孟盈,閆筱筱,王召軍,張洪映,楊欣玲,楊永鋒,崔紅*
1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué),煙草學(xué)院,鄭州市文化路95號(hào) 450002;
2 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,鄭州市隴海東路72號(hào) 450000
煙草植株的氣生部分密被腺毛,對(duì)植株抗性和煙葉質(zhì)量具有重要影響[1]。栽培煙草的腺毛主要由三種類型混合組成。其中,長柄分泌型腺毛為主要類型,是二萜和糖脂合成的重要場所,二者不僅是重要香氣前體物質(zhì)[2],對(duì)蚜蟲抗性也有較大影響[3]。短柄分泌型腺毛是葉面抗性蛋白的合成場所,在抑制孢子萌發(fā)和抵抗真菌侵染中起重要作用[4]。構(gòu)成了煙株與環(huán)境間的物理屏障,可以有效地防御各種非生物脅迫及生物脅迫[5]。因此,提高腺毛密度是煙草品質(zhì)和抗性改良的重要途徑之一,而這依賴于對(duì)煙草腺毛形態(tài)發(fā)生分子機(jī)制的全面解析。
雖然,擬南芥單細(xì)胞腺毛發(fā)生分子機(jī)制研究已取得了突破性進(jìn)展,但多細(xì)胞腺毛與單細(xì)胞腺毛在發(fā)生調(diào)控機(jī)制上有并不相同[6-8]。細(xì)胞周期蛋白(Cyclins)在真核細(xì)胞分裂過程中起調(diào)控作用,對(duì)細(xì)胞增殖及植物發(fā)育有重要意義[9]。Cyclins共有A、B、C、D、H、L、T、U、SDS和J18-type 10個(gè)家族,功能各不相同[10]。其中,B-型細(xì)胞周期蛋白(B-type cyclins)控制核內(nèi)復(fù)制(G2)期轉(zhuǎn)向分裂(M)期的轉(zhuǎn)換[11],過量表達(dá)CycB2的水稻能促進(jìn)細(xì)胞分裂,加快水稻根系的生長,與CDKB2相互作用后調(diào)節(jié)水稻根系的生長發(fā)育[12];在種子發(fā)育過程中也可以發(fā)揮作用,玉米CycB2與CDKA相互作用后,共同參與調(diào)控胚乳發(fā)育過程中的細(xì)胞周期[13];對(duì)腺毛發(fā)生也有影響,CycB1;2在GL2啟動(dòng)子控制下在擬南芥腺毛中表達(dá),可使單細(xì)胞腺毛轉(zhuǎn)變?yōu)閰采亩嗉?xì)胞型腺毛[14]。SlCycB2是從番茄wooly突變體中發(fā)現(xiàn)的B型細(xì)胞周期蛋白基因,當(dāng)SlCycB2的表達(dá)受到抑制時(shí),非分泌型腺毛(III和V型)明顯增多,分泌型腺毛(I和IV型)消失;當(dāng)SlCycB2過表達(dá)時(shí),非分泌型腺毛及分泌型腺毛都明顯減少[15-16]。這反映出多細(xì)胞腺毛發(fā)生調(diào)控機(jī)制的精細(xì)和復(fù)雜性,也說明B型細(xì)胞周期蛋白在多細(xì)胞腺毛發(fā)生調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中具有舉足輕重的地位。
煙草腺毛密度受到多種栽培因素[17-23]與環(huán)境因子[24-27]的影響,但其遺傳調(diào)控機(jī)制還不清晰。雖然有研究表明NtCycB2在煙草中的過表達(dá)及在番茄中異源表達(dá)都出現(xiàn)抑制腺毛發(fā)生的現(xiàn)象[16],但該基因在煙草中的表達(dá)模式及對(duì)不同類型腺毛發(fā)生的調(diào)控模式并未報(bào)道。為此,本研究采用RT-PCR技術(shù),進(jìn)行煙草K326 NtCycB2克隆和生物信息學(xué)分析,分別構(gòu)建過表達(dá)載體和基因編輯載體進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化分析,通過腺毛形態(tài)的比較研究解析了,深入解析NtCycB2表達(dá)對(duì)煙草腺毛形態(tài)發(fā)生的調(diào)控作用,旨在為煙草葉面化學(xué)分子定向改良奠定基礎(chǔ)。
供試材料煙草K326無菌苗培養(yǎng)于光照培養(yǎng)箱,培養(yǎng)溫度為25℃、濕度為60%,光照條件為16 h光/8 h暗。
利用Primer Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)NtCycB2克隆引 物(F1:ATGAGCCGAAGAAATGGAAAT,R1:CTAACTGATATTCCTCCTAGTAG)和高保真Pfu酶進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR反應(yīng)條件為94°C 10min;94°C 30s,58°C 30s,72°C 30s,35次 循 環(huán);72°C 10min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測后,使用天根公司DNA凝膠回收試劑盒回收目的片段,回收產(chǎn)物連接到pMD19-T載體,轉(zhuǎn)化Escherichia coli DH5α感受態(tài)細(xì)胞,篩選陽性克隆,酶切鑒定后送深圳華大公司進(jìn)行測序驗(yàn)證。
根據(jù)茄科基因組網(wǎng)站(https://solgenomics.net/)、中國煙草基因組數(shù)據(jù)庫(V3.0)和擬南芥TAIR網(wǎng)站(https://www.arabidopsis.org)獲取相關(guān)CycB2基因的序列。利用Prosite數(shù)據(jù)庫(https://www.expasy.org/tools/)分析蛋白質(zhì)的理化性質(zhì),使用ProtParam程序(http://web.expasy.org/protparam/)預(yù)測氨基酸分子量。利用Clustal Omega program(https://www.ebi.ac.uk/ Tools/msa/clustalo/)和MEGA5.0軟件進(jìn)行進(jìn)化和多序列比對(duì)分析。利用NCBI Conserved Domain Database(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd)分析CycB2基因的保守結(jié)構(gòu)域。
選擇五葉期生長一致的幼苗進(jìn)行非生物脅迫處理:100μmol·L-1MeJA溶液進(jìn)行外源激素處理,150mmol·L-1NaCl溶液進(jìn)行高鹽脅迫,20% PEG6000溶液進(jìn)行滲透脅迫,4℃進(jìn)行低溫脅迫和42℃進(jìn)行高溫脅迫。分別在脅迫處理0、1、6、12和24h進(jìn)行樣品收集,經(jīng)液氮速凍后保存于-80℃。Trozol法提取RNA。反轉(zhuǎn)錄程序參照Invitrogen公司的M-MLV Reverse Transcriptase試劑盒說明書進(jìn)行。
以煙草L25核糖體蛋白(L18908)(F2:GCTTTCTT CGTCCCATCA,R2:CCCCAAGTACCCTCG TAT)為內(nèi)參[28],按照Invitrogen公司的2×RealStar Green Fast Mixture(SYBR Green)試劑盒說明書,利用F1/R1引物進(jìn)行實(shí)時(shí)定量RT-PCR。20 μL反應(yīng)體系:SYBR Green Mix 10.0 μL,上、下游引物(10.0 μmol L-1)各0.5 μL,cDNA 1.0 μL,RNasefree H2O 8.0 μL。反應(yīng)條件為95°C 10 min;95°C 10s,60°C 30s,72°C 30s,40次 循 環(huán);在72°C延伸步驟收集熒光信號(hào),溶解曲線為:95°C,15s。采用2-△△Ct法[29]進(jìn)行誤差分析。
利用NtCycB2克隆引物(F3:CGGGATCCATG AGCCGAAGAAATGGAAAT,R3:CGGAATTCC TAACTGATATTCCTCCTAGTAG,下劃線標(biāo)注的酶切位點(diǎn)分別是BamHI和EcoRI)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。將測序正確的目的基因連接到過表達(dá)載體構(gòu)成pCXSNFLAG-NtCycB2。
根據(jù)測序得到的NtCycB2的CDS序列,首先設(shè)計(jì)并合成gRNA靶位點(diǎn)序列(Targeting Sequence:GATCAACCACCCACAAGTGG,下劃線標(biāo)注的是Protospacer Adjacent Motifs,即PAM區(qū)),并添加BsaI酶切位點(diǎn)。Oligo二聚體與CRISPR/Cas9載體進(jìn)行連接:CRISPR/Cas9載體2.0μL,Oligo二聚體1.0 μL,Enzyme Mix 1.0 μL,無菌水H2O補(bǔ)充至10.0 μL。最后將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至農(nóng)桿菌中構(gòu)成NtCycB2-knock out基因編輯載體(圖1)。
圖1 NtCycB2基因敲除載體結(jié)構(gòu)Fig.1 Vector structure of NtCycB2-knock out
煙草轉(zhuǎn)基因采用葉盤轉(zhuǎn)化法[30]。NtCycB2過表達(dá)載體和基因敲除載體轉(zhuǎn)化后將葉片組織轉(zhuǎn)移到含有潮霉素(60.0 mg·L-1)的分化培養(yǎng)基上進(jìn)行分化培養(yǎng)和抗性篩選。獲得的敲除表達(dá)抗性株系進(jìn)行靶位點(diǎn)附近序列的測序分析,通過檢測靶位點(diǎn)堿基突變情況確定敲除株系。
利用F1/R1引物對(duì)過表達(dá)抗性株系進(jìn)行RT-PCR檢測分析,方法同1.3。
葉片腺毛組織化學(xué)染色法參考Lin和Wagner的方法[31]。將葉片在0.2%(w/v)羅丹明B水溶液中浸染30min,用蒸餾水漂洗三次,使用無菌濾紙吸干表面水分后,利用超景深顯微鏡(基恩士VHR-5000,日本)對(duì)葉片表面進(jìn)行觀察,并在上表皮中部隨機(jī)選擇3個(gè)視野進(jìn)行腺毛密度統(tǒng)計(jì)分析。
所有數(shù)據(jù)使用EXCEL進(jìn)行整理,應(yīng)用SPSS17.0軟件(IBM,美國)進(jìn)行顯著性分析,數(shù)據(jù)處理采用單因子方差(One-way ANOVA)分析。
以K326的DNA為模板,利用NtCycB2克隆引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增后,結(jié)果如圖2所示。經(jīng)測序發(fā)現(xiàn)該基因編碼區(qū)長333bp,共兩個(gè)拷貝,NtCycB2-1、NtCycB2-2核苷酸同源性達(dá)94%,氨基酸相似性100%。編碼110個(gè)氨基酸,分子量為12.2kD,理論等電點(diǎn)為8.60,酸性氨基酸殘基(Asp+Glu)總數(shù)為11,堿性氨基酸殘基(Arg+Lys)總數(shù)為14,其分子式為C509H847N153O169S11。
圖2 煙草NtCycB2基因克隆Fig.2 PCR amplification of NtCycB2
圖3 NtCycB2蛋白與近源物種同源蛋白的多序列比對(duì)Fig.3 Multiple sequence alignment of NtCycB2 protein and relative species homolog protein
NCBI網(wǎng)站在線分析CycB2基因具有三個(gè)典型的Motifs:I、II和III(圖3),其中,Motifi和II構(gòu)成WD40結(jié)構(gòu)域,MotifiII構(gòu)成RING-Like結(jié)構(gòu)域。蛋白序列比對(duì)分析結(jié)果表明K326 NtCycB2蛋白序列與其親本絨毛煙草(NtomCycB2:Ntom_KB972106.1)和林煙草(NsylCycB2:Nsyl_KD960057.1)的蛋白序列相同,與香料煙巴斯瑪(BXCycB2:Ntab-BX_AWOK-SS231466)、白 肋 煙TN90(TN90CycB2:Ntab-TN90_AYMY-SS4464)和紅花大金元(HDCycB2:Ntab0642370.1)的蛋白序列也相同;而與本氏煙(NbCycB2-1:Niben101Scf10299g00003.1和NbCycB2-2:Niben101Scf10396g00002.1)蛋 白序列的同源性均為96.36%,與番茄(SlCycB2:Solyc10g083140)、擬南芥(AtCycB2:AT5G06270和AtCycB3:AT3G11600)蛋白序列的同源性分別為71.05%、52.38%、和51.20%。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果也表明,CycB2在栽培煙草不同類型、不同品種及其親本之間高度保守,但與本氏煙NbCycB2存在較大差異,與番茄SlCycB2及擬南芥AtCycB2的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)(圖4)。
圖4 CycB2蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化樹分析Fig.4 Phylogenetic analysis of CycB2 protein
為研究NtCycB2的組織表達(dá)特性,分別對(duì)煙草根、莖、葉、去腺毛葉、花和腺毛中NtCycB2表達(dá)水平進(jìn)行RT-PCR檢測分析,結(jié)果如圖5A所示。腺毛和花中NtCycB2的表達(dá)水平最高,分別是根的7.6倍和5.2倍。NtCycB2表達(dá)水平在根和莖中較低,在葉片中相對(duì)較高,但在去腺毛葉片中明顯降低。由此推測,NtCycB2主要在煙草腺毛中富集表達(dá),這與SlCycB2在番茄腺毛中特異表達(dá)相一致。
圖5 NtCycB2基因表達(dá)模式分析Fig.5 Response of NtCycB2 to different stress treatments
為研究NtCycB2對(duì)逆境的應(yīng)答模式,采用RTPCR技術(shù),分析了水分、鹽、溫度、MeJA等脅迫條件下葉片NtCycB2表達(dá)水平的變化規(guī)律。在PEG和NaCl處理下,NtCycB2表達(dá)水平隨處理時(shí)間延長而逐漸降低(圖5-B,C),表明干旱和鹽脅迫對(duì)NtCycB2表達(dá)具有一定的抑制作用。在高溫處理下,NtCycB2表達(dá)水平隨處理時(shí)間延長而逐漸升高,而在低溫處理下顯示出明顯降低的趨勢,說明溫度對(duì)NtCycB2表達(dá)具有一定的誘導(dǎo)作用。在MeJA處理12h時(shí)NtCycB2表達(dá)量陡升,在24h時(shí)又明顯降低,表明了MeJA對(duì)NtCycB2表達(dá)的調(diào)控具有一定的時(shí)間效應(yīng)。
2.3.1 NtCycB2基因敲除
采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將NtCycB2-knockout表達(dá)載體轉(zhuǎn)化K326,對(duì)獲得的潮霉素抗性苗進(jìn)行PCR擴(kuò)增和測序,在所檢測的40株抗性苗中,有19株在靶位點(diǎn)序列檢測到了雙峰現(xiàn)象,編輯效率接近50%。在T1代中篩選中,獲得了4個(gè)在靶位點(diǎn)序列發(fā)生了插入或缺失突變的純合突變體。如圖6顯示,NtCycB2-ko-2的序列中第76堿基位置后出現(xiàn)C插入;NtCycB2-ko-3的序列中第73堿基位置的CCA缺失,第76堿基位置后出現(xiàn)C插入;NtCycB2-ko-15的序列中第73堿基位置的CCAC缺失;NtCycB2-ko-16第76堿基位置后出T插入。這些插入和缺失最終都導(dǎo)致了NtCycB2翻譯的終止。
圖6 NtCycB2基因敲除株系中NtCycB2序列分析Fig.6 Sequence analysis of NtCycB2 among different NtCycB2-knockout lines
2.3.2 NtCycB2基因過表達(dá)
采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將pCXSN-FLAG-NtCycB2表達(dá)載體轉(zhuǎn)化K326,并對(duì)抗性芽/幼苗進(jìn)行潮霉素抗性篩選。采用RT-PCR技術(shù)對(duì)該植株(NtCycB2-OE-1)和4個(gè)基因敲除株系(NtCycB2-ko-2、NtCycB2-ko-3、NtCycB2-ko-15和NtCycB2-ko-16)的純合突變體進(jìn)行NtCycB2表達(dá)水平分析,結(jié)果如圖7所示。NtCycB2-OE-1植株中NtCycB2的表達(dá)量明顯較高,是對(duì)照K326的3.1倍。而四個(gè)敲除株系中NtCycB2表達(dá)量與對(duì)照相近,表明其在轉(zhuǎn)錄水平并無明顯變化。
對(duì)NtCycB2敲除和過表達(dá)株系幼苗進(jìn)行了形態(tài)學(xué)觀察,結(jié)果如圖8所示,NtCycB2-ko-2植株形態(tài)與對(duì)照相似,但莖和葉上的腺毛更為濃密,整個(gè)植株呈現(xiàn)多毛狀態(tài)(圖8B)。NtCycB2-OE-1植株與對(duì)照形態(tài)有所不同,不僅葉片和莖表面光滑少毛,而且葉面光亮、葉片卷曲,形狀不規(guī)則(圖8C)。
經(jīng)羅丹明染色后對(duì)不同株系的腺毛進(jìn)行觀察,圖8-D、E和F顯示了NtCycB2表達(dá)對(duì)莖部腺毛發(fā)生的影響。與對(duì)照相比,NtCycB2-ko-2莖上腺毛濃密,腺柄較長,腺頭較為飽滿;而NtCycB2-OE-1莖表十分光滑,長柄腺毛幾乎消失,僅觀察到少量的短柄分泌型腺毛。圖8-G、H和I顯示了NtCycB2表達(dá)對(duì)葉面腺毛發(fā)生的影響。與對(duì)照相比,NtCycB2-ko植株葉面的腺毛數(shù)量顯著增加,大部分為長柄分泌型腺毛,腺頭著色較深,表明其物質(zhì)代謝和分泌功能旺盛;而NtCycB2-OE-1葉面分泌型腺毛和非分泌型腺毛數(shù)量明顯減少,僅有少量的短柄分泌型腺毛存留。
圖8 NtCycB2基因敲除和過表達(dá)株系的腺毛分析(150×)Fig.8 Trichome analysis of NtCycB2 knock-out lines and overexpression line(150×)
分別取NtCycB2敲除株系和過表達(dá)株系的幼葉進(jìn)行上表皮腺毛密度統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖9所示。4個(gè)NtCycB2敲 除 株 系NtCycB2-ko-2、NtCycB2-ko-3、NtCycB2-ko-15和NtCycB2-ko-16植株的葉面腺毛總數(shù)顯著高于對(duì)照。其中,長柄型或短柄型的分泌型腺毛的密度都顯著增加,而非分泌型腺毛的密度則沒有明顯改變。NtCycB2-OE-1株系中分泌型腺毛和非分泌型腺毛數(shù)量均顯著減少,且均呈現(xiàn)顯著性差異。該結(jié)果表明,NtCycB2對(duì)煙草腺毛發(fā)生尤其是分泌型腺毛的發(fā)生,具有明顯的負(fù)向調(diào)控作用。
圖9 NtCycB2敲除和過表達(dá)株系的葉面腺毛密度統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics of trichome density of leaf surface of NtCycB2 knock-out line and over-expression line
植物腺毛作為表皮細(xì)胞的特化結(jié)構(gòu),在植物抵御環(huán)境脅迫[32]和次生代謝產(chǎn)物積累[33]等方面發(fā)揮重要作用。煙草腺毛由多種分泌型和非分泌型腺毛混合組成,既形成了煙株與外界的物理屏障和化學(xué)屏障,同時(shí)又是重要的香氣前體物質(zhì)合成場所。因此,提高煙草腺毛密度是煙草的重要目標(biāo)。但栽培煙草遺傳背景狹窄、腺毛密度變異較小[34],常規(guī)的雜交育種難以有所突破。而利用關(guān)鍵基因的表達(dá)調(diào)控進(jìn)行分子改良,是煙草腺毛密度改良的主要途徑。
模式植物擬南芥為代表的單細(xì)胞腺毛發(fā)生已被逐步解析[35],但多細(xì)胞腺毛發(fā)生的分子機(jī)制還不清楚。最近研究發(fā)現(xiàn)番茄多細(xì)胞腺毛發(fā)生受到B型周期蛋白的調(diào)控,為煙草腺毛分子改良提供了理想的靶點(diǎn)。因此,本文克隆并分析了K326的B型周期蛋白NtCycB2。雖然NtCycB2氨基酸序列在栽培煙草不同類型和不同品種中高度保守,但與番茄SlCycB2相似性僅71.05%,預(yù)示二者之間的功能同中存異。為闡明NtCycB2在煙草腺毛發(fā)生中的調(diào)控作用,分別對(duì)該基因進(jìn)行了過表達(dá)和敲除表達(dá)研究。形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn),NtCycB2過表達(dá)植株莖和葉光滑少毛,葉片上除了少量短柄分泌型腺毛外,長柄分泌型和非分泌型腺毛基本消失;而NtCycB2敲除植株中莖葉呈現(xiàn)多毛現(xiàn)象,分泌型腺毛密度顯著增加,而非分泌型腺毛無明顯變化。該結(jié)果證明,NtCycB2對(duì)煙草分泌型腺毛具有顯著的負(fù)調(diào)控作用,這與番茄的研究結(jié)果有所不同。番茄共有7種類型的腺毛,包括4種分泌型(I、IV、VI與VII)和3種非分泌型(II、III和V)[36]。SlCycB2對(duì)III和V型非分泌型腺毛具有明顯的負(fù)調(diào)控作用,SlCycB2過表達(dá)和抑制都會(huì)導(dǎo)致I型腺毛的完全消失,對(duì)于其它類型腺毛發(fā)生無明顯影響[16]。B型細(xì)胞周期蛋白在煙草和番茄中都具有調(diào)控腺毛發(fā)生的功能,但調(diào)控模式存在明顯差異,其中原因并不清楚。這充分說明了多細(xì)胞腺毛發(fā)生調(diào)控機(jī)制的復(fù)雜性,其不僅具有物種特異性,也具有腺毛類型的特異性。而NtCycB2對(duì)煙草分泌型腺毛顯著的負(fù)調(diào)控作用,預(yù)示其在煙草葉面化學(xué)定向改良中具有較大的應(yīng)用潛力。其一,該基因的靶標(biāo)-長柄分泌型腺毛是葉面化學(xué)物質(zhì)合成的重要場所;其二,該基因的負(fù)向調(diào)控模式有利于基因編輯技術(shù)的應(yīng)用,而基因編輯技術(shù)改良品種無疑具有較大的公眾接受性和應(yīng)用空間。
當(dāng)然,在此之前還應(yīng)充分評(píng)估NtCycB2表達(dá)對(duì)煙草生長發(fā)育的影響。NtCycB2表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn),該基因主要在腺毛和花中高表達(dá),這與SlCycB2相一致,預(yù)示其主要影響植物的腺毛和花器的發(fā)育過程。SlCycB2過表達(dá)導(dǎo)致了胚胎發(fā)育受阻和不育[37],NtCycB2過表達(dá)使煙苗形態(tài)出現(xiàn)了異常,說明其過表達(dá)對(duì)植物生長發(fā)育和生殖有一定負(fù)作用。但到目前為止,還沒有關(guān)于CycB2敲除影響植株生長發(fā)育的報(bào)道。在本研究中,NtCycB2敲除后,煙苗腺毛濃密,發(fā)育正常,生長旺盛,預(yù)示其在生產(chǎn)中具有較好的應(yīng)用潛力。當(dāng)然,下一步但還需要進(jìn)行田間比較試驗(yàn),以闡明NtCycB2敲除對(duì)煙株農(nóng)藝性狀、葉面化學(xué)、煙葉質(zhì)量及其可用性的重要影響,為煙草葉面化學(xué)的定向改良奠定基礎(chǔ)。