李卉 王艷 王海宏 梁珂珂 李建龍
摘 要:通過(guò)構(gòu)建高羊茅高溫脅迫下的消減文庫(kù),并使用斑點(diǎn)印跡技術(shù)從中篩選出差異表達(dá)基因,以期深入研究高羊茅適應(yīng)高溫的分子機(jī)制。以冷季型草坪草高羊茅為研究對(duì)象,在兩年生理指標(biāo)測(cè)定的基礎(chǔ)上通過(guò)構(gòu)建高羊茅在高溫脅迫下的SSH文庫(kù),分別以正、反向SSH探針與尼龍膜上的消減cDNA質(zhì)粒進(jìn)行雜交,并經(jīng)相應(yīng)的顯色反應(yīng)得到雜交信號(hào),比較了38/30 °C(晝/夜)的培養(yǎng)箱中高溫脅迫6 h的高羊茅葉片和對(duì)照組高羊茅葉片的RNA差異。結(jié)果表明:試驗(yàn)得到的差減文庫(kù)中大量組成型表達(dá)基因已經(jīng)被有效去除,使某些特有的差異基因得到了富集;利用斑點(diǎn)雜交共得到252個(gè)差異片段,庫(kù)中陽(yáng)性克隆約占50%以上;陽(yáng)性克隆中91個(gè)為上調(diào)基因,161個(gè)為下調(diào)基因,這些與高羊茅的耐熱性密切相關(guān)的基因即為試驗(yàn)所尋的差異表達(dá)基因。本試驗(yàn)為找出高羊茅耐熱相關(guān)基因奠定了基礎(chǔ),為草坪草的轉(zhuǎn)基因育種工作提供了相關(guān)依據(jù),結(jié)合恰當(dāng)?shù)乃收{(diào)控措施可有效提高草坪草的抗逆性。
關(guān)鍵詞:高溫脅迫;逆境生理;差異表達(dá)基因;抑制差減雜交;斑點(diǎn)印跡技術(shù);陽(yáng)性克隆
中圖分類號(hào):S688.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2015.01.001
隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化水平的不斷提高,人們的健康意識(shí)和審美意識(shí)不斷提高,使得城市綠化越來(lái)越受到重視。草坪作為一種優(yōu)良的綠化材料,種植面積迅速擴(kuò)大。草坪草可分為暖季型草坪草和冷季型草坪草。其中,在寒冷條件下能正常生長(zhǎng)發(fā)育的草坪草就是冷季型草坪草,常見(jiàn)于溫帶和副極帶地區(qū),如早熟禾(Poa Prateusis)、黑麥草(Lolium perenne)、剪股穎(Agrostis tenui)和羊茅(Festuca avina)等。其生長(zhǎng)的最適溫度為15~24 ℃,高于30 ℃一般會(huì)出現(xiàn)夏季枯黃和死亡現(xiàn)象。冷季型草坪草的綠期相對(duì)較長(zhǎng),但隨著全球氣溫的升高以及城市熱島效應(yīng)的日益凸顯,越夏就成了冷季型優(yōu)良草坪草品種亟需解決的問(wèn)題。如何提高冷季型草坪草的抗熱性顯得尤為重要,因此,研究草坪草的高溫脅迫機(jī)理特別是其生理機(jī)制和分子機(jī)制對(duì)于鑒定和選育耐熱的冷季型草坪草具有重要的理論和實(shí)踐意義。當(dāng)植物受到低溫或者高溫脅迫時(shí),正常的生理過(guò)程受到干擾,細(xì)胞代謝紊亂,生長(zhǎng)被抑制。但是植物也可以通過(guò)應(yīng)激反應(yīng)延緩或者阻止傷害的發(fā)生,這就為人們通過(guò)各種管理和調(diào)控措施改善草坪草的抗熱性和抗寒性提供了可能性。對(duì)于逆境生理和抗性調(diào)控機(jī)理的研究可以更詳細(xì)地了解草坪草的生理特性,為草坪草的建植、養(yǎng)護(hù)和管理,以及新品種的選育提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
冷季型草坪草抗熱性有相關(guān)研究主要從生理生態(tài)學(xué)角度對(duì)比熱敏感和耐熱植株在高溫脅迫下的形態(tài)和生理指標(biāo),以及植株在熱脅迫前后的生理生態(tài)變化,通過(guò)一些物理、化學(xué)等手段,改善草坪草的耐熱性,例如管理措施(覆蓋、澆水、修剪等)、抗性鍛煉、施肥、施用生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和育種等。然而基因才是真正調(diào)控植物對(duì)環(huán)境響應(yīng)方式的物質(zhì),因此,草坪草耐熱性相關(guān)基因必然成為深入研究草坪草耐熱性的關(guān)鍵和熱點(diǎn)。目前,分離并克隆草坪草抗逆基因的研究已有部分報(bào)道。李廣存等[1]對(duì)草坪草狗牙根中抗逆基因BeDREB進(jìn)行了克隆及功能鑒定;Li等[2]利用抑制差減雜交的方法研究了耐高溫剪股穎的高溫脅迫響應(yīng)基因;George 等[3]和Velculescu等[4]在熱脅迫下對(duì)比了剪股穎耐熱與不耐熱品種根、莖中的基因差異表達(dá),鑒定和描述了蘋果菌素基因AsEXP1與剪股穎耐熱性的關(guān)系。
抑制消減雜交(Suppression subtractive hybridization,SSH)技術(shù)己成功地從植物中克隆了很多重要基因[5]。SSH的主要缺點(diǎn)就是產(chǎn)生假陽(yáng)性,因?yàn)樵谙麥p過(guò)程中,只有一個(gè)過(guò)程可富集目的基因,因此不可避免地會(huì)增加背景序列。而將斑點(diǎn)印跡技術(shù)應(yīng)用于抑制消減雜交差別表達(dá)基因克隆的初篩,一方面可以鑒定文庫(kù)質(zhì)量,另一方面它可以進(jìn)一步剔除文庫(kù)中的假陽(yáng)性克隆,真正獲得目的優(yōu)勢(shì)表達(dá)的基因。高羊茅(Festuca arundinacea)作為耐熱性相對(duì)較好的冷季型草坪草,近年來(lái)在亞熱帶地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)以冷季型草坪草高羊茅為研究對(duì)象,在兩年生理生態(tài)指標(biāo)測(cè)定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步做了分子水平的研究,進(jìn)行了高溫脅迫下草坪草高羊茅抑制差減雜交文庫(kù)的構(gòu)建和差異表達(dá)基因的斑點(diǎn)雜交,通過(guò)信號(hào)掃描獲得陽(yáng)性克隆,為后續(xù)的序列特征和功能預(yù)測(cè)試驗(yàn)提供依據(jù),同時(shí)為草坪草引入編碼代謝途徑的大片段DNA的轉(zhuǎn)基因育種工作提供相關(guān)依據(jù),結(jié)合恰當(dāng)?shù)乃收{(diào)控措施有效提高草坪草的抗熱性等逆境承受能力。
1 材料和方法
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 試驗(yàn)品種 試驗(yàn)所選品種為凌志高羊茅(Festuca arundinacea cv. Barlexas),種子購(gòu)自北京克勞沃種子公司。選擇健康的草坪草種子播種在裝有混合培養(yǎng)基質(zhì)(沙子/蛭石/有機(jī)營(yíng)養(yǎng)土 = 3/1/1)的聚乙烯花盆中。聚乙烯花盆直徑為13 cm,深14 cm,每盆播種175~180粒種子。所有盆缽在室外自然光照下進(jìn)行培養(yǎng),氣溫為15~26 °C。盆缽內(nèi)的草坪草每天用自來(lái)水澆灌至盆缽底有水從小孔滲出,每周用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液[6]澆灌一次。20 d后將所有盆缽再轉(zhuǎn)移到人工氣候箱(型號(hào):LRH-300-CS,廣東省醫(yī)療器械廠生產(chǎn))培養(yǎng)14 d,管理方式同上,人工氣候箱被設(shè)置為14 h的光周期,光照強(qiáng)度為400 μmol·m-2·s-1, 相對(duì)濕度為(65 ±10)%, 溫度為26 °C /15 °C (晝/夜,對(duì)照溫度)。盆缽在人工氣候箱內(nèi)隨機(jī)擺放并定期交換以保證每盆所受內(nèi)部環(huán)境影響一致。
一半草坪草轉(zhuǎn)入38/30 °C(晝/夜)的培養(yǎng)箱中進(jìn)行高溫脅迫(處理植株),光照、相對(duì)濕度以及管理方式均與對(duì)照溫度下光照培養(yǎng)箱中的一致。另一半仍舊在原條件下培養(yǎng)作為對(duì)照植株。在脅迫第6 h時(shí)取處理和對(duì)照的高羊茅葉片分別提取總RNA進(jìn)行試驗(yàn)。
1.1.2 試劑 RNAiso-mate for Plant Tissue,D325S,TaKaRa;RNAisoTM Plus,D9108B,TaKaRa; PCR-Select cDNA Subtraction Kit,637401,Clontech;Super SMARTTM PCR cDNA Synthesis Kit,635000,Clontech;QIAquick PCR Purification Kit,28104,Qiagen;Advantage 2 Polymerase Mix,639201,Clontech;DL2000,條帶依次為2 000,1 000, 750,500,250,100(Marker),D501A,TaKaRa。
1.2 試驗(yàn)儀器
PCR儀,ABI 9700型PCR擴(kuò)增儀;離心機(jī),5418型,eppendorf;凝膠成像系統(tǒng),Tanon 2500,天能公司;紫外分光光度計(jì),GeneQuant II,Pharmacia Biotech。
1.3 試驗(yàn)方法
1.3.1 高羊茅總RNA提取與mRNA的分離、純化 取50~100 mg組織于液氮中研磨,加入1 mL緩沖液提取組織總RNA。將總RNA溶于DEPC-H2O,用Dnase I 37 ℃處理30 min,抽提純化RNA。用甲醛變性瓊脂糖凝膠電泳對(duì)總RNA的濃度及純度進(jìn)行檢測(cè)。
1.3.2 高羊茅SSH文庫(kù)的構(gòu)建 將提取出的RNA反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,然后對(duì)cDNA進(jìn)行純化以及cDNA RsaI酶切,將雙鏈cDNA消化成短的平端cDNA片段,便于下一步的差減和接頭連接,具體可參考PCR-Select cDNA Subtraction Kit說(shuō)明書。接頭連接和差減雜交,進(jìn)行兩輪差減雜交,并且對(duì)兩輪差減雜交結(jié)果進(jìn)行差減PCR。純化PCR產(chǎn)物,提取4 mL,并用TaKaRa公司的PMDl9-T Vector連接消減雜交片段。用氯化鈣二次重懸法制備感受態(tài)大腸桿菌。取出儲(chǔ)存于-80 ℃的大腸桿菌菌株的保存菌液,37 ℃下,轉(zhuǎn)速為225 r·min-1,擴(kuò)大培養(yǎng)約至2.5~3.0 h,OD600=0.4時(shí)結(jié)束。將0.1 mol·L-1CaCl2溶液冰水浴冷卻,提取2 mL并輕輕震蕩菌體至均勻,冰水浴30 min后,得到感受態(tài)細(xì)胞懸液;加入5 mL連接產(chǎn)物,在恒溫振蕩器上復(fù)蘇培養(yǎng)80 min,讓受體菌恢復(fù)正常生長(zhǎng); 37 ℃在LB固體培養(yǎng)基平板上均勻涂布Amp(50 μg·mL-1)、x-gal(80 μg·mL-1)和IPTG(0.5 mmol·L-1),倒置培養(yǎng)于恒溫培養(yǎng)箱中14~16 h,直至長(zhǎng)出大小合適的藍(lán)、白菌落。取白色飽滿菌落置于96細(xì)胞培養(yǎng)板,于37 ℃下靜置培養(yǎng)16~20 h,加入13 μL甘油(甘油經(jīng)過(guò)高壓蒸汽滅菌)混勻,-70 ℃保存,即可建成SSH文庫(kù)。
1.3.3 斑點(diǎn)雜交 根據(jù)下列方陣點(diǎn)膜,每個(gè)點(diǎn)各取0.6 μLPCR產(chǎn)物(插入片斷鑒定PCR產(chǎn)物)。
2 結(jié)果與分析
SSH和基因芯片技術(shù)的相結(jié)合是從陽(yáng)性克隆中篩選差異基因比較理想的方法,它在一次雜交中就可對(duì)成千上萬(wàn)的基因進(jìn)行檢測(cè),但是首先要有預(yù)先制備好的基因表達(dá)譜芯片。制備一張較完備的基因芯片經(jīng)費(fèi)要求較高,需要對(duì)研究對(duì)象的遺傳背景有較好的了解。另外,運(yùn)用基因芯片研究基因表達(dá)時(shí),低豐度的基因往往難以檢測(cè)出來(lái)。因此,對(duì)于一些遺傳背景不清晰的物種來(lái)說(shuō),利用傳統(tǒng)意義上的基因芯片技術(shù)研究其在不同代謝或生理狀態(tài)的基因表達(dá)譜的變化是困難而且不經(jīng)濟(jì)的。因此,將斑點(diǎn)印跡技術(shù)應(yīng)用于抑制消減雜交差別表達(dá)基因克隆的初篩,一方面可以鑒定文庫(kù)質(zhì)量,更重要的是可以進(jìn)一步剔除文庫(kù)中的假陽(yáng)性克隆,真正獲得目的優(yōu)勢(shì)表達(dá)的基因。本試驗(yàn)即在應(yīng)用SSH技術(shù)建立高羊茅耐熱基因抑制消減文庫(kù),然后使用斑點(diǎn)印跡技術(shù)對(duì)差別表達(dá)基因克隆進(jìn)行初步篩選,獲得陽(yáng)性克隆。
根據(jù)陽(yáng)性克隆信號(hào)強(qiáng)弱的數(shù)據(jù),變化倍數(shù)取log2,然后進(jìn)行升序排列的結(jié)果,得到上調(diào)和下調(diào)結(jié)果。上調(diào)的基因?yàn)?1個(gè);下調(diào)基因?yàn)?2個(gè),這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)與草坪草抗熱性的獲得顯著相關(guān),是研究所關(guān)注的基因組,將進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行測(cè)序和分析。其余還有下調(diào)基因145個(gè),這部分基因與抗熱性的獲得相關(guān),但不是關(guān)鍵基因,這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以作為選測(cè)數(shù)據(jù),以便對(duì)抗熱相關(guān)基因進(jìn)行測(cè)序和生物信息學(xué)分析。
3 討 論
在本研究中,為了從已構(gòu)建好的消減文庫(kù)中篩選差異表達(dá)基因,分別以正向和反向SSH探針與尼龍膜上的消減cDNA質(zhì)粒進(jìn)行雜交,消減cDNA質(zhì)粒與具有同源序列的探針結(jié)合,經(jīng)洗滌去除未結(jié)合的質(zhì)粒,經(jīng)相應(yīng)的顯色反應(yīng)顯出雜交信號(hào)。通過(guò)雜交信號(hào)的強(qiáng)度差異篩選出陽(yáng)性克隆。
當(dāng)植物受到高溫脅迫時(shí),正常的生理過(guò)程受到干擾,細(xì)胞代謝紊亂。同時(shí),植物也可以通過(guò)應(yīng)激反應(yīng)延緩或者阻止傷害的發(fā)生。有關(guān)逆境生理和抗性調(diào)控機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[7-10],試驗(yàn)表明:在植物受到脅迫時(shí),體內(nèi)的各種生化指標(biāo)都會(huì)發(fā)生變化,甚至產(chǎn)生一些新的蛋白,如熱激蛋白,保護(hù)植物免受或延緩傷害[11]?,F(xiàn)有研究已經(jīng)知道植物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的大多數(shù)生理響應(yīng)都得通過(guò)改變基因表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)在中等脅迫或者外源物質(zhì)的刺激下,各種保護(hù)機(jī)制也會(huì)快速反應(yīng)[12],從而減輕了進(jìn)一步的脅迫對(duì)植物體造成的傷害??梢?jiàn),抗逆基因的響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于生理指標(biāo)的變化。
植株對(duì)逆境的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程,所表達(dá)的差異基因涉及到生理代謝的各個(gè)方面[13]。傳統(tǒng)的研究受到研究手段和方法的限制,往往只能從一個(gè)方面去認(rèn)識(shí)逆境下的生理或者基因的變化規(guī)律,而不能全面地揭示逆境引起的基因組變化[14]。現(xiàn)代基因組學(xué)為系統(tǒng)研究逆境差異基因提供了條件,避免了研究的盲目性。在本試驗(yàn)中共獲得252個(gè)差異基因,通過(guò)進(jìn)一步的生物信息學(xué)分析可以知道他們的功能、涉及的代謝系統(tǒng),以及與抗熱性的相關(guān)性,從而為后續(xù)的基因克隆、調(diào)控提供試驗(yàn)支持。
4 結(jié) 論
(1)本試驗(yàn)從正向和反向文庫(kù)中分別隨機(jī)挑選了384個(gè)克隆,利用斑點(diǎn)雜交共得到252個(gè)差異片段,庫(kù)中陽(yáng)性克隆約占50%以上。
(2)陽(yáng)性克隆中,91個(gè)為上調(diào)基因,161個(gè)為下調(diào)基因。這些基因即為試驗(yàn)所要尋找的差異表達(dá)基因,他們與高羊茅的耐熱性比密切相關(guān)。
(3)本試驗(yàn)為草坪草耐熱基因的研究提供了基礎(chǔ),可進(jìn)行后續(xù)的測(cè)序和功能鑒定工作,同時(shí)也為草坪草轉(zhuǎn)基因育種提供了相關(guān)依據(jù),結(jié)合恰當(dāng)?shù)乃收{(diào)控,可有效提高草坪草的逆境耐受力,從而延長(zhǎng)青綠期,提高生態(tài)價(jià)值。
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4 結(jié) 論
(1)本試驗(yàn)從正向和反向文庫(kù)中分別隨機(jī)挑選了384個(gè)克隆,利用斑點(diǎn)雜交共得到252個(gè)差異片段,庫(kù)中陽(yáng)性克隆約占50%以上。
(2)陽(yáng)性克隆中,91個(gè)為上調(diào)基因,161個(gè)為下調(diào)基因。這些基因即為試驗(yàn)所要尋找的差異表達(dá)基因,他們與高羊茅的耐熱性比密切相關(guān)。
(3)本試驗(yàn)為草坪草耐熱基因的研究提供了基礎(chǔ),可進(jìn)行后續(xù)的測(cè)序和功能鑒定工作,同時(shí)也為草坪草轉(zhuǎn)基因育種提供了相關(guān)依據(jù),結(jié)合恰當(dāng)?shù)乃收{(diào)控,可有效提高草坪草的逆境耐受力,從而延長(zhǎng)青綠期,提高生態(tài)價(jià)值。
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4 結(jié) 論
(1)本試驗(yàn)從正向和反向文庫(kù)中分別隨機(jī)挑選了384個(gè)克隆,利用斑點(diǎn)雜交共得到252個(gè)差異片段,庫(kù)中陽(yáng)性克隆約占50%以上。
(2)陽(yáng)性克隆中,91個(gè)為上調(diào)基因,161個(gè)為下調(diào)基因。這些基因即為試驗(yàn)所要尋找的差異表達(dá)基因,他們與高羊茅的耐熱性比密切相關(guān)。
(3)本試驗(yàn)為草坪草耐熱基因的研究提供了基礎(chǔ),可進(jìn)行后續(xù)的測(cè)序和功能鑒定工作,同時(shí)也為草坪草轉(zhuǎn)基因育種提供了相關(guān)依據(jù),結(jié)合恰當(dāng)?shù)乃收{(diào)控,可有效提高草坪草的逆境耐受力,從而延長(zhǎng)青綠期,提高生態(tài)價(jià)值。
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天津農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年1期