趙 敏 王玥萱 徐運飛 趙啟安 劉 博 楊 寧*
(1.西北師范大學生命科學學院,蘭州 730070; 2.信陽農(nóng)林學院農(nóng)學院,信陽 464000)
干旱已成為世界范圍內(nèi)嚴重限制農(nóng)作物生產(chǎn)的主要因素之一,干旱對其各個生長發(fā)育階段具有廣泛的影響,包括種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長、開花結(jié)實等。在干旱條件下,所有植物,無論它們的耐受性水平如何,都會激活相似的基本反應,如控制離子轉(zhuǎn)運、特定滲透物質(zhì)的積累或激活抗氧化系統(tǒng)。同時干旱對光合作用、呼吸代謝、水分和營養(yǎng)的吸收轉(zhuǎn)運、有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、運輸、積累等都有著重要的影響[1]。有研究表明,干旱造成的作物減產(chǎn)超過所有自然災害的總和,并且由于干旱缺水造成地表水源補給不足,只能依靠大量超采地下水來維持居民生活和工農(nóng)業(yè)發(fā)展,進而導致植被嚴重退化、地下水位下降等一系列問題,使生態(tài)環(huán)境日益惡化[2]。因此,研究植物抗旱機制以提高作物的耐受性,將會為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供一定的理論基礎。
H2S是一種無色易燃有臭雞蛋氣味的氣體,長期以來,人們對H2S的認識僅局限于其毒性和環(huán)境污染等方面[3]。直到30年前,有研究證實,在大鼠腦中以及人腦中檢測到有內(nèi)源H2S含量的存在,推測H2S可能存在一定的生理作用[4]。近年來對H2S的研究成為醫(yī)學領(lǐng)域的熱點之一,研究表明H2S在調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)方面具有重要的生理功能,被確認為是繼一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后的第三種氣體信號分子[5]。相對而言,H2S在植物中的研究較少。植物體內(nèi)源H2S的產(chǎn)生主要是以L/D-半胱氨酸脫巰基酶(L/D-CDes)催化分解L/D-半胱氨酸(L/D-Cys)產(chǎn)生,L-CDes與D-CDes相比,L-CDes的催化活力更高[6]。外界的脅迫信號通過植物體內(nèi)自身的信號傳導途徑傳遞到細胞內(nèi)會激活抗逆基因的表達,使植物響應外界環(huán)境條件的變化,H2S的信號轉(zhuǎn)導途徑會參與這一復雜的應答機制[7]。硫氫化鈉(NaHS)作為H2S的外源供體,參與植物種子發(fā)芽、根的形態(tài)建成[8~9]、提高多種植物抵御非生物脅迫,如干旱[10]、重金屬脅迫[11]等。
植物激素是調(diào)節(jié)非生物脅迫下植物生長的關(guān)鍵因子,它們參與植物對環(huán)境脅迫的響應,其中脫落酸(ABA)是調(diào)節(jié)植物非生物脅迫耐受性中最關(guān)鍵的激素[12]。ABA屬于類異戊二烯基團,是由質(zhì)體2-甲基-赤蘚糖醇-4-磷酸途徑形成的副產(chǎn)物。ABA影響不同的生理過程,特別是在發(fā)育階段如氣孔開放、種子休眠、胚胎形態(tài)發(fā)生、貯藏蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的合成[13]。ABA參與多種非生物脅迫,并觸發(fā)各種信號傳導途徑。有研究證實,土壤干旱時,失水的根系首先會產(chǎn)生根源信號ABA,隨木質(zhì)部蒸騰流到達葉片的保衛(wèi)細胞,從而抑制K+內(nèi)流通道的活性,蘋果酸滲出,保衛(wèi)細胞膨壓下降,最終促進氣孔關(guān)閉[14]。在缺氮和干旱脅迫的情況下,ABA使植物產(chǎn)生各種適應性變化,例如促進根的生長[15]。除此之外,ABA還參與種子萌發(fā)、影響抗氧化酶和其他滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成來提高其對干旱的耐受性[16]。干旱脅迫下ABA對植物耐受性的作用是顯著的,但是ABA影響植物抗旱性的機制目前還不是特別清楚,有待進一步研究。
有研究表明H2S誘導氣孔關(guān)閉具有濃度依賴性(<100 μmol·L-1),濃度太高(≥500 μmol·L-1)時氣孔孔徑反而會變大,并影響細胞的生活力;并且H2S也會影響ABA誘導氣孔關(guān)閉的能力,影響ABA受體的表達,從而證實了H2S與ABA共同作用調(diào)節(jié)氣孔,增強植物應對環(huán)境脅迫的能力[17]。有關(guān)信號分子H2S與ABA響應干旱脅迫中的信號關(guān)系鮮有報道。本文以野生型擬南芥WT、H2S合成酶缺失型突變體lcd和ABA1缺失突變體aba1為材料,以0.3 mol·L-1甘露醇模擬干旱脅迫,結(jié)合外源添加H2S、ABA供體NaHS、ABA,利用生理指標結(jié)合分子手段的方法,探討ABA與H2S在擬南芥耐旱性中作用和關(guān)系,旨在揭示干旱脅迫下ABA和信號分子H2S的相互作用及信號關(guān)系,為進一步研究植物的抗旱機制提供一定的科學依據(jù)。
本試驗以WT、lcd(SALK_082099)和aba1(SALK_059469)突變體為研究材料。其中,WT種子由本課題組提供,lcd和aba1T-DNA插入突變體種子均購自美國俄亥俄州立大學擬南芥生物資源中心(ABRC)。
將擬南芥種子用無菌水浸泡后,放置于4℃冰箱中春化3 d。將種子用無菌水沖洗30 s,75%乙醇吹打30 s,無菌水沖洗30 s,隨后用0.5%次氯酸鈉溶液清洗2 min,無菌水沖洗3次。接種于MS+30 g·L-1蔗糖、pH5.8的瓊脂培養(yǎng)基中,在溫度23℃、光照2 000 lux、光周期為16/8 h的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)16 d。土培苗按照土∶蛭石=2∶1的栽培方法,光周期為16/8 h,每周澆兩次營養(yǎng)液,待生長至4周進行實驗處理。
選擇生長一致的擬南芥植株以0.3 mol·L-1的甘露醇進行干旱處理,處理時間為:6、12、24、48、72 h。實驗以0 h作為空白對照,未添加甘露醇處理的作為陰性對照組,添加甘露醇處理為實驗組。
1.2.1 擬南芥DNA提取
取生長4周的擬南芥新鮮葉片,按照Easy Pure? Plant Genomic DNA Kit提取總DNA。
1.2.2 突變體鑒定引物
根據(jù)http://signal.salk.edu/tdnaprimers.2.html設計,設計特異性引物分別如下(表1)。
表1突變體鑒定引物
Table1IdentificationofmutantprimersforPCRinthemanuscription
引物名稱Primer name基因序列Gene sequence(5'—3')LBa1TGGTTCACGTAGTGGGCCATCGAtaba1 LPGATGTTGGTGGTGGAAAAATGAtlaba1 RPACGTTCAAGAGCATCGTCATCAtlcd LPGATTGAGGGATGGAGAGGAAGAtlcd RPAGTCGGAGTTTCTTACTCGCC
PCR采用20 μL體系:1 μLlcd、aba1上游引物(LP),1 μL下游引物(RP),WT、lcd、aba1 DNA模板1 μL,2×Taq PCR Star Mix with Loading Dye 10 μL,ddH2O 7 μL。PCR循環(huán)條件為:
lcd程序設定為:94℃ 10 min,30個循環(huán)(94℃ 30 s,54℃ 30 s,72℃ 30 s),72℃ 1 min。
aba1程序設定為:94℃ 10 min,30個循環(huán)(94℃ 30 s,60℃ 30 s,72℃ 30 s),72℃ 1 min。
采用1%的瓊脂糖凝膠電泳,溴化乙錠(EB)染色,UVI凝膠圖像分析系統(tǒng)觀察照相。
使用TaKaRa公司的Trizol試劑盒進行提取,所有提取用品在121℃高壓滅菌25 min,試驗過程均在超凈工作臺進行,提取出的RNA用TaKaRa公司的Primer ScriptTMRT reagent Kit With gCDNA Eraser(Perfect Real Time)反轉(zhuǎn)錄試劑盒反轉(zhuǎn)錄成為cDNA。
定量引物用DNAstar軟件PrimerSelect模塊,設計特異性引物(表2)。
RT-qPCR反應體系:按照TAKARA公司的SYBR Premix Ex TaqTMⅡ(Tli RNaseH Plus)操作說明書于25 μL反應體系中進行PCR擴增(表3)。
表2 基因特異性引物
表3 qRT-PCR反應體系
H2S含量、ABA含量由上海酶聯(lián)生物公司的試劑盒測定,具體操作按照說明書進行。L/D-CDes酶活性測定采用亞甲基藍法[18],略有改動。具體方法如下:稱取不同處理的擬南芥蓮座葉0.2 g,加入2 mL 20 mmol·L-1Tris-HCl緩沖液研磨(pH7.4),離心后取上清。1 mL的反應體系為:0.8 mmol·L-1L/D-Cys,2.5 mmol·L-1DTT,100 mmol·L-1Tris-HCl pH9.0/pH8.0和100 μL上清液。將裝有醋酸鋅(ZnAc)的1.5 mL EP管裝有含上述混合液的小三角瓶內(nèi),迅速將小三角瓶封嚴,于37℃搖床孵育15 min后,在EP管加入30 mmol·L-1FeCl3與20 mmol·L-1N,N-二甲基對苯二胺各100 μL搖勻終止反應。室溫避光反應15 min后,在波長為670 nm的紫外可見分光光度計UNICO(UV-2102)中測定OD值,通過標準曲線計算L/D-CDes酶活性。
選擇均勻飽滿的種子,每個處理設3個重復,每個重復有50顆種子,從開始光照培養(yǎng)時起,觀察并統(tǒng)計萌發(fā)的種子數(shù)目,以胚根突破種皮1 mm即視為萌發(fā),計算萌發(fā)百分率。
萌發(fā)率=第10天已萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%
(1)
數(shù)據(jù)采用SPSS17.0對組間隨時間變化的差異性多重比較采用LSD法分析,作圖在Origin pro 9.0中進行。每次試驗至少進行3次獨立重復試驗。
以WT為對照,通過三引物鑒定法對T-DNA插入突變體進行純合突變體鑒定,其中純合突變體中用基因特異性引物無法擴增出條帶,用T-DNA特異性引物可以擴增出目的帶,結(jié)果如圖1所示,其中M為Marker,1泳道WT可用LP+RP引物擴增出片段,lcd和aba1突變株系用基因特異性引物LP+RP無法擴增出條帶,而用T-DNA特異性引物LBb1+RP可以擴增出目的條帶,證明T-DNA成功插入兩條鏈中,從而篩選出lcd與aba1純合突變體,擴繁并用于后續(xù)實驗。
由圖2可知,萌發(fā)10 d后,我們發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下WT、lcd和aba1種子萌發(fā)明顯滯后于其正常培養(yǎng)基中的萌發(fā),且干旱對其生長也有一定的抑制作用。lcd和aba1的種子萌發(fā)率在脅迫處理第3 d明顯低于WT,且WT、lcd和aba1在干旱脅迫下,種子萌發(fā)率分別降低14%,22%,48.65%,干旱脅迫對aba1的抑制效果要比lcd更為顯著,說明LCD,ABA1基因均參與調(diào)控干旱脅迫下擬南芥的種子萌發(fā)過程,且lcd,aba1突變體對干旱脅迫更加敏感。
圖1 lcd、aba1純合突變體的PCR鑒定 A:1.WT,LP+RP;2.lcd,LP+RP;3.lcd,LB+RP B:1.WT,LP+RP;2.aba1,LP+RP;3.aba1,LB+RPFig.1 Identification of omozygous strains by PCR A:1.WT with LP+RP; 2.lcd with LP+RP; 3.lcd with LB+RPB:1.WT with LP+RP; 2.aba1 with LP+RP; 3.aba1 with LB+RP
圖2 干旱脅迫對WT、lcd、aba1擬南芥生長(A)、種子萌發(fā)率(B)的影響 圖中小寫字母表示同一株系不同濃度在P<0.05時的顯著性差異,大寫字母表示不同株系同一濃度在P<0.05時的顯著性差異,下同。Fig.2 Effects of drought stress on growth(A) and seed germination rate(B) of WT,lcd and aba1 The lowercase letters in the figure indicate the significant differences in the different concentrations of the same strain at P<0.05,and the uppercase letters indicate the significant difference in the same concentration of different strains at P<0.05,the same as below.
由圖3A可知,干旱脅迫下,野生型擬南芥內(nèi)源H2S含量增加,從圖3中可以看出,在不同的干旱脅迫時間處理下,H2S含量均顯著高于空白對照組。與對照組相比,0.3 mol·L-1甘露醇處理下,H2S含量分別在24 h最低,72 h達到最大值。同時干旱脅迫顯著提高了擬南芥葉片中L/D-CDes活性(圖3B),且L/D-CDes酶活性的變化變化趨勢相似,但L-CDes>D-CDes。由此得出H2S響應干旱脅迫,且L-CDes與干旱誘導的H2S合成緊密相關(guān)。
圖3C表示干旱脅迫下ABA含量隨甘露醇處理時間的變化,干旱脅迫下,ABA含量顯著提高,在處理時間范圍內(nèi),ABA含量變化呈波動趨勢,其中在12 h達到最大值,說明ABA響應干旱脅迫。
圖3 干旱脅迫對野生型擬南芥H2S含量(A)、L/D-CDes活性(B)、ABA含量(C)的影響Fig.3 Effects of H2S content (A),L/D-CDes activities (B) and ABA content (C) under drought stress in Wild-type Arabidopsis
圖4 干旱脅迫對野生型擬南芥中LCD(A)、ABA1(B)基因相對表達的影響 圖中小寫字母表示同一時間不同濃度在P<0.05時的顯著性差異,大寫字母表示不同時間同一濃度在P<0.05時的顯著性差異,下同。Fig.4 Effects of drought stress on the gene relative expressions of LCD(A) and ABA1(B) in wild-type Arabidopsis The lower case letters indicate the same time different concentrations at P<0.05 when the significant difference between the capital letters that the same concentrations at the different time in the P<0.05 significant difference,the same as below.
在干旱脅迫下,合成L-CDes和ABA的基因LCD、ABA1基因相對表達的變化如圖4所示。圖4A表明,LCD基因相對表達總體表現(xiàn)逐漸增加的趨勢,且變化趨勢與L-CDes酶活性基本保持一致,在72 h達到峰值。圖4B表示ABA1基因相對表達隨干旱脅迫時間的變化情況,在6~72 h的處理時間內(nèi),其基因相對表達隨干旱脅迫時間的延長進一步增加,總體呈波動趨勢,分別在24 h達到最小和在48 h達到最大值。轉(zhuǎn)錄水平分析表明,干旱脅迫通過改變LCD,ABA1基因的表達從而使L-CDes酶活性及ABA含量發(fā)生變化。
圖5 干旱脅迫下,外源添加NaHS、ABA對WT中H2S含量的影響Fig.5 Effects of exogenous NaHS,ABA on H2S content in WT under drought stress
圖6 干旱脅迫下,外源添加NaHS或ABA對WT、aba1和lcd中H2S含量的影響Fig.6 Effects of exogenous NaHS or ABA on the content of H2S in WT,aba1 and lcd under drought stress
圖7 外源NaHS、ABA對干旱脅迫下WT、aba1、lcd中ABA1、LCD相對基因表達量的影響Fig.7 Effects of exogenous NaHS or ABA on the relative expression of ABA1 and LCD in WT,aba1 and lcd under drought stress
如圖5所示,干旱脅迫下,分別外源添加150 μmol·L-1NaHS,25 μmol·L-1ABA后,隨著處理時間,H2S含量會顯著上升。表明ABA及H2S供體NaHS顯著影響野生型擬南芥H2S的產(chǎn)生,說明干旱脅迫下,ABA和H2S存在一定的聯(lián)系。
我們利用WT、H2S合成酶缺失型突變體lcd和ABA1缺失突變體aba1,通過外源添加NaHS、ABA對LCD、ABA1基因的缺失進行補償實驗,研究干旱脅迫下,ABA和H2S的信號關(guān)系(圖6)。
干旱脅迫下,外源添加NaHS或ABA后,aba1中H2S含量的均顯著上升,說明外源NaHS與ABA對aba1中內(nèi)源H2S的釋放產(chǎn)生作用,外源添加NaHS促進WT、aba1與lcd中H2S產(chǎn)生,但aba1與lcd沒有恢復WT中H2S的釋放量,說明調(diào)控H2S產(chǎn)生的不僅僅只有ABA1與LCD。當外源添加ABA后,對lcd中H2S的產(chǎn)生沒有顯著的促進作用,初步說明H2S位于ABA下游。
為了進一步證實H2S位于ABA下游,我們通過轉(zhuǎn)錄水平,研究外源NaHS、ABA對WT、lcd、aba1中LCD、ABA1基因相對表達的影響,結(jié)果如圖7所示,干旱處理48 h后,脅迫誘導WT、aba1和lcd中ABA、LCD基因相對表達上調(diào),其中aba1和lcd中ABA、LCD基因相對表達顯著低于WT中ABA1、LCD基因相對表達,當外源添加H2S供體NaHS進行補償LCD的缺失后,WT、lcd、aba1中ABA1與LCD基因相對表達均有不同程度的提高,而外源添加ABA進行補償ABA1的缺失后,WT與aba1中ABA1,LCD基因相對表達上調(diào),但ABA對lcd突變體中LCD基因相對表達促進作用不明顯,轉(zhuǎn)錄水平進而證實了H2S位于ABA下游發(fā)揮作用這一結(jié)論。
植物的生長發(fā)育經(jīng)常會受到環(huán)境非生物因素的極大影響,如干旱、高鹽、低溫等,植物處于逆境環(huán)境時,首先要響應并適應這些脅迫條件從而在逆境中生存,而干旱作為一種重要的環(huán)境因素一直是國內(nèi)外研究的熱點[19]。
H2S是新發(fā)現(xiàn)的第3種內(nèi)源性氣體信號分子,參與在植物多種生理過程。植物中H2S主要通過的產(chǎn)生半胱氨酸脫巰基酶(CDes)催化半胱氨酸產(chǎn)生,目前擬南芥中已經(jīng)克隆了一些CDes編碼基因,其中LCD與DCD是植物內(nèi)源H2S產(chǎn)生過程中編碼CDes合成酶功能最明確的兩個基因[20]。越來越多的研究表明,H2S作為新型氣體信號分子會參與低溫、高鹽和干旱脅迫下的信號轉(zhuǎn)導,且外源NaHS能夠緩解脅迫所引起的損傷[21]。植物激素是一類小分子化合物,調(diào)控了植物生長、發(fā)育和對環(huán)境變化的響應。通過改變激素的合成、運輸和信號轉(zhuǎn)導,植物能夠調(diào)節(jié)生長與脅迫耐受的平衡,從而促進植物在脅迫環(huán)境中生存。ABA作為一種重要的植物激素,它在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用[22]。孫麗敏等[23]發(fā)現(xiàn)H2S信號和WRKY會增強ABA調(diào)節(jié)根生長和氣孔運動顯示H2S與ABA之間存在密切關(guān)系。但關(guān)于干旱脅迫下,H2S與ABA在植物中的信號作用關(guān)系鮮有報道。
干旱影響植物的生長發(fā)育,本文通過測定WT、lcd和aba1的種子萌發(fā)率的結(jié)果發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下lcd和aba1突變體的萌發(fā)率均顯著低于WT,且aba1種子發(fā)芽率抑制作用最為明顯(圖2),說明ABA對干旱脅迫更加敏感。干旱脅迫促使擬南芥幼苗中H2S含量的增加以及CDes活性的增強(圖3),二者在6~72 h脅迫時間內(nèi)有相同的變化趨勢(圖3:A~B),CDes活性變化中,L-CDes活性始終高于D-CDes活性,說明干旱脅迫下,在合成H2S中,L-CDes占主導作用。這與本課題組前期關(guān)于干旱脅迫下研究擬南芥中H2S與PLDα1響應干旱脅迫作用的研究結(jié)果相一致[24],另一方面,干旱脅迫也會誘導ABA含量的上升(圖3C),且ABA含量隨處理時間呈波動趨勢。H2S和ABA都會積極響應干旱脅迫,推測二者在響應脅迫的過程中有一定的聯(lián)系。
對干旱脅迫下LCD和ABA1的基因表達進行定量分析發(fā)現(xiàn),干旱脅迫均能誘導LCD和ABA1表達上調(diào)(圖4),且LCD與L-CDes酶活性的變化趨勢相同,在72 h達到最大,說明在干旱上調(diào)LCD的表達,從而促使L-CDes酶活性的變化。如圖4B,ABA1表達在48 h達到峰值,但ABA含量卻在12 h就已經(jīng)達到了最大值,說明ABA含量變化先于ABA1的表達,ABA1表達有滯后效應。為了證明H2S和ABA存在聯(lián)系,分別外源添加150 μmol·L-1NaHS,25 μmol·L-1ABA后發(fā)現(xiàn),隨著處理時間的延長,H2S含量會顯著上升(圖5),說明ABA和H2S供體NaHS能夠顯著影響野生型擬南芥H2S產(chǎn)生,進一步說明了干旱脅迫下,ABA與NaHS可能參與H2S的合成。
以擬南芥WT、突變體aba1和lcd為研究材料,通過外源添加ABA與NaHS進行補償實驗,探究ABA與H2S在干旱脅迫下的信號關(guān)系。結(jié)果表明,干旱脅迫誘導H2S的產(chǎn)生。外源添加NaHS和ABA后,促進了WT、aba1和lcd中H2S的釋放(圖6),說明即使ABA1,LCD基因缺失,但NaHS對WT、aba1、lcd中H2S釋放仍然有促進作用,當外源添加NaHS補償LCD的缺失后,H2S含量顯著上升,但aba1與lcd并沒有恢復WT中H2S的釋放量,說明調(diào)控H2S產(chǎn)生的不僅僅只有ABA1與LCD。此結(jié)果與Qiao Z等人研究CDPKs通過在擬南芥中增強H2S信號來增強Cd耐受性的研究結(jié)果相似[25],當外源添加ABA后,促進了WT,aba1中H2S的釋放,卻對lcd中H2S的產(chǎn)生沒有顯著的促進作用(圖6),說明ABA誘導H2S的產(chǎn)生依賴于LCD,也初步說明了H2S可能位于ABA下游。
為了證實上一結(jié)論,我們從轉(zhuǎn)錄水平分析H2S與ABA響應干旱脅迫的信號關(guān)系。如圖7A所示,干旱脅迫能均誘導WT、aba1和lcd突變體擬南芥中ABA1、LCD的基因相對表達,aba1和lcd中ABA1、LCD的基因相對表達顯著低于WT中ABA1、LCD的基因相對表達,表明干旱脅迫通過上調(diào)ABA1、LCD的基因相對表達從而促進ABA含量與H2S含量上升。外源添加NaHS、ABA后,WT、lcd、aba1中ABA1基因相對表達均有不同程度的提高,但lcd、aba1中ABA1基因相對表達并沒有恢復到WT中ABA1基因相對表達水;NaHS、ABA對lcd、aba1中H2S含量的影響也得到了相似的結(jié)果,當外源添加NaHS、ABA后,促進WT、aba1中LCD的表達,表明aba1突變體中缺失ABA1基因并沒有影響LCD基因相對表達,但外源ABA對lcd突變體中LCD基因的表達沒有顯著的促進作用,說明干旱脅迫通過ABA促進H2S的釋放與上調(diào)LCD基因相對表達進而調(diào)控植物生長,干旱脅迫下H2S信號轉(zhuǎn)導依賴于ABA1。轉(zhuǎn)錄水平證實了H2S位于ABA下游發(fā)揮作用這一結(jié)論。
綜上,本研究表明干旱脅迫下,植物通過上調(diào)LCD、ABA1基因相對表達從而提高CDes酶活性,ABA含量的效果,進而開啟H2S與ABA響應干旱的途徑;在該響應途徑中,H2S位于ABA信號下游發(fā)揮作用,但信號途徑存在復雜而緊密的作用機制,這種作用機制仍值得進一步深入研究。