李炎朋,劉宇,鄭鈺瑩,劉君,楊志民,李志華,張明,陳煜*
(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,江蘇 南京 210095;2.沭陽縣周集鄉(xiāng)美濮草坪種植專業(yè)合作社,江蘇 沭陽 223600)
海濱雀稗(Paspalumvaginatum)是禾本科雀稗屬多年生草本植物,原生于海濱沙灘上,屬典型的非泌鹽型鹽生植物,具有很強的耐鹽性。已有研究主要集中在海濱雀稗耐鹽評價和生理機制研究上,通過形態(tài)、生理指標(biāo)與NaCl濃度之間的回歸分析,發(fā)現(xiàn)海濱雀稗耐NaCl閾值(261 mmol·L-1)顯著高于結(jié)縷草(203 mmol·L-1)、狗牙根(135 mmol·L-1)、假儉草(131 mmol·L-1)[1]。海濱雀稗具有多種耐NaCl生理機制,如可通過合成脯氨酸、甘氨酸-甜菜堿及葫蘆巴堿等有機滲透調(diào)節(jié)劑進行滲透調(diào)節(jié)[2],通過調(diào)整體內(nèi)K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、Na+濃度達到離子平衡[3],或通過增加水分吸收[4]等途徑緩解鹽害,但對于其耐鹽分子機制報道較少。
S-腺苷甲硫氨酸合成酶(S-adenosylmethionine synthetase,SAMS)是廣泛存在于動植物以及微生物體內(nèi)的胞內(nèi)酶,催化S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的合成。SAM作為植物體內(nèi)的主要甲基供體以及乙烯、多胺、生物素合成途徑中的主要前體,參與多種生物代謝過程。已有研究發(fā)現(xiàn),甲基化轉(zhuǎn)移酶、乙烯和多胺參與多種生物和非生物脅迫響應(yīng)過程;NaCl脅迫能誘導(dǎo)SAMS基因的上調(diào)表達,過表達黃瓜(CucumissativusL.)[5]、甜菜(BetavulgarisL.)[6]、番茄(Lycopersiconesculentum)[7]、大豆(GlycinemaxMerr.)[8]等的SAMS基因均能提高植物的耐鹽性。
本課題組前期從轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫中獲得1個受NaCl脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達的PvSAMS1基因,在此基礎(chǔ)上,本研究通過異源轉(zhuǎn)化擬南芥闡明PvSAMS1基因的耐鹽功能,再結(jié)合外源SAM處理探究其對海濱雀稗耐鹽調(diào)控的作用,進而明確海濱雀稗SAM合成途徑與耐鹽性的關(guān)系。
根據(jù)海濱雀稗轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)1個NaCl鹽誘導(dǎo)上調(diào)表達的SAMS家族成員PvSAMS1,通過NCBI數(shù)據(jù)庫BlastP查找其他物種中SAMS1蛋白的同源序列。SAMS1蛋白保守區(qū)預(yù)測采用NCBI的蛋白保守區(qū)數(shù)據(jù)庫(conserved domain database,CDD)完成。利用DNAMAN對PvSAMS1蛋白與其他物種的SAMS蛋白進行同源性分析;通過MEGA 7.0軟件中的鄰接法(Neighbor-joining)構(gòu)建PvSAMS1蛋白系統(tǒng)進化樹,并通過Bootstrap方法對進化樹進行檢測,Bootstrap值設(shè)置為1 000。
采用Magen公司植物基因組DNA提取試劑盒(D3161-03)提取植物DNA。采用OMEGA公司植物總RNA提取試劑盒(R6827-01)提取植物總RNA。使用TaKaRa公司PrimeScriptTMRT-PCR Kit(RR014A),以O(shè)ligo dT為引物合成cDNA第1條鏈。
以合成的cDNA第1條鏈為模板,用含有EcoRⅠ和EcoRⅤ酶切位點(下劃線)的引物(PvSAMS1-ORF-F:gaattcgcATGGCGGCGGAGAGCTTCCTGT;PvSAMS1-ORF-R:gatatctTTATTAAGCGGATGCCTTGTCGAACTT)擴增PvSAMS1基因片段,連接pClone007載體后,雙酶切pClone007-PvSAMS1載體,構(gòu)建pENTR1A-PvSAMS1載體,最終使用LR重組酶構(gòu)建pEarleyGate103-PvSAMS1載體。
采用農(nóng)桿菌花粉侵染法轉(zhuǎn)化擬南芥[9],使用含20 mg·L-1草銨膦的MS固體培養(yǎng)基對轉(zhuǎn)化后的擬南芥種子進行陽性苗篩選,獲得T3代純和株系,提取陽性苗DNA及RNA,分別進行PCR和RT-PCR檢測。所用引物為PvSAMS1-FL-F:CCCTTCTCCTCCTTCCTCCTGC;PvSAMS1-FL-R:CGACGACGACATGGCTTGCT。PCR反應(yīng)程序:98 ℃ 30 s;98 ℃ 10 s,70 ℃ 30 s,72 ℃ 40 s,30個循環(huán);72 ℃ 5 min。
將擬南芥T3代純合株系和野生型(WT)種子用含有1.5%有效氯的NaClO溶液浸泡5 min,用無菌水沖洗5~6次后,放至4 ℃冰箱中春化48 h。將春化好的擬南芥種子均勻點布于固體1/2MS培養(yǎng)基上,設(shè)置NaCl脅迫處理(0、100和120 mmol·L-1NaCl),將其置于人工氣候室內(nèi)萌發(fā)。人工氣候室光照/黑暗培養(yǎng)溫度22 ℃/20 ℃,光照/黑暗培養(yǎng)時間12 h/12 h,相對濕度60%,培養(yǎng)15 d后拍照觀察。
將黑色泡沫板裁剪成與淺盤周轉(zhuǎn)箱相當(dāng)?shù)某叽?打孔后插入去掉管底和蓋子的0.5 mL離心管。待種子萌發(fā)至長出4~6片葉(7~9 d)時,用鑷子將擬南芥苗小心移入淺盤周轉(zhuǎn)箱,黑色泡沫板上每個孔洞內(nèi)移入1株苗。淺盤周轉(zhuǎn)箱內(nèi)加1/4 Hoagland 營養(yǎng)液后,置于人工氣候室??刂茪夂蚴覂?nèi)環(huán)境條件同上。4 d后,將營養(yǎng)液換為1/2 Hoagland 營養(yǎng)液。此后每隔4 d更換1次營養(yǎng)液。待擬南芥幼苗生長一致時(6~8 片葉),將處理組營養(yǎng)液中分別更換為含50和100 mmol·L-1NaCl的1/2 Hoagland 營養(yǎng)液,置于人工氣候室,10 d后拍照,采樣。
剪取成熟野生型海濱雀稗莖段15~20 cm,將葉片全部剪至0.5 cm 長。用海綿塊包裹5~8根莖段中間后,插入打好孔的黑色泡沫板中固定,保證所有莖段至少有2個莖節(jié)完全浸沒于1/2 Hoagland 營養(yǎng)液中,置于人工氣候室內(nèi)培養(yǎng)。環(huán)境條件:光照/黑暗培養(yǎng)時間14 h/10 h;光照/黑暗培養(yǎng)溫度30 ℃/25 ℃,光照強度為500 μmol·m-2·s-1。對海濱雀稗分別添加0、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mmol·L-1SAM后,施加 400 mmol·L-1NaCl處理,采用五點取樣法測量每盆海濱雀稗的平均株高,篩選后續(xù)試驗最適SAM濃度。插苗后培養(yǎng)至生長狀態(tài)一致時,向SAM處理組營養(yǎng)液中加入0.5 mmol·L-1SAM,24 h后向NaCl處理組分別加入400和500 mmol·L-1NaCl,置于人工氣候室,15 d后采樣并拍照。
取新鮮植物根,用刻度尺測量其地上部與地下部分界處到最遠端根尖的距離(cm),即為根長。取新鮮植物整株,用吸水紙吸干植株表面水分,用分析天平測定其質(zhì)量(g),即為生物量。測5個重復(fù)。葉片相對含水量測定參考Barrs等[10]的方法。葉片電解質(zhì)滲漏率測定參考馬曉寒等[11]的方法。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(Thermo Fisher公司,ICP-AES6300型)測定Na+和K+含量。抗氧化相關(guān)指標(biāo)[12]的測定:采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量,采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性,采用過氧化氫還原法測定過氧化氫酶(CAT)活性,采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,采用抗壞血酸氧化法測定抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性。采用上海酶聯(lián)生物科技公司ELISA試劑盒測定SAM含量。
用SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計分析,采用Duncan’s法進行方差分析和多重比較,用Sigmaplot 12.0軟件繪圖。
從海濱雀稗轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫中獲得全長PvSAMS1基因序列,最大開放閱讀框(ORF)長度為1 185 bp,編碼394個氨基酸。通過NCBI搜索到其他植物的SAMS蛋白序列,利用MEGA7.0構(gòu)建系統(tǒng)進化樹。從圖1 可見,PvSAMS1與糜子(Panicummiliaceum)和黍(Panicumhallii)的SAMS親緣關(guān)系最近,與其他植物中的SAMS親緣關(guān)系較遠。
圖1 PvSAMS1蛋白的系統(tǒng)進化分析
利用NCBI的蛋白保守區(qū)數(shù)據(jù)庫對PvSAMS1進行保守區(qū)預(yù)測,PvSAMS1具有甲硫氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶的保守結(jié)構(gòu)域,屬于S-腺苷甲硫氨酸合成酶家族,利用Prosite數(shù)據(jù)庫進行蛋白功能結(jié)構(gòu)域預(yù)測,該蛋白含有3個SAMS蛋白的特征序列GHPDK、GAGDQGHMFGY和GGGAFSGKD。從圖2可見:海濱雀稗PvSAMS1氨基酸序列與糜子、狗尾草(Setariaviridis)、粟(Setariaitalica)、高粱(Sorghumbicolor)、玉米(ZeamaysL.)、黍、水稻(OryzasativaL.)中SAMS氨基酸序列相似度分別為98.73%、98.48%、98.48%、98.48%、98.22%、98.22%和95.69%,說明PvSAMS1的氨基酸序列與其他植物的氨基酸序列具有較高的同源性。
圖2 PvSAMS1與其他物種中SAMS的多種序列比對
PCR結(jié)果表明,以海濱雀稗葉片cDNA為模板的PCR產(chǎn)物有1條清晰的條帶(圖3-A)。將該條帶切膠回收后連接平末端載體pClone007,對該質(zhì)粒進行測序,結(jié)果與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫中序列一致。雙酶切質(zhì)粒pClone007-PvSAMS1結(jié)果如圖3-B。
對獲得的擬南芥PvSAMS1基因過表達株系提取DNA進行PCR鑒定,提取RNA進行RT-PCR鑒定,電泳結(jié)果(圖3-C)顯示,DNA PCR及RT-PCR產(chǎn)物條帶大小一致,均為PvSAMS1基因全長序列片段,表明4個株系均為轉(zhuǎn)基因材料。
圖3 PvSAMS1基因電泳圖
2.3.1 NaCl脅迫下的幼苗根長及生物量隨機選擇2個過表達轉(zhuǎn)基因株系(Line 2和Line 3)進行表型驗證,將轉(zhuǎn)基因株系T3代和野生型種子共同在含有不同濃度NaCl的1/2MS培養(yǎng)基上垂直放置培養(yǎng),測量其根長及生物量(圖4)。結(jié)果表明,在非NaCl脅迫正常生長條件下,野生型擬南芥和2個轉(zhuǎn)基因株系的根長和生物量無顯著差異,100和120 mmol·L-1NaCl處理顯著降低擬南芥根系長度及生物量,隨著NaCl濃度的增加,根長及生物量受抑制的程度也增加,但2個轉(zhuǎn)基因株系(Line 2和Line 3)的根長和生物量均顯著高于野生型。
圖4 擬南芥NaCl脅迫下根長及生物量
2.3.2 NaCl脅迫下轉(zhuǎn)基因擬南芥成苗的生長差異及生理指標(biāo)分析如圖5所示,處理前和非NaCl脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因和野生型擬南芥的葉片大小及葉片數(shù)量無顯著差異,50和100 mmol·L-1NaCl脅迫下,2個轉(zhuǎn)基因株系的生長均顯著優(yōu)于野生型擬南芥,轉(zhuǎn)基因株系植株存活率顯著高于野生型,轉(zhuǎn)基因株系植株大小及葉片枯萎黃化等情況也明顯優(yōu)于野生型,同時表現(xiàn)出更高的葉片相對含水量和更低的電解質(zhì)滲漏率。NaCl脅迫顯著降低了擬南芥葉片和根系中SAM的積累,過量表達PvSAMS1能顯著提高NaCl脅迫下的擬南芥根系和葉片中SAM的含量,而在對照非NaCl脅迫條件下,SAM的含量沒有顯著差異(圖6)。
圖5 PvSAMS1過表達株系及野生型擬南芥成苗NaCl脅迫下長勢差異
圖6 擬南芥轉(zhuǎn)基因株系及野生型葉(A)和根(B)S-腺苷甲硫氨酸(SAM)含量
離子檢測數(shù)據(jù)(圖7)顯示,NaCl脅迫顯著促進植株葉片和根系中Na+離子積累,降低K+離子吸收,進而降低K+/Na+值,隨著NaCl濃度的升高,野生型與轉(zhuǎn)基因株系的離子平衡狀態(tài)受到的影響逐漸加劇。轉(zhuǎn)基因植株中葉片和根系的Na+含量均顯著低于野生型,K+含量顯著高于野生型,保持更高的K+/Na+值。表明過量表達PvSAMS1能顯著抑制Na+離子吸收,促進K+離子吸收,調(diào)節(jié)NaCl脅迫下離子平衡。
圖7 擬南芥轉(zhuǎn)基因株系及野生型葉、根部位Na+、K+含量及K+/Na+值
對抗氧化系統(tǒng)檢測表明(圖8、9),NaCl脅迫使葉片和根系中丙二醛(MDA)含量顯著提高,但轉(zhuǎn)基因株系中的MDA含量顯著低于野生型。NaCl鹽脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因株系及野生型根系和葉片中的抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性均隨NaCl濃度的增加呈不同程度的下降,但轉(zhuǎn)基因株系中的這4種抗氧化酶活性均顯著高于野生型擬南芥。表明過量表達PvSAMS1通過促進抗氧化酶活性提高,降低NaCl脅迫下的氧化脅迫傷害。
圖8 NaCl脅迫下擬南芥轉(zhuǎn)基因株系及野生型葉片MDA含量及抗氧化酶活性
圖9 NaCl脅迫下擬南芥轉(zhuǎn)基因株系及野生型根部MDA含量及抗氧化酶活性
2.4.1 外源添加不同濃度SAM對海濱雀稗的影響從圖10可知:0.5和0.1 mmol·L-1SAM處理的海濱雀稗株高顯著高于其他處理,0.5 mmol·L-1SAM處理最高。1.0 mmol·L-1SAM處理株高略低于0 mmol·L-1SAM處理,但差異不顯著。1.5、2.0 和2.5 mmol·L-1SAM處理株高顯著低于0 mmol·L-1SAM處理,這3組均表現(xiàn)出明顯的高濃度SAM毒害現(xiàn)象,植物生長受到明顯抑制,葉片枯黃,生長緩慢。因此,0.5mmol·L-1SAM是合適的試驗處理濃度。
圖10 不同濃度SAM對海濱雀稗株高的影響
2.4.2 外源添加SAM對NaCl脅迫下海濱雀稗相對含水量及電解質(zhì)滲漏率的影響從圖11可知:在0、400和500 mmol·L-1NaCl濃度處理下,外源添加0.5 mmol·L-1SAM均能不同程度促進海濱雀稗的生長。表1結(jié)果表明,在非NaCl脅迫處理下,外源添加SAM的海濱雀稗葉片相對含水量與不添加SAM的海濱雀稗相比差異不顯著。而在NaCl處理濃度為400和500 mmol·L-1時,外源添加SAM的海濱雀稗葉片相對含水量顯著高于不添加SAM的海濱雀稗;當(dāng)NaCl濃度從400 mmol·L-1增加到500 mmol·L-1時,未添加SAM組的海濱雀稗相對含水量顯著降低,而添加SAM組的海濱雀稗相對含水量不變。在非NaCl脅迫處理時,外源添加SAM的海濱雀稗葉片電解質(zhì)滲漏率與不添加SAM的海濱雀稗無顯著差異。雖然隨著NaCl濃度的增加電解質(zhì)滲漏率有所增加,但在NaCl處理濃度為400和500 mmol·L-1時,外源添加SAM的海濱雀稗葉片電解質(zhì)滲漏率顯著低于不添加SAM的海濱雀稗。上述數(shù)據(jù)顯示,添加 0.5 mmol·L-1SAM能顯著緩解海濱雀稗在NaCl脅迫下的傷害。
表1 外源添加SAM對鹽脅迫下海濱雀稗葉片相對含水量和電解質(zhì)滲漏率的影響
圖11 外源添加SAM對鹽脅迫下海濱雀稗長勢的影響
2.4.3 外源添加SAM對NaCl脅迫下海濱雀稗K+、Na+含量的影響從表2可知:非NaCl脅迫處理下,外源添加SAM與無添加SAM的海濱雀稗其葉片Na+含量差異不顯著。在400和500 mmol·L-1NaCl脅迫條件下,外源添加SAM海濱雀稗葉片和根系中Na+含量均顯著低于無SAM添加的海濱雀稗,其K+含量均顯著高于無SAM添加的海濱雀稗。結(jié)果表明,添加SAM能抑制Na+積累,促進K+積累,維持更好的離子平衡狀態(tài),進而提高海濱雀稗耐鹽性。
表2 外源添加SAM對NaCl脅迫下海濱雀稗K+、Na+含量的影響
鹽脅迫直接影響植株的生長發(fā)育狀況,明顯降低種子發(fā)芽率,并且在形態(tài)上表現(xiàn)出植株矮小、萎蔫,甚至死亡的現(xiàn)象[13]。SAM是合成多胺和乙烯的重要前體,SAMS作為合成的關(guān)鍵酶,在調(diào)控植物耐鹽途徑中發(fā)揮重要作用[14]。海濱雀稗作為優(yōu)異的暖季型草坪草,具有很強的耐鹽性,我們前期從海濱雀稗轉(zhuǎn)錄組中獲得1個NaCl誘導(dǎo)上調(diào)表達的PvSAMS1基因。本研究通過異源轉(zhuǎn)化擬南芥發(fā)現(xiàn),PvSAMS1過表達株系的葉片相對含水量高于野生型,電解質(zhì)滲漏率低于野生型,說明其細胞保持了較高的完整性及較低的膜滲透率,證明PvSAMS1基因具有正調(diào)控植物耐鹽性的功能。
植物在NaCl脅迫下有多種維持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)態(tài)的途徑,包括離子調(diào)控、抗氧化、滲透調(diào)節(jié)等。為了緩解NaCl脅迫的傷害,植物已經(jīng)建立了對土壤溶液中高滲透壓成分和Na+的感知與響應(yīng)能力[15]。K+在植物細胞中的積累平衡了Na+積累的毒性效應(yīng),NaCl脅迫期間的離子動態(tài)平衡需要維持穩(wěn)定的K+獲取和分配[16]。本試驗表明,NaCl脅迫提高Na+在葉片的積累量,這與對其他作物的研究結(jié)果相一致[17]。PvSAMS1過表達擬南芥株系在NaCl脅迫下K+含量高于野生型,Na+含量低于野生型,表明PvSAMS1能提高擬南芥在NaCl脅迫下的離子平衡能力,保持細胞內(nèi)更高的K+/Na+。有研究表明,在擬南芥中過表達乙烯合成酶基因,能提高擬南芥體內(nèi)乙烯含量,可使植株體內(nèi)的乙烯通過提高H+和Ca2+濃度從而降低Na+濃度,進而緩解植物受NaCl脅迫[18]。由于SAM是乙烯生物合成前體物質(zhì)1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)的重要生物合成原料,我們推測過表達PvSAMS1基因提高SAM含量是通過促進乙烯合成從而間接提高植物在NaCl脅迫下的離子平衡能力。
植物在逆境脅迫下會誘發(fā)產(chǎn)生活性氧,過量的 ROS導(dǎo)致膜脂過氧化傷害[19-20]。研究顯示抗氧化酶和非酶類化合物代謝在緩解NaCl脅迫誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生的毒害中起著關(guān)鍵作用[21]。丙二醛(MDA)含量被普遍認(rèn)為是評價植物NaCl脅迫下質(zhì)膜過氧化損傷的指標(biāo)[22-24]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),PvSAMS1基因過表達株系在NaCl脅迫下的膜脂過氧化程度較低,APX、CAT、SOD、POD等抗氧化酶的活性顯著高于野生型,表明PvSAMS1通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活性來緩解NaCl脅迫下的氧化傷害。過表達PvSAMS1基因提高植株體內(nèi)的SAM含量,促進多胺合成,多胺在植物體內(nèi)氧化可誘導(dǎo)植物抗氧化酶活性的提高[25]。
SAMS是直接合成SAM的限速酶,SAM含量可在一定程度上反映其合成酶SAMS的表達量及活性[26-27]。在非NaCl脅迫處理下,野生型擬南芥體內(nèi)SAM含量與過表達株系差異不顯著;隨著脅迫程度的增加,SAM含量顯著下降,而PvSAMS1過表達株系的SAM含量顯著高于野生型。結(jié)果提示,通過SAM消耗來緩解NaCl脅迫傷害,而PvSAMS1過表達能促進SAM合成,增強了抗鹽性。
上述結(jié)果表明過表達PvSAMS1基因能夠提高植物的耐鹽性并促進SAM的合成,而SAM是否能直接調(diào)控海濱雀稗耐鹽性需要進一步證明。我們通過設(shè)置不同濃度的SAM試驗發(fā)現(xiàn),高濃度的SAM對海濱雀稗產(chǎn)生毒害作用,外源添加0.5 mmol·L-1SAM能顯著促進海濱雀稗在NaCl脅迫下的生長,表現(xiàn)出更高的相對含水量和更低的電解質(zhì)滲漏率,提示SAM能緩解細胞膜上的膜脂過氧化程度,減少細胞內(nèi)溶物質(zhì)的流失,保持細胞滲透勢,使細胞具備在高NaCl環(huán)境中的吸水能力[28]。有研究表明外源施加SAM可以提高NaCl脅迫下黃瓜幼苗體內(nèi)K+含量,降低Na+含量[29-30]。在本試驗中,外源添加合適濃度的SAM顯著降低海濱雀稗葉片和根系中的Na+含量,顯著提高K+含量。證明SAM通過調(diào)節(jié)NaCl脅迫環(huán)境下海濱雀稗的離子平衡,降低離子毒害和氧化脅迫,提高海濱雀稗的耐鹽性。