連金番,常 青,孫建麗,石 磊,王 倩
(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
角質(zhì)層是覆蓋陸生植物表層組織的一層由角質(zhì)和表皮蠟組成的脂質(zhì)保護(hù)層。角質(zhì)層的重要組成成分角質(zhì)是由氧化的C16和C18脂肪酸構(gòu)成網(wǎng)狀的油脂聚酯[1]。嵌入和覆蓋網(wǎng)狀角質(zhì)層的表皮蠟是一類超長(zhǎng)鏈脂肪族疏水化合物[2],嵌入角質(zhì)層的非晶體狀的表皮蠟稱作內(nèi)表皮蠟,而覆蓋在角質(zhì)層表面并形成晶體的表皮蠟稱為外表皮蠟[3]。
表皮蠟在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用,如防止由非氣孔蒸發(fā)造成的水分散失,抗寒[4],抵抗紫外線輻射[5],去除植物表皮表面外部水分,以降低溶于外部水分中的灰塵、花粉粒和其他有害物質(zhì)對(duì)植物表皮造成的傷害[6-7]。在抵御細(xì)菌、真菌病原體和昆蟲的入侵及植物-昆蟲相互作用方面表皮蠟也發(fā)揮重要作用[8-9]。另外表皮蠟還能提供一種花粉粒-柱頭相互作用信號(hào)使植物在適宜時(shí)期進(jìn)行授粉[10]。
氣相色譜-質(zhì)譜分析結(jié)果顯示,植物表皮蠟有100多種成分,主要包括長(zhǎng)鏈和超長(zhǎng)鏈脂肪族化合物、環(huán)狀化合物以及甾醇類化合物,這些化合物均由20~34個(gè)碳原子超長(zhǎng)鏈脂肪酸衍生而來[3]。某些植物表皮蠟質(zhì)組成成分還包括酚、固醇、環(huán)萜以及胡蘿卜素類化合物[3,11]。表皮蠟的化學(xué)組成成分和數(shù)量在同一株植物上的不同部位及不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段也存在差異[12]。模式植物擬南芥的表皮蠟的化學(xué)組成成分主要是超長(zhǎng)鏈脂肪酸及其衍生物,如醇、酯、烷烴、醛、酮等[3,11]。
植物超長(zhǎng)鏈脂肪酸的合成是將質(zhì)體中合成的C16/C18的長(zhǎng)鏈脂肪酸在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中進(jìn)一步延伸。該延長(zhǎng)過程由位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的脂肪酸延長(zhǎng)酶復(fù)合體催化,此復(fù)合體由四個(gè)酶組成,依次催化四步反應(yīng):①脂酰-CoA和丙二酰-CoA由3-酮脂酰-CoA縮合酶催化聚合反應(yīng)生成3-酮脂酰-CoA;②3-酮脂酰-CoA被3-酮脂酰-CoA還原酶還原生成3-羥脂酰-CoA;③3-羥脂酰-CoA由3-羥脂酰-CoA脫水酶催化脫水生成烯脂酰-CoA;④烯脂酰-CoA經(jīng)烯脂酰-CoA還原酶還原成比第一步脂酰-CoA多兩個(gè)碳原子的脂酰-CoA[13]。
生成的超長(zhǎng)鏈脂肪酸經(jīng)過一系列特異生物途徑衍生為蠟的不同組分。已有文獻(xiàn)報(bào)道,擬南芥中表皮蠟中脂肪族成分合成有兩條途徑:脫羧途徑和?;€原途徑[14]。脫羧途徑從脂酰-CoA還原酶催化超長(zhǎng)鏈脂肪酸前體生成醛開始,經(jīng)由醛脫羧酶催化生成奇數(shù)碳原子的烷烴[15],烷烴再經(jīng)過一系列的氧化生成次級(jí)醇和酮;?;€原途徑始由對(duì)超長(zhǎng)鏈脂肪酸的還原生成初級(jí)醇[16],部分初級(jí)醇進(jìn)一步和游離脂肪酸酯化生成蠟脂[17]。
角質(zhì)蠟?zāi)苡绊懼仓昵o表皮色澤,所以一旦蠟合成有關(guān)的基因發(fā)生突變導(dǎo)致蠟含量減少,肉眼即可識(shí)別到植株莖表皮色澤變化。在大麥和擬南芥中蠟缺失突變體稱為eceriferum(cer),而在玉米和甘藍(lán)型油菜被稱為gl。目前與擬南芥蠟合成有關(guān)的多個(gè)基因已被報(bào) 道 , 如 CER1、 CER2、 CER3、 CER4、 CER5、CER6和CER10等,已從擬南芥基因組中克隆到cer1、cer2和cer3突變體蠟缺失表型顯著,但克隆的基因在蠟合成及運(yùn)輸中的具體作用尚不清楚[18-21]。CER4編碼的酶催化?;€原途經(jīng)的初級(jí)醇生成[22]。CER5編碼ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)表皮蠟的運(yùn)輸[23]。CER6和CER10分別編碼植物超長(zhǎng)鏈脂肪酸合成酶復(fù)合體的3-酮脂酰-CoA縮合酶和烯脂酰-CoA還原酶[24-25]。在大麥中分別克隆到與CER1、CER2基因相似性高的GL1和GL2基因。但是,目前對(duì)擬南芥蠟合成基因的研究還不十分完善。我們利用EMS化學(xué)誘變劑處理野生型擬南芥得到莖表皮蠟缺失突變體cera。該突變體莖色澤淺綠,果莢和植株較野生型短小。本研究對(duì)該突變體進(jìn)行掃描電鏡觀察植株莖表皮蠟晶體形態(tài),遺傳分析,莖表皮角質(zhì)蠟化學(xué)組成成分和含量分析,為以后該基因的克隆及研究其在角質(zhì)蠟合成過程發(fā)揮的角色奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 植物材料
野生型擬南芥(Arabidopsis thaliana):生態(tài)型Columbia(Col-0);擬南芥突變體cera:由本實(shí)驗(yàn)室用EMS誘變得到的莖色突變株系。
1.1.2 數(shù)據(jù)庫
本試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)信息來源于:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/,http://www.arabidop sis.org/(TAIR)和http://www.genevestigator.ethz.ch/。
1.2.1 EMS處理野生型擬南芥
取2 g野生型種子(Col-0)于100 mL無菌水中,4℃過夜。加400 mL無菌水,磁力攪拌器攪拌,100 r·min-1離心1 h。加入EMS使其終濃度為0.3%(V/V),室溫,100 r·min-1離心16 h。4 ℃靜置3 d,種植材料。
1.2.2 材料種植
擬南芥在0.1%的瓊脂糖中4℃春化2~4 d后培養(yǎng)在黑土∶蛭石∶沙子(1∶1∶1)的混合土中。培養(yǎng)時(shí)在其上層罩一層塑料膜以保持濕度,當(dāng)擬南芥萌發(fā)出4~5片子葉后去掉塑料膜。16 h光照處理,8 h黑暗[26],濕度保持在60%~70%,溫度控制在22~25℃,光照強(qiáng)度2 800 lx。
1.2.3 突變體的背景純化與遺傳分析
以擬南芥野生型Col-0為父本,突變體為母本進(jìn)行回交得到F1代,F(xiàn)1代自交得到F2代。種植并觀察F2代表型,統(tǒng)計(jì)F2代中莖淺綠色突變體和正常植株莖色的比例。
1.2.4 電子掃描顯微鏡觀察
取植株頂端2.5 cm莖包于錫箔紙中,-180℃真空放置5 min。樣品置于電子掃描顯微鏡(Hitachi S4700),2.5 kV加速電壓,觀察植株莖表皮蠟晶體。
1.2.5 莖表皮蠟提取及組分分析
將莖浸泡在含5 μL 1 μg·μL-1C24∶0烷烴的三氯甲烷中30 s,于液氮中干燥濃縮。濃縮后的樣品轉(zhuǎn)入到氣相色譜分析管中,加10 μL N,O-三氟乙酰胺和10 μL吡啶后,70℃加熱1 h,液氮干燥,加100 μL三氯甲烷,進(jìn)行氣相色譜氫焰離子化檢測(cè)(GC-FID)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析。
cera突變體是經(jīng)化學(xué)誘變劑EMS誘導(dǎo)野生型擬南芥(Col-0)篩選得到的莖色變化植株。該突變體莖表現(xiàn)為淺綠色,這種表型與蠟缺失cer系列突變體表型相似,因此命名為cera(見圖1)。另外,突變體果莢長(zhǎng)度也較野生型短并且低育,我們將突變體和cer6置于潮濕環(huán)境中培養(yǎng),cer6果莢長(zhǎng)度恢復(fù)到野生型水平,而cera卻未恢復(fù),這說明cera低育并不像cer1和cer6一樣,它們的低育是由于花粉粒水化導(dǎo)致的[14,18,27]。由花粉粒水化導(dǎo)致的低育植株,在潮濕環(huán)境中培養(yǎng),生育能力可恢復(fù)到野生型水平。
為了探討該突變是否由于單基因隱性突變?cè)斐桑瑢⒑Y選到的cera突變體與野生型擬南芥(Col-0)雜交得到F1代,F(xiàn)1所有植株均表現(xiàn)野生型表型。F1自交后得到F2代,種植96株F2,其中73株表現(xiàn)野生型表型,23株表現(xiàn)cera表型,比例為3.17∶1(x2=0.0577,P>0.7),證實(shí)該突變?yōu)閱位螂[性突變。
圖1 野生型(Col-0)和突變體ceraFig.1 Wild type and cera
為揭示cera突變體莖色澤變化是否與其莖表皮蠟含量變化有關(guān),用掃描電鏡觀察cera突變體和野生型擬南芥的莖,結(jié)果顯示野生型莖表面布滿晶體狀表皮蠟,這些晶體有柱狀、錐狀、棒狀、傘狀等,然而cera突變體莖表面卻沒有觀察到晶體狀蠟(見圖2)。cera突變體莖表皮蠟缺失的表型與cer系列莖表皮蠟缺失表型相似,說明CERA基因可能與擬南芥莖表皮蠟的合成和運(yùn)輸有關(guān)。
圖2 野生型和突變體cera莖表皮蠟晶體分布Fig.2 Stem surface morphology of wild type(left)and cera(right)by cryo-SEM
為進(jìn)一步揭示cera突變體莖表皮蠟的變化,采用氣相色譜氫焰離子化檢測(cè)(GC-FID)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)測(cè)量野生型和5株cera突變體(cera1~cera5)莖表皮總蠟的組分和含量(見圖3),結(jié)果顯示野生型擬南芥表皮幾乎檢測(cè)不到C24和C26脂肪酸,C30脂肪酸含量為0.39 μg·cm-2(1 cm2莖表面含有0.39 μg C30脂肪酸);cera突變體C24脂肪酸和C26脂肪酸平均含量分別為0.09和0.06 μg·cm-2,所有cera突變體均檢測(cè)不到C30脂肪酸。然而在野生型和cera突變體中,都沒有檢測(cè)到C28脂肪酸。表皮蠟中脂肪族成分合成的兩種途徑中各組分含量的結(jié)果顯示,?;€原途徑中C24初級(jí)醇含量cera突變體比野生型增加約140%,但C26,C28和C30初級(jí)醇含量明顯減少,分別減少70%,94%和93%;在脫羧途徑中,cera突變體除C24和C26醛較野生型略增加外,大于C26的其他組分比野生型均有明顯的減少(見圖3)。但這些數(shù)據(jù)并不包含參與合成酯反應(yīng)的超長(zhǎng)鏈脂肪酸以及初級(jí)醇。
圖3 野生型和突變體cera莖表皮蠟化學(xué)組分與含量分析Fig.3 Stem wax composition of wild type and cera mutant
另外,cera突變體莖表皮中檢測(cè)到屬于固醇類的β-香樹脂醇,但野生型沒有檢測(cè)到,該物質(zhì)是合成固醇類化合物前體,但其與蠟合成的相關(guān)關(guān)系還沒有報(bào)道。值得一提的是,在5株cera突變體超長(zhǎng)鏈脂肪酸中,部分脫羧途徑代謝中間產(chǎn)物含量卻不一致,因此把這5株cera突變體分成A組(cera1,cera2和cera4)和B組(cera3和cera5),測(cè)量結(jié)果顯示B組含有比A組較多的C29的烷烴(<94%),次級(jí)醇(<81%)和酮(<95%)。很難解釋造成這種差異的原因是因?yàn)檫z傳因素造成的這種差異還是由于其他因素,例如收集樣品并不是從同一植株采集的樣品,這些不同植株可能存在生長(zhǎng)狀況的差異。為此,我們重復(fù)將cera突變體與野生型回交得到F1,F(xiàn)1自交得到F2,測(cè)量F2莖表皮蠟脂肪族組成成分,結(jié)果與A組相似。
從擬南芥表皮蠟脂肪族組成成分碳鏈長(zhǎng)度來分析,并將酯含有的超長(zhǎng)鏈脂肪酸及醇計(jì)算在內(nèi)(見圖4)。由圖4可以看出,cera突變體中C24含量是野生型的222%,而C26和C28卻分別為33%和26%,由此得出CERA基因作用于延伸C24以上的超長(zhǎng)鏈脂肪酸。
圖4 野生型和突變體cera莖表皮超長(zhǎng)鏈脂肪族C24、C26和C28組分含量分析Fig.4 Sum amount of C24,C26and C28in wild type and cera stem wax components
擬南芥中表皮蠟中脂肪族成分合成有兩條途徑:?;€原途徑和脫羧途徑,作為蠟合成底物的超長(zhǎng)鏈脂肪酸及其衍生物并不是均勻的分配到這兩個(gè)途徑中。Millar和Kunst等認(rèn)為,在蠟合成過程中,大部分C28和少部分C26、C30超長(zhǎng)鏈脂肪及其衍生物經(jīng)由?;€原途徑合成蠟;而大部分C30和小部分C28,C32超長(zhǎng)鏈脂肪及其衍生物經(jīng)由脫羧途徑合成蠟[13]。然而我們的測(cè)量結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)野生型擬南芥初級(jí)醇含量C28(1.76)>>C26(0.97)>C30(0.66),醛含量C30(0.57)>>C28(0.15)>C26=C24=0,由此我們認(rèn)為大部分C28、C26、C24和小部分C30超長(zhǎng)鏈脂肪酸及其衍生物通過酰基還原途徑參與蠟合成,而大部分C30和少部分C24、C26、C28超長(zhǎng)鏈脂肪酸及其衍生物通過脫羧途徑參與蠟合成(見圖5)。
圖5 擬南芥莖表皮蠟合成途徑Fig.5 Proposed metabolic pathways for wax biosynthesis in Arabidopsis stems
cera突變體莖色澤淺綠,遺傳分析表明為單基因隱性突變,電鏡掃描顯示突變體莖表皮蠟晶體缺失,氣相色譜分析數(shù)據(jù)表明突變體莖表皮蠟減少是由C24以上超長(zhǎng)鏈脂肪酸供應(yīng)不足導(dǎo)致,這些性狀與cut1和cer6相仿。cer6中C26以上蠟組分減少,然而cut1中C24以上蠟組分就已經(jīng)減少,cut1突變體是將35S:antisense:CER6轉(zhuǎn)入擬南芥野生型中得來。cut1突變體中CER6及其同源基因的表達(dá)都可能有不同程度的抑制[27]。cut1卻和cera莖角質(zhì)蠟化學(xué)組分相似,即都是C24以上蠟組分明顯減少。雖然cera和cer6、cut1表型相似,但是cera所表現(xiàn)的由果莢短小導(dǎo)致的低育在潮濕環(huán)境中卻不能像cer6和cut1一樣得到恢復(fù),這說明cera和cer6的功能可能存在差異。
野生型和cera莖表皮蠟化學(xué)組分和含量分析表明CERA基因在延長(zhǎng)24個(gè)碳原子以上的超長(zhǎng)鏈脂肪酸發(fā)揮作用。鑒于上述比較,我們對(duì)CERA基因的功能做以下分析。CERA可能是編碼超長(zhǎng)鏈脂肪酸合成酶復(fù)合體的3-酮脂酰-CoA縮合酶的CER6的等位基因;或者是不同于CER6的延伸C24超長(zhǎng)鏈脂肪酸的合成酶;或者編碼一種與CER6形成復(fù)合體的蛋白。CERA也可能在DNA、RNA或者蛋白水平調(diào)控延長(zhǎng)C24以上超長(zhǎng)鏈脂肪酸的合成酶方面發(fā)揮作用,在DNA水平上,CERA可能編碼一種影響DNA甲基化或者組蛋白修飾的酶,以此阻礙編碼延長(zhǎng)C24以上超長(zhǎng)鏈脂肪酸的合成酶的轉(zhuǎn)錄;在RNA水平,CERA可能是一種轉(zhuǎn)錄因子影響像CER6這樣的延伸過程中的合成酶的轉(zhuǎn)錄,也可能是一種類似于CER7的外切體亞基,能夠降解編碼合成酶的mRNAs[28],或者通過micro RNA來降解與超長(zhǎng)鏈脂肪酸合成有關(guān)的mRNAs;在蛋白水平,CERA可能涉及合成酶的翻譯后修飾,例如泛素化,SUMO化,磷酸化和棕櫚化等。除了上面我們討論的CERA在C24以上超長(zhǎng)鏈脂肪酸的延伸可能的影響外,它也可能具有?;D(zhuǎn)移酶活性參與超長(zhǎng)鏈脂肪酸的延伸??傊?,本文章的數(shù)據(jù)表明CERA基因在擬南芥莖表皮延長(zhǎng)24個(gè)碳原子以上的超長(zhǎng)鏈脂肪酸過程中發(fā)揮重要作用,這值得我們克隆該基因并作深入研究。
本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)莖色澤淺綠的cera突變體莖表皮蠟減少是由C24以上超長(zhǎng)鏈脂肪酸供應(yīng)不足導(dǎo)致,表明供應(yīng)擬南芥莖表皮蠟合成的C24以上超長(zhǎng)鏈脂肪酸是由特異的酶復(fù)合體催化生成。此外對(duì)野生型擬南芥莖表皮蠟各成分詳細(xì)分析表明大部分C28、C26、C24和小部分C30超長(zhǎng)鏈脂肪酸及其衍生物通過?;€原途徑參與蠟合成,而大部分C30和少部分C24、C26、C28超長(zhǎng)鏈脂肪酸及其衍生物通過脫羧途徑參與蠟合成。
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東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2011年10期