劉文波,何其光,蔡加挺,靳鵬飛,林春花,鄔國良,繆衛(wèi)國
(海南省熱帶生物資源可持續(xù)利用重點實驗室/海南大學熱帶農(nóng)林學院,海南 海口 570228)
【研究意義】棉花炭疽病是由棉刺盤孢菌(ColletotrichumgossypiiSoutllw.)引起的一種世界性的真菌病害。在低溫,多雨潮濕的環(huán)境下,幼苗的發(fā)病率可以高達47.08 %[1]。在棉花中后期可引起葉片脫落,導致產(chǎn)量及品質(zhì)下降。選育和推廣抗病品種是防治棉花炭疽病的最有效,最經(jīng)濟的途徑?!厩叭搜芯窟M展】Hapin蛋白是由hrp基因編碼并通過Ⅲ型分泌通道泌出的,在非寄主植物上激發(fā)過敏性反應,并能夠誘導植物獲得系統(tǒng)抗性的一類蛋白激發(fā)子[2]。Harpin蛋白首次從梨火疫病菌(Erwiniaamylovora) 中分離。Hapin蛋白具有豐富的有益生物活性,可以通過不同的信號通路誘導多種植物抗病、抗蟲和抗旱,還能促進植物生長[2-3]。國內(nèi)外已有用編碼Harpin的hrp基因轉(zhuǎn)入到煙草[4-7]、馬鈴薯[8]、蘋果[9]、梨[10]、甜菜[4]、小麥[11]、水稻[12-13]和棉花[14]等植物進行轉(zhuǎn)基因研究,獲得的轉(zhuǎn)基因植株對Ralstoniasolanacearum、Alternariaalternata、E.amylovora、Phytophthorainfestans、Botrytiscinerea、Fusariumoxysporum、F.graminearum、Xanthomonasoryzaepv.oryzae、Magnaporthegrisea、Verticilliumdahliae和煙草花葉病毒TMV等多種病原菌產(chǎn)生了較好的抗性,并促進了植物相關(guān)防衛(wèi)基因的表達,但他們的防衛(wèi)基因表達不盡相同[7,15-16]。研究表明,Harpin蛋白能激活植物中水楊酸(salicylic acid,SA)介導的途徑,使植物獲得系統(tǒng)抗性,從而增強植物對病原菌的抗性[17]。此外,Harpin蛋白還能誘導植物信號傳導鏈中的信號分子,引起植物的防衛(wèi)反應[18];在轉(zhuǎn)hpa1Xoo基因的棉花中,接種黃萎病菌24 h后葉片組織中有活性氧顯著積累,PAL(苯丙氨酸解氨酶)和POD(過氧化物酶)活性顯著增強[19];Harpin蛋白噴施煙草葉片后,PAL、POD和PPO(多酚氧化酶)活性都有不同程度的增強[20],可以激發(fā)煙草過敏性細胞壞死(hypersensitive cell death, HCD)[21],還能增強植物的基本防衛(wèi)功能[22]。轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花能夠增強棉花對多種病害的抗性[19,23],但沒有抗棉花炭疽病的相關(guān)報道。近年來由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)賦予不同種類植物新的農(nóng)藝性狀,使植物在抗病性和品質(zhì)等方面得到了改善。直到2009年大約有100種外源基因轉(zhuǎn)入棉花中[16],但至今仍未見有轉(zhuǎn)hrp基因棉花抗棉花炭疽病的報道?!颈狙芯壳腥朦c】本文通過比較轉(zhuǎn)hpalxoo基因棉花與普通棉花對棉花炭疽病的抗性進行評價,探索轉(zhuǎn)hpalxoo基因棉花的應用潛力?!緮M解決的關(guān)鍵問題】為培育抗炭疽病棉花材料提供可能。
陸地棉品系854,轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花的遺傳穩(wěn)定后代株系(出發(fā)品種是陸地棉品系854),棉花炭疽病菌(HNNC8),均由海南大學環(huán)境與植物保護學院分子植病實驗室提供。
試劑: 過氧化氫測試盒(南京建成生物工程研究所)、DAB顯色試劑盒(南京建成生物工程研究所)、0.01 mol/LPBS緩沖液pH 7.2~7.4 (Solarbio)、96 % 乙醇、愈創(chuàng)木芬、30 % H2O2、0.2 mol/L磷酸二氫鉀溶液、β-巰基乙醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.02 mol/L苯丙氨酸溶液(3.3 g·L-Phe溶于1000 mL 0.1 mol/L硼酸緩沖液中)、0.1 mol/L pH 6.0硼酸緩沖液(pH 8.8,含0.39 g/L巰基乙醇)、RNAprep Pure Plant Kit(TIANGN)、SYBR?Premix ExTaqTM ‖(TliRNaseH Plus)(TaKaRa)、反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Themo)、DL2000 DNA Marker(TaKaRa)、2×EcoTaqPCR SuperMix(TRANS)、H2O3Dry Bath(Coyote Bioscience Company)。
1.2.1 孢子懸浮液的制備 將棉花炭疽病菌接種于裝有150 mL PBD液體培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中,以28 ℃、200 r/min培養(yǎng)5 d,然后雙層無菌紗布過濾,接種時孢子懸浮濃度為1.0×107個/mL。
1.2.2 接種方法 為防止自然病原的侵染,實驗在隔離的恒溫恒濕的培養(yǎng)室內(nèi)進行,并對將要接種植株的新梢,在抽芽時進行套袋隔離。用注射器針頭輕刺棉花葉片(分別在正面主葉脈兩側(cè),圓形面積約0.5 cm2的地方針刺15~20個點,盡量不要將葉片刺穿)[24],將分生孢子懸浮液均勻噴灑在葉片的正反兩側(cè),0、12、24、48、72 h,5個時間點各取2片轉(zhuǎn)基因棉花葉片,一株共取10片,以陸地棉品系854為對照,實驗重復3次。
1.2.3 棉花體內(nèi)H2O2含量測定 分別選擇接種棉花炭疽菌后0、12、24、48、72 h轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花和對照棉花的葉片,用直徑為1.0 cm的打孔器把每個處理分別打3張葉片,每個葉片分別打取1.0 cm3個小圓片。使用H2O2測定試劑盒(南京建成)定量測定H2O2的含量。將上述處理過的轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花葉片和對照棉花葉片,分別加入1 mL PBS緩沖液(pH 7.3),研碎成汁,5000 r/min離心5 min,取上清液,測定H2O2與鉬酸絡(luò)合物在405 nm處的OD值。主要參數(shù)如表1所示。
表1 棉花葉片組織內(nèi)H2O2含量測定主要實驗參數(shù)
1.2.4 葉片H2O2的定位檢測 小心用直徑為1.0 cm的打孔器分別在每個處理時段打取3張棉花葉片,每個葉片打取3個1.0 cm的小圓片,放入3,3-二氨基聯(lián)苯胺(diaminobenzine,DAB)染液中(試劑A︰試劑B=1︰19),25 ℃光下染色8 h;除去染色液后,加入96 %乙醇脫色至葉片由綠變半透明;水懸浮,鏡檢,拍照。
1.2.5 POD(過氧化物酶)活性測定 供試植株接種后第0、12、24、48、72小時分別提取噴菌的棉花葉片0.2 g,放入研缽中,加入適當液氮粉碎后加入1 mL pH 5.5的0.05 mol/L的PBS緩沖液混勻,轉(zhuǎn)至離心管中,3000 r/min離心10 min,上清液即為酶粗提液;在50 mL 100 mmol/L 的PBS緩沖液中加入28 μl愈創(chuàng)木芬,溶解冷卻后加入19 mL 30 % H2O2作為POD反應液;取0.5 mL酶粗提液,2 mL POD反應液與1 mL 0.2 mol/L 磷酸二氫鉀反應,每隔1 min測其A470,以ΔA470/Δt=0.01 min-1表示一個酶活力單位(U)[19]。
1.2.6 PAL(苯丙氨酸解氨酶)活性測定 供試植株接種后第0、12、24、48、72小時分別提取涂菌的棉花葉片0.2 g,加含5 mmol/L的巰基乙醇硼酸緩沖液,0.05 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),冰浴研磨,4℃,10 000 r/min離心15 min,上清液即為酶粗提液;加1 mL 0.02 mol/L苯丙氨酸,2 mL蒸餾水,總體積為4 mL,對照加1 mL蒸餾水,置30 ℃恒溫水浴鍋30 min,290 nm處測OD值,以每小時在290 nm處吸光度變化的0.01所需酶量為1單位[25]。
1.2.7 RNA的提取、反轉(zhuǎn)錄以及qRT-PCR檢測 ①RNA的提取。選用RNAprep Pure植物總RNA提取試劑盒(TIANGEN)試驗操作方法,提取供試的2種棉花樣品的總RNA。②反轉(zhuǎn)錄。以提取到的RNA為模板,采用TaKaRaPrimeScriptTMRT reagent Kit with g DNA Eraser (Perfect Real Time)試劑盒提供的方法合成cDNA。③防衛(wèi)相關(guān)基因的檢測。用不同處理的棉花葉片cDNA為模板,進行實時定量PCR。以陸地棉品系854葉片cDNA作為陽性對照,選取在真核生物中高度保守且為組成性表達的基因EF-1α為內(nèi)參基因,檢測基因分別有PR-1b、hsr203J、NPR-1。所用引物及其檢測參數(shù)見表2。
表2 檢測引物序列及參數(shù)
注:按照Applied Biosystems 7500 Real Time PCR System的操作方法進行試驗。
Notes: Test according to the operating method of Applied Biosystems 7500 Real Time PCR System.
數(shù)據(jù)分析均采用 SAS (9.1)軟件和 Excel(2010)軟件進行處理。
為了更好探討活性氧在細胞內(nèi)引起的非特異性反應,觀察接菌后0~72 h內(nèi)5個時間點轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花及出發(fā)品種棉花葉組織中H2O2含量變化。由圖1可見,出發(fā)品種棉花只有在24 h時略微有上升,且整體漲幅較小,隨后H2O2的含量又下降到初始水平;轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花在12 h內(nèi)H2O2的含量略微下降,但在48 h時H2O2顯著增加,達到5個測定時間點的峰值,隨后在72 h時H2O2的含量下降到初始水平。但出發(fā)品種棉花葉片在24 h達到峰值,總體的H2O2積累低于轉(zhuǎn)基因品種,表明轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花葉組織的H2O2積累水平超過了出發(fā)品種。
氧化二氨基聯(lián)苯胺(DAB)能與H2O2結(jié)合形成紅褐色沉淀,可定位H2O2酶活性的位置。植物體內(nèi)的氧爆發(fā)是植物受外源物質(zhì)刺激引起的最早事件之一,其特點就是植物體內(nèi)H2O2的積累。為檢測轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花受棉花炭疽的侵染是否伴有H2O2信號分子的積累,選擇DAB染色法進行H2O2顯微定位檢測。分別在接菌后0、12、 24、48、72 h 5個時段用顯微觀察轉(zhuǎn)基因棉花和非轉(zhuǎn)基因棉花品種陸地棉品系854,發(fā)現(xiàn)經(jīng)DAB染液染色后的棉花葉片組織均有不同程度的褐色沉淀存在(圖2)。同時,發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)hpalXoo棉花葉片上H2O2在0、12、24、48 h有逐漸增長的趨勢;24、48、72 h這3個時間點的紅褐色沉淀比之前兩個時間點明顯增多;但在48 h達到峰值,在72 h又有下降的趨勢。普通棉花品種陸地棉品系854則沒有這種明顯的變化趨勢。此外,接菌到72 h時轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花和出發(fā)品種棉花葉片里DAB染色程度相當,但其它時間點均多于普通棉花。這說明轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花在接菌后逐漸積累更多的H2O2,在48 h左右產(chǎn)生量達到峰值,從而對棉花炭疽菌的抗性最強。與顯微觀察到的結(jié)果相吻合。
圖1 接種棉花炭疽病菌后轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花和陸地棉品系854葉組織中H2O2含量的變化(n=4, x±SD)Fig.1 H2O2 content of transgenic hpalXoo cotton and Simian 3 leaves inoculated via pin-puncturing method with C.gossypii Soutthw.
本實驗在測定0、12、 24、48、72 h內(nèi)5個時間點棉花葉片中過氧化氫的含量及其位置的同時,也測定了轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花和出發(fā)品種棉花葉片中POD和PAL 2種酶的活性。
A、B、C、D、E分別是CK:0、12、24、48、72 h; F、G、H、I、J分別是T: 0、12、24、48、72 h圖2 接種棉花炭疽菌后轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花(T)和陸地棉品系854(CK)葉組織中H2O2檢測Fig.2 Detection of H2O2 in transgenic hpalXoo cotton and Gossypium hirsutum leaves inoculated with C. gossypii Soutthw
圖3 接種棉花炭疽病菌后轉(zhuǎn)基因棉花和陸地棉品系854葉組織中POD(A)和PAL(B)活性的動態(tài)變化Fig.3 POD(A) and PAL(B) activities of the transgenic hpalXoo cotton and Simian 3 leaf tissues inoculated by C.gossypii Soutthw
植物細胞內(nèi)存在的POD可以催化分解H2O2生成H2O和O2,并可使脂肪酸、芳香胺和酚類等化合物氧化。之前有外文文獻報道POD酶活性升高是植物抗病性的一種表現(xiàn)形式[26]。轉(zhuǎn)基因棉花品系在棉花炭疽菌侵染后葉片內(nèi)的POD酶活性在12 h出現(xiàn)一個峰,隨后又下降,但在72 h又有一個峰值,而且這個峰比前面12 h的峰更高;普通棉花葉片的POD活性升高非常緩慢[圖3(A)]。這就說明了轉(zhuǎn)基因棉花比出發(fā)品系的棉花對棉花炭疽菌有更快的應答反應。
POD和PAL活性增加是局部和系統(tǒng)抗病性的重要組成部分,而PAL是植物中苯丙烷代謝途徑的關(guān)鍵性限速酶,在植物的抗病反應中起著非常重要的作用[27]。苯丙氨酸類代謝是形成多種具有抗菌作用的產(chǎn)物之一,比如酚類、木質(zhì)素等化合物,它們催化苯丙氨酸類的脫氨反應,釋放出NH3,形成反式肉桂酸[25]。轉(zhuǎn)基因品系在接種炭疽菌后PAL活性有較大的升高。在病原菌侵染后,轉(zhuǎn)基因棉花中在12 h雖低于出發(fā)品種,但差異不顯著,到接菌后24 h,轉(zhuǎn)基因棉花和普通棉花品系葉組織中PAL活性都上升,其中出發(fā)品種棉花達到5個測量時間點的最高點,但轉(zhuǎn)基因品系在48 h才達到最高點,此時酶活性最高,而且轉(zhuǎn)基因棉花葉組織中PAL活性高于出發(fā)品種[圖3(B)]。
EF-1α作為內(nèi)參基因,比較不同時間點過敏性反應(hypersensitive response,HR)的標志基因hsr203J,防衛(wèi)反應標志基因NPR1、PR-1b的表達情況(圖4)。
HR標志基因hsr203J的表達情況:在0 h,病原菌還沒有侵入植物組織細胞,轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花在0 h表達比普通棉花低,但在12 h表達量明顯提高,和普通品種的表達量相當,并且在24 h表達高于普通棉,這說明在這一時間段,由于病原菌的侵染激發(fā)了植物細胞的過敏壞死反應。到48 h,植物細胞的防衛(wèi)反應使病原菌數(shù)量下降,所需的HR程度降低,所以轉(zhuǎn)基因棉的表達又與普通棉持平,直至到72 h轉(zhuǎn)基因棉幾乎沒有表達(圖4 A)。
防衛(wèi)反應基因NPR1的表達:在0 h時,NPR1基因在轉(zhuǎn)基因棉花的表達很微弱,遠遠低于該基因在出發(fā)品系的表達,在0~48 h時,該基因在轉(zhuǎn)基因植株的表達一直低于在出發(fā)棉花的表達,在48 h的表達量雖仍低于普通植株,但相對于24 h,增加較快,直至72 h時,該基因在轉(zhuǎn)基因品系的表達與在陸地棉品系854里的表達相同(圖4 B)。
圖4 防衛(wèi)基因qPCR檢測結(jié)果Fig.4 Quantitative real-time PCR of the relevant genes expression
防衛(wèi)反應基因PR-1b的表達:病原菌前期剛侵染0~12 h時,轉(zhuǎn)基因棉花就有表達,但相對較弱,而在24~48 h時,侵染量較多強度較強所以PR-1b基因表達量處于較高水平,48~72 h開始減弱,72 h時轉(zhuǎn)基因棉花的表達類似于普通棉花的表達,表達水平較低(圖4 C)。
氧爆發(fā)是植物抗病的重要表現(xiàn),而氧爆發(fā)主要表現(xiàn)是H2O2等ROS(reactive oxygen species)的突增[28]。轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花在對棉花黃萎病和棉花枯萎病的抗性研究中發(fā)現(xiàn)H2O2的積累量在前面幾個小時內(nèi)先出現(xiàn)一個較小的峰,下降后又會出現(xiàn)一個更高的峰,即出現(xiàn)所謂的“雙峰現(xiàn)象”[19]。但是在本實驗中筆者只觀察到H2O2含量的變化趨勢呈現(xiàn)“單峰”,這與之前的文獻記載有所不同[29-30]。一方面可能是在設(shè)計實驗時所選取的各時間點間隔太大,而導致無法及時捕捉到H2O2的變化,從而導致不能觀察到H2O2含量的“雙峰”變化趨勢;另一方面可能是棉花植株對于炭疽菌的防衛(wèi)反應方式不同于棉花對枯萎病和黃萎病。H2O2的定位檢測中,抗病性較強的品種比普通植株的紅褐色沉淀出現(xiàn)時間早,而且各個時間點的沉淀量多于普通對照組[31]。在本實驗中轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花在48 h的紅褐色沉淀最多且明顯,對比各個時間點的轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花和陸地棉品系854 2個材料,結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因棉花的紅褐色沉淀多于陸地棉品系854的沉淀。但是在普通棉花陸地棉品系854卻發(fā)現(xiàn)在12 h可以比較發(fā)現(xiàn)紅褐色沉淀增加,而且在24 和48 h 2個時間點染色情況幾乎相同。但是,測量H2O2含量及其定位檢測兩個實驗中,捕捉到了在接種炭疽菌后H2O2在棉花植株體內(nèi)的表達存在時序性變化??梢哉f明由于棉花炭疽菌的侵染,轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花的HR反應比陸地棉品系854的HR產(chǎn)生的時間早且強度大。
面對病原菌的侵入,抗病植物會通過一系列的信號轉(zhuǎn)導,誘導植物產(chǎn)生氧迸發(fā)(過氧化氫、氧自由基等),但是,這些活性氧的量過多,會對植物細胞造成損傷,因此要及時清除這些多余的ROS[32-33]。王金華等人在研究轉(zhuǎn)GO基因番茄的抗病機制中,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因番茄株系的POD活性比非轉(zhuǎn)基因番茄明顯增加,且轉(zhuǎn)基因番茄的活性高峰出現(xiàn)時間早,另外,還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因番茄接種后PAL活性出現(xiàn)2個活性高峰,但對照組的番茄只有一個出現(xiàn)較遲且較低的高峰[25],曹賜生等人在研究白葉枯病菌對雜交水稻苗的影響中也發(fā)現(xiàn)了PAL活性的類似現(xiàn)象[34]。本研究中,轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花的POD也出現(xiàn)了2個活性高峰,并且比陸地棉品系854的POD活性高,但是在24 和48 h這2個時間點,轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花和出發(fā)品種棉花的POD活性幾乎沒有差異。導致這2個時間點的特殊性,可能是由于前期病菌的侵染而引發(fā)了植物的第一輪防衛(wèi)反應,病原菌被抑制,從而使得ROS含量下降繼而不需要高活性的POD。另外,轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花的PAL活性在病原菌侵入前期時反而低于陸地棉品系854葉片內(nèi)的PAL活性,但是隨后轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花的PAL活性迅速增加,并且一直明顯高于出發(fā)品種陸地棉品系854的PAL活性。而陸地棉品系854的PAL只有在24 h達到測量時間點的高峰,隨后活性一直下降。轉(zhuǎn)hpalXoo基因品系這兩種酶的活性都存在著時序性變化差異,并且在病菌侵染的某一階段酶的活性顯著高于陸地棉品系854的酶的活性,這說明了在轉(zhuǎn)基因棉花葉片內(nèi)的ROS較多,需要更多的酶去清除而維持內(nèi)環(huán)境平衡。
大麗輪枝菌(VerticilliumdahliaeKleb.)侵染轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花,引發(fā)的氧爆發(fā)發(fā)生在HR之前[19];HR標志基因hsr203J的表達,與清除酶活性的變化是氧迸發(fā)和HR關(guān)聯(lián)的進一步證據(jù)[35]。檢測這些防衛(wèi)基因涉及通過SA、JA(Jasmonic acid,茉莉酸),或乙烯介導的植物基礎(chǔ)防衛(wèi)途徑[36]。熒光定量PCR檢測了轉(zhuǎn)hpalXoo煙草的植物過敏性反應標志基因hsr203J,Harpinxoo蛋白激發(fā)煙草葉片產(chǎn)生過敏性反應(HR),hsr203J基因上調(diào)表達[16, 37]。當棉花炭疽菌侵染轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花時,harpinxoo在棉花體內(nèi)的表達增強了棉花體內(nèi)的H2O2積累水平,隨即微過敏產(chǎn)生,hsr203J基因超表達。因此,當轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花受到炭疽菌侵染時,賦予了轉(zhuǎn)基因棉花對病原菌的抗性;我們同時檢測了NPR1、PR-1b基因的表達情況,不同時段的表達量不同,但在處理24 h時,都保持了相對較高的表達量,這可能與harpinxoo激活了不同的防衛(wèi)通路有關(guān)[16]。但是hsr203J、NPR1、PR-1b基因的表達在不同的侵染時段能檢測出來,而且都存在著時序性表達差異,也能說明轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花對棉花炭疽菌的抗性增強。通過對H2O2含量檢測與定位,POD和PAL 2種酶活性變化檢測,相關(guān)防衛(wèi)基因的時序性表達等結(jié)果分析得出,轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花對棉花炭疽菌的抗性明顯增強。至此可以初步確定hpalXoo基因確實能夠增強非寄主植物對炭疽病的抗性。
本研究通過熒光定量PCR方法,檢測3個防衛(wèi)相關(guān)基因hsr203J、NPR1和PR-1b在轉(zhuǎn)hpalXoo基因棉花被棉花炭疽菌處理后的表達情況,結(jié)果顯示hsr203J、NPR1和PR-1b基因均上調(diào)表達。表明病原菌侵染能夠誘導轉(zhuǎn)基因棉花不同信號通路(至少包括由SA介導的途徑)的啟動,產(chǎn)生相關(guān)抗性蛋白,從而使植株獲得抗病性。因而,轉(zhuǎn)hpalxoo基因棉花可能為某些防衛(wèi)基因超水平表達提供了分子基礎(chǔ)。