相反時可以獲得更高的沉默效率[15]，且用400～500bp基因片段重組的病毒沉默載體侵染植株，沉默效果更顯著[16]。VIGS技術可以使攜帶目標基因片段的TRV侵染植物，導致后續侵入病毒的靶向同源基因降解，達到抑制靶基因病毒侵染的目的[17-20]。劉天波等[13]研究表明，在煙草中利用此方法沉默了馬鈴薯Y病毒基因，有效防治煙草馬鈴薯Y病毒病。武明珠等[21]研究表明，在煙草中利用VIGS方法沉默了NtbHLH93基因后發現總甾醇、豆甾醇、膽固醇和β-谷甾醇的含量顯著降低。因此推斷利用VIGS技術沉默NtPPO8基因會使NtPPO8基因表達量下調，從而導致PPO活性降低。國內外學者關于降低PPO活性方面開展了大量研究，但是目前以VIGS技術來調控PPO表達的研究鮮見報道。本試驗以NtPPO8基因為切入點，從10個PPO家族中選取在葉中優勢表達的NtPPO8基因。通過試驗構建靶向NtPPO8基因片段的煙草脆裂病毒TRV載體，轉化農桿菌后處理煙苗，利用RT-qPCR檢測NtPPO8基因表達量及PPO活性，評價VIGS處理煙株的效果，旨在建立TRV介導的VIGS體系調控NtPPO8基因，為煙草烘烤與調制提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試煙草品種為中煙100和K326，由河南農業大學煙草學院育種實驗室提供。根癌農桿菌GV3101、TRV1和TRV2載體均購自上海凱益生物科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 引物設計 根據已測定NtPPO8（基因登錄號：Ntab0594570）基因的特異性區段，使用Primer 5.0設計特異性引物。引物為VI NtPPO8-XbaI-F：GC TCTAGATGCTCTTGGTTACGTCTTGG，VINtPPO8-BamHI-R：CGGGATCC ACAAGTTTCCAACAGGG TCC。引物序列中的劃線部分表示酶切位點。

1.2.2 VIGS載體的構建方法 選取烤煙K326的煙葉1片，經液氮速凍后研磨并提取RNA。按照反轉錄試劑盒說明方法，26S rRNA為內參基因，上游引物為 5′-GAAGAAGGTCCCAAGGGTTC-3′，下游引物 5′-TCTCCCTTTAACACCAACGG-3′為反轉錄引物，以保存的K326煙草cDNA為模板，采用VI NtPPO8-XbaI-F、VI NtPPO8-BamHI-R引物，在高保真酶的作用下擴增基因干擾片段。電泳檢測條帶單一，為防止目的基因片段中出現雜帶，將擴增后的目的片段切膠回收。經過Xba I/Bam HI雙酶切基因片段和pTRV2載體，純化回收基因片段和載體骨架，酶連后轉化大腸桿菌，涂布Kana抗性平板，對長出的抗性菌落進行PCR檢測目的基因片段，并從中挑取PCR陽性的菌樣提取質粒，采用載體上通用引物TRV-CeXu（5′CATTAGCGAC ATCTAAATAGG3′）進行測序。提取測序正確的大腸桿菌質粒，并轉化農桿菌GV3101。限制性內切酶消化、大腸桿菌轉化等分子生物學實驗及農桿菌轉化的操作方法參考劉曉彬等[22]的研究。

1.2.3 VIGS病毒發酵液的配制 將攜帶目標基因的病毒載體pTRV1、pTRV2和pTRV2-NtPPO8質粒的農桿菌菌株分別在帶有卡那霉素（濃度為50μg/mL）和利福平（濃度為50μg/mL）的LB培養基中在28℃、180轉/min恒溫培養24h，調整OD600≈0.6～1.0，將帶有載體 pTRV1、pTRV2 和pTRV2-NtPPO8的農桿菌分別等體積混合，將農桿菌菌液轉移至50mL塑料離心管中，離心2min，棄上清液，使用侵染緩沖液（NaCl 50mmol/L、MES 50mmol/L、乙酰丁香酮0.1mmol/L）重懸洗滌后的菌體至 OD600≈0.6～1.0。

1.2.4 試驗設計 試驗地土質為黃壤土，肥力中等，2020年3月15日播種，5月10日移栽，8月24日打頂，其他栽培措施按照當地優質煙葉生產技術規范進行。在中煙100移栽后50d進行注射接種。設置3個處理，空載體發酵液注射10株（P0）、使用含NtPPO8基因的重組載體發酵液注射10株（P1），并設5株野生型煙株為空白對照（CK）。平均每株煙株菌液接種5mL。每個處理重復3次，共75株。在每個處理中隨機選取3株單株分別設為Z1、Z2和Z3。

在接種后10、20、30、40d分別在Z1、Z2、Z3煙株的S1（第8葉位）、S5（第12葉位）、S9（第17葉位）、S13（第22葉位）處進行取樣，每次取煙葉樣本5g，同時檢測NtPPO8基因的表達量以及PPO活性。

1.2.5 測定指標及方法 將待檢測的煙葉樣本用液氮研磨，提取總RNA，參照Trans Gen Biotech公司Trans Script One-Step gDNA Removal and cDNA Synthesis Super Mix說明書反轉錄成cDNA。再以cDNA為模板，煙草NtPPO8的Real time-PCR檢測按照 Quant qRT-PCR kit（S Y B RGreen）（TIANGEN公司）使用說明在Quant Studio Tnl 6 Flex熒光定量PCR儀器（ABI公司）上進行qRT-PCR檢測。3個生物學重復，3個技術重復，利用Excel進行統計分析。分析NtPPO8的相對表達量，內參基因為18S。引物如表1。以CK作為對照組，以P0、P1為試驗組，NtPPO8基因沉默效率（%）=（對照組基因相對表達量-試驗組基因相對表達量）/對照組基因相對表達量×100。沉默PPO活性效率（%）=（對照組PPO活性-試驗組PPO活性）/對照組PPO活性×100。

表1 引物序列Table 1 Primer sequence

采用鄰苯二酚分光光度法測定煙葉中PPO活性[23]。PPO的提取：稱取煙葉樣品1.0g于研缽中，加入PVP（聚乙烯吡咯烷酮）少量和磷酸緩沖溶液（pH=6.8）8mL，冰浴下研磨至勻漿，4℃下12 000轉/min離心20min，取上清液，待測。PPO的測定：于試管中依次加入鄰苯二酚溶液（0.2mol/L）1.5mL和磷酸緩沖溶液（pH=6.8）1.5mL、待測液50μL，參比溶液中不加待測液。420nm波長下測定吸光度，1min后再次測定吸光度。PPO活性以每克煙葉樣品中每分鐘內A420變化0.01個單位表示，記為ΔOD/(g·min)。

2 結果與分析

2.1 VIGS載體的構建

從煙草基因組數據庫中選擇1個轉錄水平響應PPO的NtPPO8基因。使用NCBI Blast和NCBI Primer Blast選擇基因的特異性區段作為VIGS載體的靶向區域，并設計用于檢測基因相對表達量的qRT-PCR引物。本試驗以保存的K326 cDNA為模板，PCR擴增得到412bpNtPPO8基因片段，連接到T載體，再使用BamHI/KpnI酶切后連接到pTRV2，獲得pTRV2-NtPPO8表達載體。酶連后轉化大腸桿菌，涂布Kana抗性平板，對長出的抗性菌落進行PCR檢測目的基因片段（圖1），并從中挑取PCR陽性的菌樣提取質粒，采用載體上通用引物：TRV-CeXu（5′CATTAGCGACATCTAAATA GG3′）進行測序。圖2第1行為TRV2-NtPPO8載體6號克隆測序結果，第2行為參考序列。測序結果（圖2）顯示TRV2-NtPPO8序列和參考序列一致。

圖1 載體構建菌落PCR電泳圖Fig.1 Vector construction colonyPCRelectrophoresisdiagram

圖2 TRV2-NtPPO8載體測序比對結果Fig.2 Results of TRV2-NtPPO8 vector sequencing vector sequencing comparison

2.2 RNA干擾對煙草NtPPO8基因表達量及酶活性的影響

根據圖3a可知，在Z1、Z2、Z3中CK與P1處理差異呈顯著，其他均不顯著。P1與CK和P0處理相比，P1處理的基因表達量大幅下調。P1處理沉默NtPPO8基因表達量效率最高的植株達78.89%（植株Z2），最低的為76.35%（植株Z1），平均沉默效率為77.90%。P0處理沉默NtPPO8基因表達量最高的植株達14.28%（植株Z2），最低的為3.31%（植株Z3），平均沉默效率為8.51%。在CK和P0處理中，Z3與Z1和Z2有顯著差異，其他均不顯著。

根據圖3b可知，在Z1、Z2、Z3的PPO活性中CK與P1呈極顯著差異，其他均不顯著。P1處理降低PPO活性的效率最高的植株達59.09%（植株Z3），最低的為55.82%（植株Z1），平均效率為57.35%；P0處理降低PPO活性最高的植株達5.61%（植株Z2），最低的為2.47%（植株Z3），平均效率為4.36%。在Z1、Z2、Z3單株中，CK中的Z1與Z3單株呈顯著差異，P0處理中Z1與Z2、Z3呈顯著差異，其他均不顯著。

圖3 不同處理對PPO活性及NtPPO8基因相對表達量的影響Fig.3 The effects of different treatments on PPO activity and NtPPO8 gene expression

2.3 RNA干擾的傳導效應分析

根據圖4a可知，在葉位S1、S5、S9時，CK與P1相比呈顯著差異，在S13葉位時CK與P1處理呈極顯著差異，其他均不顯著。P1處理沉默NtPPO8基因表達量的效率在S1葉位為78.46%，S5葉位為78.10%，S9葉位為77.37%，S13葉位為68.88%。P0處理沉默NtPPO8基因表達量的效率在S1葉位為4.29%，S5葉位為2.86%，S9葉位為3.89%，S13葉位為3.31%。NtPPO8基因表達量隨著接種部位的增加而增加，沉默NtPPO8基因表達量效率都隨著接種部位的增加而降低。在P1處理中S13與其他葉位間呈顯著差異，其他均不顯著。

根據圖4b可知，所有葉位的CK與P1均呈極顯著性差異，其他均不顯著。PPO活性都隨著接種葉位的增加而增加。P1處理降低PPO活性的效率在S1葉位為59.09%，S5葉位為54.15%，S9葉位為54.30%，S13葉位為52.36%。P0處理降低PPO活性的效率在S1葉位為2.92%，S5葉位為3.26%，S9葉位為3.79%，S13葉位為1.78%。P1處理中，S1與S13有顯著差異，其他處理間均不顯著。

圖4 表達載體處理不同部位煙草中的PPO活性以及NtPPO8基因的相對表達量Fig.4 PPO activity and NtPPO8 gene expression in different parts of tobacco treated by expression vector

2.4 RNA干擾基因沉默的持續效應分析

根據圖5a可知，CK與P1處理呈顯著差異，其他均不顯著。P1處理沉默NtPPO8基因表達量的效率在10d為78.18%，20d為 78.46%，30d為75.70%，40d為74.46%。P0處理沉默NtPPO8基因表達量的效率在10d為1.57%，20d為4.65%，30d為3.77%，40d為2.91%。NtPPO8基因表達量隨著時間的增加而增加，沉默NtPPO8基因表達量效率也隨著接種時間的增加而降低。CK、P0和P1處理的NtPPO8基因表達量都在10d時最低，在40d時最高。

根據圖5b可知，CK與P1處理相比呈極顯著差異，其他均不顯著。P1處理降低PPO活性的效率在10d為59.09%，20d為63.25%，30d為53.44%，40d為49.08%。P0處理降低PPO活性的效率在10d為2.63%，20d為2.84%，30d為2.19%，40d為8.09%。PPO活性隨著時間的增加先降后增，降低PPO活性的效率隨接種時間的增加呈先增后降趨勢。總體看來，在接種20d時降低PPO活性的效果最好。

圖5 表達載體處理不同時間煙草中的PPO活性及NtPPO8基因的相對表達量Fig.5 PPO activity and NtPPO8 gene expression in tobacco treated with expression vector at different times

3 討論

褐變問題一直是很多果蔬收獲后貯藏、加工等過程導致質量下降和經濟價值降低的一個重要因素。煙草中的PPO活性對煙草的調制、烤后煙葉的顏色以及卷煙的加工、貯藏都有重要影響[24]。降低PPO活性能使其不同程度地顯示出不易褐變和耐貯藏的特性[11]。調制過程中降低PPO活性能使煙葉難以變褐，煙葉的烘烤特性與PPO活性高低存在極為密切的聯系，煙葉PPO活性與烤后雜色煙葉比例呈顯著正相關[8]。

本研究結果表明，利用VIGS體系對煙草NtPPO8基因的沉默是有效的，且NtPPO8基因表達量與PPO活性呈正比。當NtPPO8基因表達量下降時，PPO活性也隨之下降。李建平等[25]研究表明，含有GhCPK基因的TRV載體對棉花進行侵染后，可使棉花抗黃蔞病基因沉默。陳坤梅等[26]研究表明，含有BSMV基因的TRV載體對小麥進行侵染后，可使小麥抗光氧化基因沉默。這與本試驗結果相似，證明了使用VIGS方法接種的同一處理組中全部檢測的植株都具有較為理想的VIGS效率，且P1較CK處理也有極顯著差異，這表明本方法可以用于大規模基因沉默植物材料的制備。但研究中煙株的PPO活性高低與NtPPO8基因表達量變化并不完全一致，推測是因為煙葉中的PPO活性同時受到復數基因的調控，且每個基因對PPO活性的影響有所差異，導致煙葉的酶活性變化與基因表達量變化不完全一致，要研究煙草不同PPO基因對褐變的貢獻率，還需獲得沉默單個或多個基因的轉化體。

同時，本研究結果表明，VIGS接種后的載體會隨著煙株的生長在植物體內運輸，實現對植物內源基因的系統性沉默。孫天杰等[27]研究表明，TRV病毒在侵染的細胞內完成組裝，并進入韌皮部進行長距離運輸，實現系統侵染。王心宇等[28]研究發現，利用VIGS體系，病毒可高效擴散到棉花受體的根、莖和葉等器官，這與本試驗結果相似。本研究發現，將攜帶TRV-NtPPO8載體的農桿菌對煙株進行侵染后，對處理植株不同位置的葉片進行檢測，發現接種S1至S13均有較為理想的沉默效果，其中接種S1的沉默效率最高，達到78.46%，在到達S13葉位時，沉默效率為68.88%。證明了病毒載體會隨著煙株的生長而向上傳導，從而使整株發生系統性侵染。

本研究結果表明，VIGS的沉默效果具有持久性。VIGS有效的沉默期是該技術應用的關鍵影響因素，VIGS有效的沉默期一般為3周左右，之后將出現基因沉默衰減和表型恢復等現象[29-30]。在馬鈴薯Y病毒的研究中發現對煙株進行TRV-CP病毒載體的侵染，在45d左右時不同處理煙株中TRV的含量仍能檢測出[13]。Senthil等[29]研究發現，VIGS在番茄上有效期可達2年以上。而有報道[29]顯示，VIGS的持續時間可延長至3個月。本研究在接種約40d時不同處理煙株的PPO活性的沉默效率仍顯著表達，表明構建的VIGS體系能夠較長時間穩定表達，且沉默效果還可以持續。根據目前研究發現，VIGS的持續時間不是一個確定的值，因此，猜測VIGS的持久效果受別的因素影響。Rui等[31]研究表明，采用低溫和低濕的方法可適當延長基因沉默的時間，在合適的條件下，VIGS的作用能夠持續幾年甚至一生。因此，VIGS的持久性以及干擾因素還需要進一步探究。

本試驗為后續進一步研究病毒長距離運輸及植物性狀長期觀察的試驗以及VIGS的持久性及影響因素提供了良好的試驗操作體系。并為提高改善煙葉耐烤性及降低煙葉褐變比例提供了新的思路和方法，具有較好的應用前景。

4 結論

利用VIGS載體建立了基于病毒誘導的煙草PPO沉默體系。基于該體系能夠有效沉默NtPPO8基因的表達且降低PPO活性。VIGS接種后的載體會隨著煙株的生長在植物體內運輸，實現對植物內源基因的系統性沉默，且VIGS的沉默效果具有持久性，在40d時仍能有效表達。