盧興國，張 貴，田再民，侯丁一，趙 君，張之為

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

馬鈴薯StBAG3基因cDNA的克隆及晚疫菌對(duì)其誘導(dǎo)表達(dá)

盧興國，張 貴，田再民，侯丁一，趙 君，張之為

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

為了研究馬鈴薯內(nèi)源BAG基因在晚疫病抗性建立中的作用，利用擬南芥和水稻的BAG基因保守序列，在馬鈴薯基因庫中比對(duì)獲得馬鈴薯內(nèi)源StBAG3的基因序列。以StBAG3基因序列為模板設(shè)計(jì)引物，通過RT-PCR克隆得到了StBAG3基因cDNA序列。序列分析的結(jié)果表明，該基因開放閱讀框?yàn)? 026 bp，編碼341個(gè)氨基酸。蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果表明，StBAG3具有UBQ和BAG 2個(gè)保守功能域。StBAG3基因的表達(dá)譜分析結(jié)果顯示，不同馬鈴薯品種中StBAG3基因表達(dá)水平存在差異，其中在冀張薯12號(hào)中表達(dá)量最高，而夏坡蒂中表達(dá)量最低。該基因在馬鈴薯不同組織中表達(dá)量測定結(jié)果表明，馬鈴薯莖中的表達(dá)水平最高，老葉中表達(dá)水平最低。接種晚疫菌后，StBAG3能夠被顯著上調(diào)并在接種48 h后達(dá)到最高值，預(yù)示著StBAG3基因在馬鈴薯晚疫病抗性建立過程中具有一定的調(diào)控作用。

馬鈴薯；StBAG3；基因克??；晚疫菌；表達(dá)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是世界第四大糧食作物[1]，其種植面積和產(chǎn)量僅次于小麥、水稻和玉米[2]。目前，我國馬鈴薯的種植面積和總產(chǎn)量居世界首位[3]，而內(nèi)蒙古是我國重要的馬鈴薯種薯、商品薯和加工專用薯的生產(chǎn)基地。2015年，我國農(nóng)業(yè)部正式將馬鈴薯作為主糧產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)[4]。因此，保障馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的安全是從事馬鈴薯研究人員的重要任務(wù)。

馬鈴薯種植過程中會(huì)受到多種病蟲害的危害，其中以馬鈴薯晚疫病危害最為嚴(yán)重[5]。由于馬鈴薯主栽品種缺乏對(duì)晚疫病的抗性，導(dǎo)致了化學(xué)藥劑成為防控晚疫病的主要措施[6]。高頻率大劑量的使用殺菌劑，一方面，增加了晚疫病菌對(duì)殺菌劑的抗性[7-10]，另一方面，過度使用化學(xué)殺菌劑容易導(dǎo)致土壤板結(jié)，增加CO2的排放，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[11]。因此，采用分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行抗病育種是未來保障馬鈴薯產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。

BAG蛋白(Bcl-2 associated athanogene)是一類多功能蛋白家族，最初從哺乳物克隆得到，由于這類蛋白能夠與抗凋亡蛋白Bcl-2結(jié)合并促進(jìn)細(xì)胞生存，因而被命名為Bcl-2 關(guān)聯(lián)基因[12]。目前，在酵母、動(dòng)物、植物中都發(fā)現(xiàn)了BAG蛋白[13-15]。相比于動(dòng)物，植物中的BAG基因功能研究較少[13]。研究者最早從擬南芥中克隆得到植物BAG基因并證明了它能夠調(diào)控植物的抗逆反應(yīng)[16]；如超量表達(dá)AtBAG4的煙草表現(xiàn)出對(duì)紫外脅迫、鹽脅迫、干旱脅迫、氧脅迫的多種抗性[17]。敲除AtBAG4的擬南芥突變體與野生型突變體相比，出現(xiàn)提前開花，營養(yǎng)期和生殖期縮短，根和花序多分支的現(xiàn)象[16]。但是，在擬南芥過表達(dá)來源于葡萄的BAG基因HSG1也會(huì)出現(xiàn)提前開花情況，并表現(xiàn)出對(duì)高溫脅迫的抗性[18]。也有一些有關(guān)BAG基因參與植物抗病過程的報(bào)道，如敲除AtBAG6的擬南芥突變體更易被腐生性真菌侵染，過表達(dá)AtBAG6的擬南芥突變體則表現(xiàn)出植株矮小、葉片損傷癥狀[17]，同時(shí)轉(zhuǎn)基因植株細(xì)胞中胼胝質(zhì)含量提高的結(jié)果預(yù)示著AtBAG6可能是通過調(diào)控植株的過敏反應(yīng)來加強(qiáng)擬南芥生物脅迫抗性[16]。類似的，在擬南芥中超量表達(dá)來源于草莓的BAG6基因FvBAG6能夠提高對(duì)炭疽病的抗性水平[19]。目前，水稻中發(fā)現(xiàn)6個(gè)BAG蛋白的同源物，它們?cè)谒緦?duì)各種生物脅迫的反應(yīng)中也具有一定的調(diào)控作用[20]。而有關(guān)馬鈴薯中的BAG基因的研究還未見報(bào)道。

通過分析擬南芥和水稻中已經(jīng)克隆得到的AtBAG4和OsBAG4的蛋白序列，找到BAG蛋白的功能域保守序列，以此序列在馬鈴薯基因庫中比對(duì)得到StBAG3的基因序列。以此序列為模板設(shè)計(jì)引物，通過PCR克隆得到StBAG3基因。通過ExPASy對(duì)StBAG3基因編碼的蛋白氨基酸序列和相應(yīng)的蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測。同時(shí)，還對(duì)BAG基因的表達(dá)譜以及接種晚疫病菌后該基因轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行了研究。該研究結(jié)果填補(bǔ)了BAG基因在馬鈴薯中的研究空白，初步探究了StBAG3在馬鈴薯晚疫病抗性建立過程中的作用。

1 材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1 供試的馬鈴薯材料 供試的馬鈴薯為無菌試管苗克新1號(hào)、冀張薯12、夏坡蒂、大西洋、費(fèi)烏瑞它、底西瑞。試管苗在人工氣候室的培養(yǎng)條件為光照16 h，25 ℃，黑暗8 h，18 ℃。提取RNA所用馬鈴薯在人工氣候室培養(yǎng)14 d即可取樣。

1.1.2 供試載體與菌株 克隆載體pEASY-Blunt Simple Cloning Kit(卡納霉素抗性)和大腸桿菌感受態(tài)Trans-T1購自全式金公司(北京)；馬鈴薯晚疫菌由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)植物分子病理實(shí)驗(yàn)室保存，其交配型是A1型。

1.1.3 酶及試劑 高保真酶PrimeSTAR HS DNA Polymerase、RNA提取試劑盒RNAiso Reagent和PCR產(chǎn)物回收試劑盒均購自TaKaRa公司(北京)。反轉(zhuǎn)錄試劑盒購自Vazyme公司(南京)，PCR產(chǎn)物純化回收試劑盒購自Axygen公司(北京)。

1.1.4 引物設(shè)計(jì) 根據(jù)StBAG3序列和GAPDH序列設(shè)計(jì)引物，引物由Sagon公司(上海)合成。分別為：BAG3-F：5-′CATGCCATGGATGATGCGAATGAAGACC-3′；BAG3-R：5-′CGGACTAGTCGAGCAAATCCCAATTG-3′；GAPDH-F：5-′TGGACAATGGAAGCACCATGAGC-3′；GAPDH-R：5-′TGCTTGACCTGCTGTCACCAAGA-3′。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1 RNA的提取和cDNA合成 利用RNAiso(TaKaRa公司)試劑提取生長14 d的馬鈴薯幼苗葉片總RNA，cDNA第一鏈合成參照Vazyme公司的反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書。

1.2.2StBAG3基因克隆 以cDNA為模板，BAG3-F和BAG3-R為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR程序?yàn)椋?8 ℃預(yù)變性10 min；94 ℃變性10 s，55 ℃退火15 s，72 ℃延伸70 s，循環(huán)30次，最后4 ℃終止反應(yīng)。利用Axygen公司的PCR產(chǎn)物純化回收試劑盒對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行純化，連接到中間載體pEASY-Blunt Simple Cloning Kit上，將中間載體轉(zhuǎn)化至大腸桿菌，篩選陽性克隆后，送美吉生物公司測序。

1.2.3StBAG3基因表達(dá)譜分析 提取不同馬鈴薯品種(克新1號(hào)、冀張薯12、夏坡蒂、大西洋、費(fèi)烏瑞它、底西瑞)葉片和大西洋、夏坡蒂不同組織(老葉、嫩葉、莖、根)的總RNA，采用半定量RT-PCR方法，以GAPDH基因?yàn)閮?nèi)參，分析StBAG3基因相對(duì)表達(dá)量，PCR程序?yàn)椋?8 ℃預(yù)變性10 min；94 ℃變性10 s，55 ℃退火15 s，72 ℃延伸70 s，循環(huán)30次；最后4 ℃終止反應(yīng)。利用軟件Quantity One分析表達(dá)量，根據(jù)PCR產(chǎn)物條帶的強(qiáng)弱，以StBAG3/GAPDH表達(dá)StBAG3基因相對(duì)表達(dá)量。

1.2.4 接種晚疫菌后StBAG3基因表達(dá)量分析 將生長30 d的馬鈴薯晚疫菌的菌絲用接種針刮入裝有無菌水的離心管中反復(fù)搖晃沖洗，4 ℃下放置3 h誘導(dǎo)游動(dòng)孢子釋放，調(diào)節(jié)孢子濃度至1×106個(gè)/mL。取10 μL孢子液接種在離體馬鈴薯葉片背面，并放置在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)(光照16 h，25 ℃，黑暗8 h，20 ℃)。分別在接種后0，12，24，36，48，72 h取樣檢測StBAG3基因相對(duì)表達(dá)量。

2 結(jié)果與分析

2.1StBAG3基因的克隆

通過對(duì)AtBAG4和OsBAG4的蛋白序列比對(duì)分析在馬鈴薯基因庫中找到StBAG3基因，該基因全長為2 074 bp，開放閱讀框?yàn)? 026 bp，編碼341個(gè)氨基酸(圖1)。通過RT-PCR的方法克隆得到StBAG3的cDNA片段，cDNA片段長度約1 000 bp(圖2)。測序結(jié)果表明，克隆得到的cDNA片段與StBAG3同源性為100%(圖3)。

起始密碼子、終止密碼子和3′UTR區(qū)的終止信號(hào)用下劃線標(biāo)記。The start codon, stop codon and termination signals of 3′UTR regionare underlined.

M.D2000 Marker；1.陰性對(duì)照；2、3.不同樣本。M.D2000 Marker；1.Negative control；2，3.Different samples.

2.2不同物種來源的StBAG基因的聚類分析

為了進(jìn)一步確定StBAG3和其他物種同源基因的遺傳距離，選取了番茄、煙草、擬南芥、水稻、小麥和首次發(fā)現(xiàn)BAG蛋白的動(dòng)物家鼠的BAG蛋白與馬鈴薯的StBAG3蛋白進(jìn)行聚類分析(圖4)。結(jié)果表明StBAG3與來自于番茄SlBAG1、SlBAG3和煙草的NtBAG1基因遺傳距離最近，其次為擬南芥的AtBAG1和AtBAC3基因，與水稻OsBAG1和小麥TaBAG3遺傳距離最遠(yuǎn)。

2.3StBAG3蛋白結(jié)構(gòu)的預(yù)測

利用NCBI網(wǎng)站中的Conserved Domain Search Service(CD Search)工具對(duì)StBAG3基因編碼的蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明，和擬南芥AtBAG4以及水稻的OsBAG4蛋白結(jié)構(gòu)一樣，StBAG3也有2個(gè)保守的功能域UBQ domain和BAG domain(圖5)。二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測結(jié)果表明，StBAG3和其他物種的同源蛋白一樣含有BAG功能域。信號(hào)肽預(yù)測結(jié)果顯示，

圖4 不同物種來源BAG蛋白cDNA序列同源性比較Fig.4 Alignment of different BAG proteins on cDNA sequence

StBAG3無信號(hào)肽。親水性和疏水性分析顯示StBAG3蛋白是一種胞內(nèi)可溶性蛋白。蛋白的空間構(gòu)象預(yù)測結(jié)果顯示，該蛋白在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體中均存在。

2.4不同馬鈴薯中StBAG3表達(dá)量分析

StBAG3基因在6個(gè)馬鈴薯品種(克新1號(hào)、冀張薯12、夏坡蒂、大西洋、費(fèi)烏瑞它、底西瑞)中表達(dá)水平檢測結(jié)果表明，該基因在供試的6個(gè)品種中都有表達(dá)，但表達(dá)量不同。其中，冀張薯12中表達(dá)量最高，夏坡蒂StBAG3基因表達(dá)量最低，其余4個(gè)品種中StBAG3的表達(dá)量介于上述2個(gè)品種之間(圖6)。

圖5 AtBAG4、OsBAG4和StBAG3的功能域比較Fig.5 The functional domain alignment of AtBAG4，OsBAG4 and StBAG3

圖6 不同馬鈴薯品種中內(nèi)源StBAG3相對(duì)表達(dá)量Fig.6 Endogenous StBAG3 expression level in different potato cultivars

2.5馬鈴薯不同組織中StBAG3表達(dá)量分析

以大西洋和夏坡蒂的老葉、嫩葉、莖、根為樣本，檢測不同組織中StBAG3基因相對(duì)表達(dá)量，結(jié)果表明，StBAG3在供試的2個(gè)馬鈴薯品種的不同組織的表達(dá)模式非常相似，即StBAG3基因的相對(duì)表達(dá)量由高到低依次是：莖、嫩葉、根、老葉(圖7)。

2.6馬鈴薯葉片中StBAG3在接種前后轉(zhuǎn)錄水平的變化

為了研究StBAG3在馬鈴薯抗晚疫病過程中的功能，用晚疫菌接種不同的馬鈴薯品種(夏坡蒂和冀張薯12)并在不同時(shí)間點(diǎn)取樣測定StBAG3的相對(duì)表達(dá)量。結(jié)果表明，接種晚疫菌后，2個(gè)不同馬鈴薯中StBAG3基因的表達(dá)量均被上調(diào)，并在接種48 h后達(dá)到峰值，隨后開始下降。相比較而言，冀張薯12中StBAG3基因接種后上調(diào)的幅度要高于夏坡蒂(圖8)。

圖7 馬鈴薯不同組織中StBAG3基因的相對(duì)表達(dá)量Fig.7 Relative expression of StBAG3 by densitometric analysis in different tissues of different potato cultivars

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)通過分析擬南芥和水稻的BAG蛋白得到2個(gè)保守的功能域BAG功能域和UBQ功能域，利用BAG功能域的保守序列，在馬鈴薯基因庫中比對(duì)獲得馬鈴薯內(nèi)源StBAG3基因序列。利用NCBI網(wǎng)站中的Conserved Domain Search Service(CD Search)工具對(duì)StBAG3基因編碼的蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明，和擬南芥AtBAG4以及水稻的OsABG4蛋白結(jié)構(gòu)一樣，StBAG3也有2個(gè)保守的功能域UBQ domain和BAG domain。氨基酸序列聚類分析結(jié)果表明，StBAG3與番茄BAG蛋白(SlBAG1、SlBAG3)和煙草BAG蛋白(NtBAG1)親緣關(guān)系較近，預(yù)示著，BAG蛋白能在馬鈴薯、番茄和煙草中發(fā)揮相似的作用。

圖8 不同晚疫菌接種時(shí)間StBAG3的表達(dá)量

StBAG3基因在不同品種的馬鈴薯和馬鈴薯的不同組織細(xì)胞中都有表達(dá)，但是其表達(dá)水平有明顯的差異，說明馬鈴薯中的StBAG3可能參與調(diào)節(jié)馬鈴薯的生長發(fā)育過程。此外，StBAG3基因在莖和嫩葉的相對(duì)表達(dá)量較高，說明StBAG3極有可能調(diào)控馬鈴薯的莖和葉片的生長和分化。不同品種的馬鈴薯在受到馬鈴薯晚疫菌的誘導(dǎo)后，StBAG3基因的表達(dá)量都有上升，說明StBAG3可能參與調(diào)控馬鈴薯抗晚疫病過程，這一初步的結(jié)果預(yù)示著StBAG3可能會(huì)成為馬鈴薯的抗性育種中可以被利用的抗性基因。然而，StBAG3在馬鈴薯抗晚疫病過程中如何發(fā)揮其調(diào)控作用還有待進(jìn)一步研究。

在人體中，BAG蛋白被證明參與腫瘤發(fā)生[21]、HIV侵染[22-23]和帕金森綜合征的發(fā)生[24]，因此，對(duì)動(dòng)物細(xì)胞中BAG蛋白的功能研究比較充分。相比之下，對(duì)植物中BAG蛋白的同源物的功能并未完全了解[13]。植物中的BAG蛋白最早在擬南芥中發(fā)現(xiàn)[16]，水稻也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了BAG蛋白的同源物[20]，目前尚未有關(guān)于馬鈴薯BAG蛋白的研究報(bào)道。本研究首次克隆出StBAG3基因，并證明StBAG3能夠被晚疫菌誘導(dǎo)表達(dá)，說明StBAG3可能參與調(diào)控馬鈴薯抗晚疫病過程。類似的，擬南芥[17]和草莓[19]中的BAG基因被證實(shí)能提高植物對(duì)病原菌的抗性水平，預(yù)示著植物BAG基因可能與植物的抗病性有關(guān)。StBAG3對(duì)馬鈴薯晚疫病抗性是正向調(diào)控還是負(fù)向調(diào)控及StBAG3在馬鈴薯抗晚疫病過程中如何發(fā)揮其調(diào)控作用還有待進(jìn)一步研究。

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CloningofcDNAStBAG3andInducedExpressbyPathogenofPotatoLateBlight

LU Xingguo，ZHANG Gui，TIAN Zaimin，HOU Dingyi，ZHAO Jun，ZHANG Zhiwei

(College of Agronomy，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China)

In order to study the functions ofStBAG3 during the establishment of potato resistance toPhytophthorainfestans(P.infesans)，endogenousStBAG3 gene was cloned from potato through PCR with primers devised based on the conserved sequence ofBAGcloned fromArabidopsisand rice.The sequence analysis results showed the open reading frame ofStBAG3 gene was 1 026 bp and encodes 341 amino acids.The protein secondary structure prediction indicated that the StBAG3 contains two conserved domains，UBQ and BAG.The expression level ofStBAG3 gene in different potato cultivars was variable and Jizhanghsu 12 showed the highest level，whereas，the expression level in Shepody was the lowest one.Also，the expression profile in different tissues of potato was also variable，and it showed highest in stem，but，the lowest in the old leaves.After inoculation withP.infestans，theStBAG3 gene expression was significantly induced and reached to the highest level at 48 h，indicatingStBAG3 is involved in the establishment of potato resistance against potato late blight.

Potato；StBAG3；Gene clone；P.infestans; Expression

2017-07-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260425)

盧興國(1990-)，男，江蘇徐州人，碩士，主要從事分子植物病理研究。

張之為(1982-)，男，內(nèi)蒙古杭錦后旗人，副教授，博士，主要從事分子植物病理研究。

Q812;Q87

A

1000-7091(2017)05-0142-07

10.7668/hbnxb.2017.05.022