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        花生HIR基因的克隆表達(dá)與進(jìn)化分析

        2014-07-18 12:02:58劉羽傳志長生興軍
        山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:基因表達(dá)抗病花生

        劉羽 傳志 長生 翠 興軍

        摘要:過敏性反應(yīng)是植物抗病機(jī)制中最常見的形式之一。過敏性誘導(dǎo)反應(yīng)(Hypersensitive-induced reaction)基因HIR是與過敏反應(yīng)相關(guān)的一類基因,屬于PID家族成員,參與許多細(xì)胞生理過程,并與細(xì)胞程序化死亡有密切關(guān)系。本研究從花生轉(zhuǎn)錄組文庫中篩選到編碼HIR基因的部分序列,通過5′-RACE獲得花生HIR基因的全長cDNA序列,并克隆了其基因組序列。分析表明,花生HIR基因與其他物種HIR基因具有高度同源性。對6個(gè)物種共17條HIR序列使用最大似然法進(jìn)行進(jìn)化分析表明,該基因在進(jìn)化中受到了強(qiáng)烈的純化選擇作用。qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn),該基因的表達(dá)量在冷處理4 h時(shí)顯著降低,隨著處理時(shí)間延長其表達(dá)量逐漸回升;在病菌處理的材料中該基因的表達(dá)下調(diào)。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究HIR基因在花生抗病、耐逆中的功能奠定了基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:花生;HIR;基因表達(dá);抗逆;抗??;純化選擇

        中圖分類號:Q785文獻(xiàn)標(biāo)識號:A文章編號:1001-4942(2014)05-0001-06

        病菌侵染植物后會(huì)誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá),引起物質(zhì)積累和代謝途徑的改變,進(jìn)而使植物表現(xiàn)出一系列的生理反應(yīng)。植物依賴兩個(gè)免疫機(jī)制來對抗病原:病原物相關(guān)分子模式觸發(fā)的免疫(PAMP-triggered immunity, PTI)和效應(yīng)子觸發(fā)的免疫(Effector-triggered immunity, ETI)[1]。在PTI途徑中,植物基于病原體分子的進(jìn)化保守性來提供基本的免疫力;在ETI途徑中,植物通過識別病原體的非毒性Avr基因產(chǎn)物,激活抗性基因,產(chǎn)生過敏反應(yīng)(HR),在細(xì)胞內(nèi)激活一系列反應(yīng),包括活性氧的產(chǎn)生、胞內(nèi)離子流的變化、細(xì)胞膜功能紊亂等[2,3]。HR反應(yīng)導(dǎo)致感染部位細(xì)胞迅速死亡從而阻止病原體的蔓延,HR蛋白通過誘導(dǎo)HR反應(yīng),在植物抗病性上起著重要作用[4]。

        過敏性誘導(dǎo)反應(yīng)基因(HIR)是與HR反應(yīng)相關(guān)的一類基因,他們屬于PID(Proliferation, ion channel regulation, and death)家族成員,PID蛋白由防衛(wèi)反應(yīng)基因抑制素Prohibitins和Stomatins兩類蛋白組成。PID家族蛋白參與許多細(xì)胞生理過程,包括離子通道調(diào)節(jié)、細(xì)胞死亡等[5~8]。1998年,Karrer等[9]在煙草中最早鑒定出HIR基因,并證明該基因能夠在葉片中誘導(dǎo)PR2的表達(dá),產(chǎn)生組織壞死,該基因被命名為NG1。隨后,Nadimpalli等[5]根據(jù)NG1氨基酸序列,在玉米中鑒定出Zm-HIR1、Zm-HIR2和Zm-HIR3三個(gè)基因。2003年,Rostoks等[10]在大麥中克隆到了Hv-HIR1、Hv-HIR2、Hv-HIR3和Hv-HIR4四個(gè)基因,其中Zm-HIR3和Hv-HIR3基因在模擬病原侵害自發(fā)壞死的突變體上出現(xiàn)了明顯的上調(diào)表達(dá),證明HIR不僅在雙子葉植物中通過參與HR反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡及抗病功能,在多種單子葉植物中同樣參與HR反應(yīng)。Jung等[11,13]將辣椒的CaHIR1和水稻的OsHIR1在擬南芥中過表達(dá),引起了類似HR反應(yīng)的組織壞死,提高了對細(xì)菌及真菌的抗性,且證明CaHIR1在胡椒抵御滲透脅迫中也發(fā)揮了重要作用。Choi等[12]發(fā)現(xiàn)CaHIR1在植物抗病及免疫過程中是參與植物細(xì)胞死亡的正調(diào)節(jié)蛋白。HIR基因已從許多植物中克隆到,花生是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物,目前,在花生上尚未見HIR基因克隆的報(bào)道。

        1材料與方法

        1.1材料與處理

        本研究選用花生品種魯花14號,于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),光照時(shí)間16 h,溫度28℃;黑暗8 h,溫度26℃。青枯病菌在含有紅四氮唑(TTC)的NA培養(yǎng)基中培養(yǎng),用無菌水懸浮菌液至OD600=0.6。使用Tseng等[14]的方法侵染兩周齡花生的根,以水處理為對照。侵染48 h后將根切下,液氮速凍后于-80℃保存?zhèn)溆?。選用兩周齡花生苗進(jìn)行4℃低溫處理(處理6、12、24、48 h),對照材料在25℃條件下培養(yǎng),每日光照16 h,處理24 h后將葉片切下,液氮速凍后于-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.2試驗(yàn)方法

        1.2.1花生總RNA提取和cDNA合成總RNA提取使用改良的CTAB法。用Eppendorf Biophotometer Plus型核酸蛋白檢測儀檢測RNA濃度和純度,1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定其完整性。cDNA的合成參考TaKaRa PrimeScriptTM 1st Strand cDNA Synthesis Kit 試劑盒說明進(jìn)行。

        1.2.2AhHIR全長cDNA克隆從本實(shí)驗(yàn)室花生果針轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中獲得一段長為656 bp的EST序列,BLAST分析表明,該序列與大豆HIR(JN083835.1)具有高度同源性,其開放閱讀框不完整,5′端缺失約450 bp。根據(jù)該序列設(shè)計(jì)5′-RACE引物TSP1和TSP2(表1),通過Clontech公司SMARTerTM RACE cDNA擴(kuò)增試劑盒進(jìn)行5′-RACE擴(kuò)增,PCR程序?yàn)椋旱谝惠啠?4℃ 30 s,72℃ 3 min,5個(gè)循環(huán);94℃ 30 s,70℃ 30 s,72℃ 3 min,5個(gè)循環(huán);94℃ 30 s,68℃ 30 s,72℃ 3 min,25個(gè)循環(huán);72℃ 5 min。以第一輪PCR 產(chǎn)物為模板進(jìn)行第二輪PCR 擴(kuò)增,PCR程序?yàn)椋?4℃ 5 min;94℃ 30 s,60℃ 30 s,72℃ 2 min,30個(gè)循環(huán);72℃ 5 min。分析測序結(jié)果后設(shè)計(jì)引物HIROF和HIROR(表1),以花生cDNA為模板克隆AhHIR的完整ORF序列。

        1.2.3AhHIR基因組序列的克隆和測序分析取干凈新鮮花生種子約500 mg, 采用CTAB法提取并純化基因組DNA。利用引物HIROF和HIROR,擴(kuò)增AhHIR的基因組序列,測序后與cDNA序列比對,驗(yàn)證其是否為AhHIR的基因組序列。

        1.2.4AhHIR的qRT-PCR分析qRT-PCR 反應(yīng)以花生根和葉不同脅迫處理的cDNA作模板,以花生Actin基因?yàn)閮?nèi)參,以HIRQF和HIRQR為引物(表1),采用FastStart SYBR Green試劑盒(Roche)進(jìn)行擴(kuò)增。反應(yīng)程序?yàn)椋侯A(yù)變性95℃ 10 min;兩步法擴(kuò)增95℃ 15 s,60℃ 1 min,40個(gè)循環(huán);測定溶解曲線95℃ 15 s,60℃ 15 s, 95℃ 15 s。每個(gè)反應(yīng)均設(shè)3 次重復(fù)。根據(jù)溶解曲線檢測PCR產(chǎn)物的特異性?;虮磉_(dá)水平測定使用相對表達(dá),通過2-△△CT方法計(jì)算。

        1.2.5AhHIR的生物信息學(xué)分析AhHIR基因編碼蛋白預(yù)測使用EMBOSS Transeq(http://www.ebi.ac.uk/Tools/st/emboss_transeq/),跨膜區(qū)預(yù)測使用TMHMM (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)。使用NCBI在線工具BLAST和Phytozome下載與AhHIR同源的16條核酸和蛋白序列,用ClustalW軟件對其進(jìn)行多序列比對,使用Mrbayes軟件進(jìn)行進(jìn)化樹構(gòu)建,用Evoview繪制進(jìn)化樹,使用PAML軟件包進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化分析,用Swiss-Model預(yù)測AhHIR蛋白三級結(jié)構(gòu)模型,使用PFAM數(shù)據(jù)庫檢驗(yàn)預(yù)測模型,使用Swiss-PDBviewer標(biāo)記氨基酸位點(diǎn)。

        1.2.6AhHIR的進(jìn)化分析對與花生AhHIR同源的16條核酸序列,用ClustalW軟件進(jìn)行核酸堿基序列對位排列,并對部分序列進(jìn)行手動(dòng)修正。使用MrBayes3.1.2軟件經(jīng)貝葉斯模型進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析[21],模型中參數(shù)使用默認(rèn)值,共運(yùn)行1 000 000代,每1 000代取樣一棵樹,去除前10 000代老化樣本,剩余樣本構(gòu)建最終進(jìn)化樹。使用上述貝葉斯樹文件和序列重排文件作為輸入樣本,每條序列存在304個(gè)氨基酸位點(diǎn),使用PAML軟件包內(nèi)的模型:M0、M1a、M2a、M3、M7和M8進(jìn)行進(jìn)化分析[22]。

        2結(jié)果與分析

        2.1AhHIR基因的克隆

        RACE擴(kuò)增結(jié)果見圖1A,經(jīng)測序、序列拼接后設(shè)計(jì)引物,擴(kuò)增AhHIR的完整ORF及基因組序列,分別獲得了900 bp和1 900 bp的PCR產(chǎn)物(圖1B和圖1C),經(jīng)測序證明所克隆的序列均為花生HIR。該基因由5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子組成(圖2)。

        2.2AhHIR的表達(dá)分析

        qRT-PCR結(jié)果(圖3)表明,4℃處理6 h后,葉片中AhHIR表達(dá)出現(xiàn)明顯的下調(diào),表達(dá)水平只有對照的20%,但隨著處理時(shí)間的延長,AhHIR表達(dá)量逐漸升高,冷處理12 h后表達(dá)水平恢復(fù)到對照的47%,處理48 h后恢復(fù)到對照的76%。青枯病菌侵染48 h后根中AhHIR表達(dá)量下調(diào)約30%。

        2.3AhHIR蛋白序列分析

        用EMBOSS Transeq對AhHIR基因編碼的蛋白序列預(yù)測表明,該基因編碼288個(gè)氨基酸。將預(yù)測的花生HIR蛋白序列與其他5個(gè)物種的16條HIR蛋白序列使用ClustalW進(jìn)行同源比對,發(fā)現(xiàn)不同物種間HIR同源性很高,達(dá)95%以上,其中花生與大豆和菜豆親緣關(guān)系最近。根據(jù)TMHMM預(yù)測結(jié)果,花生HIR蛋白存在跨膜區(qū)的概率小于0.1%,存在膜上的概率小于5%,推測該蛋白應(yīng)存在于胞質(zhì)中。該蛋白與其他同源蛋白相似,N端有一個(gè)十四?;母拾彼?,可將蛋白錨定到質(zhì)膜上[10]。

        2.4AhHIR的系統(tǒng)進(jìn)化分析

        選用包括花生在內(nèi)的6個(gè)物種共17條HIR基因序列,根據(jù)貝葉斯模型構(gòu)建進(jìn)化樹(圖4),結(jié)果顯示整個(gè)進(jìn)化樹的枝長較短,這與HIR基因的高度保守有關(guān)。根據(jù)進(jìn)化樹各枝遺傳距離,將其分為三種類型(在進(jìn)化樹中分別以色塊和括號標(biāo)記),AhHIR與大豆HIR1、玉米HIR1、小麥HIR1和HIR2、大麥HIR1聚為類型A;大豆HIR4、玉米HIR4等屬于類型C,類型C的HIR基因與其他類型遺傳距離較遠(yuǎn)。查詢PFAM蛋白數(shù)據(jù)庫,發(fā)現(xiàn)類型C的HIR蛋白除了在N端存在與其他類型相同的Band-7結(jié)構(gòu)域,還在C端存在其他結(jié)構(gòu)域。

        2.5選擇壓力和氨基酸替代情況分析

        選用6個(gè)物種共17條HIR基因序列通過比對重排,每一條序列含有912個(gè)堿基位點(diǎn),304個(gè)氨基酸位點(diǎn),用PAML分析時(shí)選用的模型參數(shù)參見表2,似然率檢驗(yàn)結(jié)果參見表2。根據(jù)M0模型,所有位點(diǎn)與分支的平均ω=0.05997,說明HIR基因在進(jìn)化中受強(qiáng)烈的純化選擇。在M8模

        大豆(G. max),NM_001289276.1;GmaHIR3:大豆(G. max),JN083834.1;GmaHIR3like: 大豆(G. max),NM_001252931.2;GmaHIR4: 大豆(G. max),JN083833.1;GmaHIR4like:大豆(G. max),NM_001254549.1;CanHIR:辣椒(Capsicum annuum)AY529867.1。

        圖4不同物種HIR基因系統(tǒng)進(jìn)化樹及對應(yīng)的蛋白結(jié)構(gòu)型BEB分析結(jié)果中,針對所有氨基酸位點(diǎn)的ω值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),在99%后驗(yàn)概率下,ω值≤0.1的為負(fù)選擇位點(diǎn),共存在202個(gè),占總序列的69%;ω≤0.01的負(fù)選擇位點(diǎn)有129個(gè),占總數(shù)的44%。位點(diǎn)編號以HvuHIR1為標(biāo)準(zhǔn)(圖5)。蛋白晶體模型預(yù)測結(jié)果表明,AhHIR與同樣存在Band-7 domain的Stomatin蛋白三級結(jié)構(gòu)(圖6A)相同[20]。將以上位點(diǎn)數(shù)據(jù)通過SwissPDB-viewer導(dǎo)入AhHIR晶體模型中,結(jié)果顯示這些受強(qiáng)烈純化選擇的氨基酸位點(diǎn)大多位于α螺旋和β折疊中(圖6B、C),這部分氨基酸在維持蛋白結(jié)構(gòu)中非常重要,而通道區(qū)域(圖6B白色箭頭標(biāo)記)的保守性相對較低。

        3討論

        HIR基因參與ETI途徑的免疫應(yīng)答[5,10~12,18],在植物HR反應(yīng)中行使重要的功能。本研究首次在花生中克隆了HIR基因,對花生HIR氨基酸序列分析表明其存在Band-7蛋白結(jié)構(gòu)域,AhHIR蛋白可能與其他家族成員一樣參與了細(xì)胞膜離子通道的控制[5]。通過qRT-PCR分析了該基因在受到生物脅迫和非生物脅迫時(shí)的表達(dá)情況,結(jié)果表明,兩種逆境脅迫均使AhHIR表達(dá)短期下調(diào)。由于HIR的表達(dá)升高可能會(huì)導(dǎo)致更多的細(xì)胞死亡[11],短期內(nèi)的低溫脅迫使HIR基因強(qiáng)烈下調(diào)有助于細(xì)胞死亡率降低,隨著低溫脅迫延續(xù),HIR基因緩慢上調(diào),這可使細(xì)胞死亡正?;浔磉_(dá)量并沒有超出正常表達(dá)水平。HIR基因在逆境下的表達(dá)變化可能與細(xì)胞為適應(yīng)環(huán)境改變而做出的一系列生理反應(yīng)有關(guān),如誘使內(nèi)源激素合成信號的傳導(dǎo)以及活性氧的積累[19]。

        生物在進(jìn)化中對環(huán)境的改變會(huì)做出一系列的適應(yīng)性進(jìn)化,例如核酸的突變和蛋白的變化,HIR基因在進(jìn)化分析中表現(xiàn)為強(qiáng)烈的保守性,在99%后概率檢驗(yàn)下,ω≤0.1的負(fù)選擇位點(diǎn)有202個(gè),占總數(shù)的69%,ω≤0.01的負(fù)選擇位點(diǎn)有129個(gè),占總數(shù)的44%,這說明HIR基因受到了強(qiáng)烈的純化選擇,可能是由于該基因的功能非常重要,該基因突變后植物難以存活。將這些高度保守位點(diǎn)導(dǎo)入Band-7 domain蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)模型發(fā)現(xiàn),大多數(shù)受強(qiáng)烈純化選擇的位點(diǎn)都位于α螺旋和β折疊中,而在3個(gè)Band-7亞基形成的通道結(jié)構(gòu)中的氨基酸位點(diǎn)保守性相對較低。

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