張莉芳,楊正修,張學(xué)文,龍炎杏,趙 燕
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128)
植物雌蕊發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)及其調(diào)控研究是植物發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近年來,通過Ac/Ds、T-DNA插入等方法獲得的擬南芥雌蕊發(fā)育異常突變體不斷增加,為雌蕊發(fā)育過程及其調(diào)控的研究提供了豐富的材料,并取得了一些重要的研究成果[1]。雌蕊的發(fā)育最初是心皮的形成,ABCDE模型中相關(guān)C與E類基因共同作用是心皮發(fā)育必要的條件,而這些基因編碼的產(chǎn)物絕大多數(shù)都存在MADS保守區(qū)域,同時(shí)具有調(diào)控其他基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的能力。Alvarez等[2]發(fā)現(xiàn),擬南芥心皮發(fā)育主要受SPATULA(SPT),CRABS CLAW(CRC)及AGAMOUS(AG)基因的控制。
在植物花器官發(fā)育的過程中,SPATULA是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)并起重要作用的基因,其編碼一個(gè)bHLH的轉(zhuǎn)錄因子。Alvarez等[2]通過研究發(fā)現(xiàn),擬南芥spt突變體與野生型比較其心皮變窄變短。Heisler等通過原位雜交技術(shù)證實(shí)SPT在花的分生組織頂部開始表達(dá),其分生組織隨后發(fā)育成雌蕊原基,SPT的表達(dá)也達(dá)到最高[3]。隨著進(jìn)一步發(fā)育成隔膜、柱頭、花柱和輸送管直至開花前,均可在隔膜、柱頭上檢測(cè)到SPT的表達(dá),甚至在角果瓣上仍有表達(dá)[4]。Alvarez等[2]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)SPT功能的缺少會(huì)導(dǎo)致隔膜及頂端心皮融合缺陷,影響柱頭組織的發(fā)育及傳輸束的喪失,說明SPT在植物整個(gè)雌蕊發(fā)育過程中是必不可少的。
薺菜(Capsella bursa-pastoris)與擬南芥(Arabidopsis thaliana)同為十字花科植物,兩者的生長(zhǎng)習(xí)性與植株形態(tài)具有很大的相似性,但它們?cè)谛钠ば螒B(tài)上存在顯著差異,薺菜為三角形的短角果(silicle),而擬南芥為長(zhǎng)柱形的長(zhǎng)角果(silique)。為研究薺菜雌蕊(心皮)形態(tài)建成的分子特異性,趙燕等從擬南芥、薺菜中克隆了心皮發(fā)育相關(guān)基因CRABS CLAW(CRC)CRC,對(duì)擬南芥和薺菜進(jìn)行了交互轉(zhuǎn)化[5,6],但薺菜SPT基因的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)通過同源克隆法從野生型薺菜花蕾中克隆了薺菜的SPT基因,經(jīng)序列分析,同源比對(duì),構(gòu)建了表達(dá)載體pWM101-35S::CbSPT,轉(zhuǎn)化擬南芥,從篩選的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株中觀察到了大量的心皮形態(tài)變異,為揭示十字花科植物心皮的形態(tài)建成及與關(guān)鍵基因SPT的關(guān)系提供依據(jù)。
擬南芥(Arabidopsis thaliana)為 Columbia生態(tài)型;薺菜(Capsella bursa-posteris)為野生型。載體pMD18T-vector(TAKARA公司),大腸桿菌DH5α菌株,農(nóng)桿菌GV3101,Ti質(zhì)粒pWM101,均由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)研究室保存。
1.2.1 薺菜CbSPT基因的克隆
取薺菜植株主花序上的幼嫩花蕾置4℃低溫處理后,采用TAKARA公司RNA提取試劑盒分離總RNA,以總 RNA為模板,用 RT-PCR試劑盒(TAKARA公司)反轉(zhuǎn)錄成cDNA。根據(jù)GenBank收錄的擬南芥SPATULA(SPT)基因的cDNA序列設(shè)計(jì)引物:F:5'-TGTAATGATATCACAGAGAGAAGA-3';R:5'-TCAAGTAATTCGATCTTTTAGGTC-3'(引物由華大基因合成)。PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?5℃預(yù)變性5 min,94℃變性 30 s,55℃退火 30 s,72℃延伸 1.5 min,26個(gè)循環(huán)后72℃終延伸7 min。1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)擴(kuò)增片段大小,將回收的擴(kuò)增片段克隆到pMD18-T載體,獲得pMD18-CbSPT,并轉(zhuǎn)化大腸桿菌 DH5α,在含有 IPTG,X-gal的 LB/Amp平板上篩選白色菌落,對(duì)重組子進(jìn)行菌落PCR及酶切鑒定,序列送華大基因測(cè)序。
1.2.2 薺菜CbSPT基因的序列分析
序列比對(duì)在ClustalX軟件上進(jìn)行,ORF查找及其ORF翻譯,GenBank BLAST和核酸序列的CDD搜索在NCBI網(wǎng)站上進(jìn)行,并將獲得的基因命名為薺菜心皮發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子CbSPT(GenBank:KY210219.1)。氨基酸的比對(duì),系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建,親疏水性的檢測(cè)等在DNAMAN軟件上進(jìn)行。
1.2.3 植物表達(dá)載體pWM101-35S::CbSPT的構(gòu)建及工程農(nóng)桿菌制備
利用植物表達(dá)載體pWM101所帶有的CaMV35S啟動(dòng)子及啟動(dòng)子下游的BamHI和SalI等多克隆位點(diǎn),采用BamHI和SalI雙酶切質(zhì)粒pMD18-CbSPT和植物表達(dá)載體pWM101。試劑盒分別回收、純化獲得CbSPT的cDNA及其載體片段,將兩片段連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,在含Kan的LB培養(yǎng)基中篩選轉(zhuǎn)化菌落,通過菌落PCR及酶切檢測(cè),證實(shí)構(gòu)建的重組質(zhì)粒pWM101-35S::CbSPT的正確性,并通過電擊轉(zhuǎn)化法1800 V 5 ms電擊轉(zhuǎn)化根癌農(nóng)桿菌GV3101,制備工程農(nóng)桿菌。
1.2.4 擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化及抗性植株的篩選鑒定
采用擬南芥浸花序法轉(zhuǎn)化哥倫比亞生態(tài)型擬南芥,選用盛花前期的植株為浸染材料,將整枝后的擬南芥花序浸入制備的浸染液(50 mL過夜培養(yǎng)的工程農(nóng)桿菌OD600為1.0左右,懸浮在100 mL含5 g蔗糖,20μL Silwet-77的MS中)浸染50~60 s,薄膜覆蓋,暗培養(yǎng)24 h,保持水分充足,開花期共侵染2~3次。待種子成熟后收種,并讓其充分干燥,4℃春化處理一周,經(jīng)1%升汞消毒8 min,無菌水充分沖洗后,接種到篩選培養(yǎng)基(1/2MS+10%蔗糖+0.8%瓊脂+30 mg/L潮霉素)上進(jìn)行發(fā)芽篩選,每瓶培養(yǎng)基中鋪加約1000粒種子。對(duì)經(jīng)潮霉素篩選獲得的抗性擬南芥進(jìn)行插入基因片段(CbSPT)下游序列和載體上的35S啟動(dòng)子上游序列PCR聯(lián)合檢測(cè),分離單株擬南芥基因組DNA,上下游檢測(cè)引物分別為 p35S:5'-CTCCACTGACGTAAGGGATGAC-3',pR:5'-TCAAGTAATTCGATCTTTTAGGTC-3',PCR反應(yīng)條件為95℃預(yù)變性5 min,94℃變性 1 min,55℃退火 1 min,72℃延伸 90 s,30個(gè)循環(huán)后,72℃保溫延伸7 min。轉(zhuǎn)基因陽性植株P(guān)CR產(chǎn)物大小約為1200 bp。
1.2.5 轉(zhuǎn)基因擬南芥的心皮形態(tài)顯微觀察
在體視顯微鏡(OLYMPUS SZX10)下觀察轉(zhuǎn)基因擬南芥心皮形態(tài),并進(jìn)行分析。
采用TAKARA公司試劑盒提取薺菜花蕾RNA,以設(shè)計(jì)的F,R為引物從RNA反轉(zhuǎn)錄后獲得的cDNA上PCR擴(kuò)增SPT基因,電泳檢測(cè)顯示(圖1),條帶特異性高,與預(yù)期大小相符。
將測(cè)序結(jié)果經(jīng)NCBI在線BLAST分析,發(fā)現(xiàn)其與擬南芥AtSPT轉(zhuǎn)錄因子基因覆蓋率達(dá)95%,相似性達(dá)87%。通過NCBI的ORF finder進(jìn)行開放閱讀框分析并翻譯,該基因序列全長(zhǎng)1047 bp,共編碼348個(gè)氨基酸(圖2),與擬南芥AtSPT基因的核酸序列和氨基酸序列的同源性分別達(dá)到98%和93%左右,說明同源克隆所獲得的薺菜CbSPT序列是正確的。
圖1 薺菜CbSPT基因PCR擴(kuò)增電泳檢測(cè)結(jié)果Fig.1 PCR amplification of CbSPT gene from Capsella bursa-pastoris
圖2 薺菜CbSPT序列測(cè)序結(jié)果及對(duì)應(yīng)的氨基酸序列CbSPT共1047 bp,編碼348個(gè)氨基酸。Fig.2 Sequence results and corresponding amino acid sequences of CbSPT sequence from Capsella bursa-pastoris
利用ProtScale軟件進(jìn)行親疏水性預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)在第113位具有最高分值1.325,122位達(dá)1.218,這2個(gè)位點(diǎn)疏水性較強(qiáng),在第10位具有最低分-3.812,其親水性最強(qiáng),而在第140,210位都具有較低分-2.765,-2.963。整條多肽鏈表現(xiàn)為親水性,無明顯疏水區(qū)域,故推測(cè)該蛋白為一種親水蛋白。
以擬南芥(Arabidopsis thaliana丨AEE86720丨),亞麻薺(Camelina sativa丨 XP_010437251丨),歐洲油菜(Brassica napus丨 XP_013723019丨),甘藍(lán)(Brassica oleraceavar.capitata丨 AHK05707丨),蕪菁(Brassica rapa丨 XP_009109363丨),梅(Prunus mume丨 XP_008241481丨),醉碟花(Tarenaya hassleriana丨XP_010531245丨)氨基酸殘基序列與薺菜CbSPT基因氨基酸序列進(jìn)行氨基酸同源性分析,結(jié)果如圖3所示。薺菜CbSPT氨基酸序列與近源物種擬南芥、亞麻薺、歐洲油菜、甘藍(lán)、蕪菁、梅、醉蝶花相似性分別為 98%,89%,83%,83%,79%,73%,68%。
圖3 薺菜SPT與其他物種SPT的氨基酸序列比對(duì)Fig.3 Comparison of am ino acid sequences of CbSPT and SPT with other species
通過MEGA 6.0軟件選取以上物種的SPT氨基酸序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)育樹顯示薺菜與擬南芥在同一分支,其余6種為同一分支(圖4)。從氨基酸同源性對(duì)比結(jié)果來看,薺菜CbSPT與擬南芥同源性最高,為98%。亞麻薺、歐洲油菜、甘藍(lán)、蕪菁、梅、醉蝶花雖與薺菜、擬南芥不在一個(gè)分支,但薺菜CbSPT與亞麻薺、歐洲油菜、甘藍(lán)同源性皆在80%以上。因此,該基因在不同的物種間具有很強(qiáng)的保守性,他們對(duì)應(yīng)的蛋白應(yīng)屬同一家族。
圖4 7個(gè)物種基于SPT氨基酸序列的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.4 Phylogenetic tree of seven species based on SPT amino acid sequences
以Ti質(zhì)粒pWM101為基礎(chǔ),將CbSPT基因的cDNA片段插入到多克隆位點(diǎn),構(gòu)建一個(gè)含潮霉素抗性選擇標(biāo)記和CaMV35S啟動(dòng)子調(diào)控的薺菜CbSPT基因 cDNA植物表達(dá)載體 pWM101-35S::CbSPT,對(duì)重組分子進(jìn)行酶切檢測(cè),確定構(gòu)建重組分子結(jié)構(gòu)的正確性(圖6A、B)。
采用浸花序法轉(zhuǎn)化哥倫比亞生態(tài)型擬南芥,將收獲的T0代種子在篩選培養(yǎng)基上經(jīng)40 mg/mL潮霉素篩選,7 d后,陰性苗葉片萎蔫,無根,而后慢慢黃化,白化至死亡。而陽性苗則和野生型植株一樣正常生長(zhǎng)(圖5)。當(dāng)抗性苗蓮座葉長(zhǎng)出后,移栽至營(yíng)養(yǎng)缽中,待植株生長(zhǎng)10 d左右,取單株葉片采用CTAB法提取基因組DNA,用P35S、PR引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,凝膠電泳結(jié)果顯示(圖6C),隨機(jī)挑選的10株轉(zhuǎn)化擬南芥植株中有7株均在在1200 bp處擴(kuò)增出目的基因條帶(11號(hào)孔為陽性對(duì)照,12號(hào)孔為野生型擬南芥陰性對(duì)照,第1、4、7號(hào)孔為假陽性植株)。
圖5 潮霉素平板篩選CbSPT抗性植株(Bars=10 mm)Fig.5 CbSPT-resistant plants were screened by Hygromycin plates(Bars=10 mm)
圖6 薺菜CbSPT植物表達(dá)載體的構(gòu)建Fig.6 Construction of CbSPT plant expression vector of Capsella bursa-pastoris
對(duì)分子檢測(cè)后的轉(zhuǎn)基因植株成熟角果進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察(圖7),發(fā)現(xiàn)其角果形態(tài)較野生型有明顯變化。隨機(jī)統(tǒng)計(jì)100個(gè)角果,其變異率達(dá)78%,其典型的變異趨勢(shì)為徑相變窄、軸向變短;局部彎曲;整個(gè)心皮形態(tài)相對(duì)于正常擬南芥心皮變小,軸向變短了。但是,薺菜CbSPT在擬南芥中的過表達(dá)并沒有從根本上改變其角果的形態(tài)。這可能具有兩方面的原因:一是擬南芥內(nèi)源的SPT基因與薺菜SPT基因相重疊,導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因擬南芥植株心皮形態(tài)的復(fù)雜性;二是心皮的形態(tài)發(fā)育不是由SPT基因單基因決定,而可能與決定雌蕊發(fā)育的C類基因交互作用有關(guān)。
圖7 CbSPT轉(zhuǎn)基因植株角果觀察Fig.7 The silique shape of CbSPT transgenic plants
十字花科心皮發(fā)育基因有特別高的保守率[7],本試驗(yàn)對(duì)7個(gè)物種的SPT氨基酸序列分析及系統(tǒng)發(fā)育樹分析與此相符。Groszmann等[8]在擬南芥的心皮和果實(shí)發(fā)育研究中表明,SPT除了bHLH區(qū)域外包括另兩個(gè)保守結(jié)構(gòu)域:一個(gè)兩性螺旋和一個(gè)酸性區(qū)域。其中酸性域?qū)τ赟PT心皮功能是必不可少的,并且兩性螺旋也支持它的心皮功能。當(dāng)缺失SPT功能時(shí)會(huì)導(dǎo)致隔膜和心皮的內(nèi)部傳輸遭到嚴(yán)重破壞,以及兩個(gè)心皮在頂端區(qū)域無法融合。在Girin等[9]的研究中,SPT是擬南芥受精前雌蕊中心皮邊緣再生組織發(fā)育所必須的,與另外一種在擬南芥果實(shí)成熟時(shí)所必須的bHLH轉(zhuǎn)錄因子IND相互作用并通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)接觸介導(dǎo)雌蕊發(fā)育和果夾的開裂,IND直接正向調(diào)節(jié)SPT的表達(dá)。本試驗(yàn)通過對(duì)薺菜CbSPT的序列分析,發(fā)現(xiàn)其與擬南芥SPT序列相似度極高,并編碼bHLH蛋白,通過親疏水性軟件預(yù)測(cè)也與擬南芥SPT具有兩性螺旋相符。但通過轉(zhuǎn)化植株的心皮表型觀察分析,薺菜CbSPT在擬南芥心皮中過表達(dá)后形態(tài)較野生型有較大的差異,心皮明顯變小、果莢軸向變短,部分典型變異果莢徑向變窄部分彎曲,這與趙燕等研究的CbCRC基因?qū)π钠ぐl(fā)育的影響作用相似,在Girin等的研究中也證實(shí)了35::AtSPT轉(zhuǎn)基因植株中心皮和果實(shí)會(huì)有缺陷,在一定程度上也說明薺菜CbSPT與擬南芥At-SPT基因在功能上有部分相似之處。
Groszmann等[10]研究了SPATULA和ALCATRAZ部分冗余對(duì)于擬南芥的雌蕊和果實(shí)發(fā)育的影響,表明SPT支持隔膜和柱頭的發(fā)育,而ALC參與裂果的發(fā)育和早期雌蕊的發(fā)育;spt-alc雙突變體會(huì)表現(xiàn)出早期雌蕊群的嚴(yán)重破壞和后期瓣膜邊緣缺陷。Nahar等[11]研究了SPT控制擬南芥心皮邊緣發(fā)育的機(jī)制,表明SPT促進(jìn)心皮融合成雌蕊是通過CUPSHAPED COTYLEDON1(CUC1)和CUC2的負(fù)調(diào)控表達(dá)。Pires等[12]也在相關(guān)研究中表明,SPT通過負(fù)調(diào)控CUC1和CUC2表達(dá)來指導(dǎo)心皮融合,并且SPT與CUC1、CUC2三種基因共同促進(jìn)基底區(qū)域中邊緣衍生結(jié)構(gòu)的形成。本研究中薺菜CbSPT在擬南芥心皮中過表達(dá)后沒有引起心皮融合和柱頭發(fā)育異常,說明AtSPT和CbSPT在調(diào)控心皮融合中功能相似。Schuster等[13]在 2015年的研究中發(fā)現(xiàn),bHLH轉(zhuǎn)錄因子HEC1、HEC2、HEC3,在生殖器官發(fā)育中影響生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的反應(yīng),HEC1與SPT相互作用來控制心皮的融合,它們都限制細(xì)胞分裂素在雌蕊中的作用。2017年,Reyes-Olalde等[14,15]研究了SPT使細(xì)胞分裂素傳導(dǎo),并在雌蕊的內(nèi)側(cè)區(qū)域激活與生長(zhǎng)素有關(guān)的生物合成和轉(zhuǎn)運(yùn)基因。研究表明,SPT是雌蕊在內(nèi)側(cè)域的細(xì)胞分裂素信號(hào)輸出所必需的,細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)的增值需要SPT和B型ARR,SPT調(diào)節(jié)B型ARR表達(dá),細(xì)胞分裂素信號(hào)傳導(dǎo)依賴SPT激活生長(zhǎng)素生物合成基因,生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN3由細(xì)胞分裂素和SPT協(xié)同激活。在本研究中CbSPT在擬南芥心皮中過表達(dá)最典型的變異是引起了擬南芥長(zhǎng)角果的變短,這或許是CbSPT在調(diào)控上述細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo)過程中與At-SPT的調(diào)控模式存在差異。
植物的心皮形態(tài)發(fā)育不僅僅是由單基因調(diào)控,可能是多個(gè)基因形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),上下協(xié)同作用,或是多基因的重疊作用導(dǎo)致心皮形態(tài)的差異,也正是由于花器官發(fā)育調(diào)控機(jī)理的復(fù)雜性,亦或是同源基因之間表達(dá)模式的差異造成了心皮形態(tài)的差異。隨著人們對(duì)花器官發(fā)育的分子機(jī)制以及系統(tǒng)發(fā)育研究的進(jìn)一步深入,對(duì)花器官形態(tài)建成的機(jī)理將會(huì)有更加清楚的了解。
[1] Honma T,Goto K.Complexes of MADS-box proteins are sufficient to convert leaves into floral organs[J].Nature,2001,409:525-529.
[2] Alvarez J,Smyth D.CRABSCLAWandSPATULA,twoArabidopsisgenes that control carpel development in parallel with AGAMOUS[J].Development,1999,126(11):2377-2386.
[3] Heisler M,Atkinson A,Bylstra Y,et al.SPATULA,a gene that controls development of carpel margin tissues inArabidopsis,encodes a bHLH protein[J].Development,2001,128(7):1089-1098.
[4] Makkena S,Lamb R.The bHLH transcription factorSPATULAregulates root growth by controlling the size of the root meristem[J].BMC Plant Biol,2013,13:1.
[5] 趙 燕,張學(xué)文,蔣 向.擬南芥心皮發(fā)育CRABS CLAW基因的克隆與薺菜遺傳轉(zhuǎn)化[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,33(1):14-17.
[6] 趙 燕,黃麗華,蔣 向,等.薺菜CRABSCLAW的克隆與擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化[J].西北植物學(xué)報(bào),2009,29(11):2162-2167.
[7] Pfannebecker K,Lange M,Rupp O,et al.Seed plant specific gene lineages involved in carpel development[J].Mol Biol Evol,2017,34(4):925-942.
[8] Groszmann M,Paicu T,Smyth DR.Functional domains ofSPATULA,a bHLH transcription factor involved in carpel and fruit development inArabidopsis[J].Plant J,2008,55(1):40-52.
[9] Girin T,Paicu T,Stephenson P,et al.INDEHISCENTandSPATULAinteract to specify carpel and valve margin tissue and thus promote seed dispersal inArabidopsis[J].Plant Cell,2011,23(10):3641-3653.
[10] Groszmann M,Paicu T,Alvarez J,et al.SPATULAandALCATRAZ,are partially redundant,functionally diverging bHLH genes required forArabidopsisgynoecium and fruit development[J].Plant J,2011,68(5):816-829.
[11] Nahar M,Ishida T,Smyth D,et al.Interactions ofCUPSHAPED COTYLEDONandSPATULAgenes control carpel margin development inArabidopsis thaliana[J].Plant Cell Physiol,2012,53(6):1134-1143.
[12] Pires HR,Monfared MM,Shemyakina EA,et al.ULTRAPETALA trxGgenes interactwithKANADItranscription factor genes to regulateArabidopsisgynoecium patterning[J].Plant Cell,2014,26(11):4345-4361.
[13] Schuster C,Gaillochet C,Lohmann JU.Arabidopsis HECATEgenes function in phytohormone control during gynoecium development[J].Development,2015,142(19):3343-3350.
[14] Reyes-Olalde JI,Zuniga-Mayo VM,Serwatowska J,et al.The bHLH transcription factorSPATULAenables cytokinin signaling,and both activate auxin biosynthesis and transport genes at the medial domain of the gynoecium[J].PLoSGenet,2017,13(4):e1006726.
[15] Reyes-Olalde JI,Zuniga-Mayo VM,Marsch-Martinez N,et al.Synergistic relationship between auxin and cytokinin in the ovary and the participation of the transcription factorSPATULA[J].Plant Signal Behav,2017,12(10):e1376158.