程名, 朱瑩, 王曉楠, 羅平, 陳勇, 郝轉(zhuǎn)芳*, 席章?tīng)I(yíng)*
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,鄭州 450046;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100081)
植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)遇到各種生物和非生物脅迫[1]。生物脅迫主要來(lái)源于病蟲(chóng)害和微生物侵染,非生物脅迫指干旱、高溫、高鹽、低溫、澇害等不利環(huán)境因素[2]。干旱是限制作物生產(chǎn)的主要脅迫因素之一,影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),1978—2016年年平均干旱受災(zāi)面積為2 267.6萬(wàn)hm2,占我國(guó)氣象災(zāi)害總受災(zāi)面積的53%[4]。
植物受干旱脅迫后,細(xì)胞感受器感知脅迫并產(chǎn)生脫落酸(abscisic acid,ABA)等信號(hào)分子,經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑傳遞給轉(zhuǎn)錄因子,轉(zhuǎn)錄因子特異性識(shí)別并激活或抑制下游靶基因的表達(dá),進(jìn)而響應(yīng)和抵御干旱脅迫[5]。轉(zhuǎn)錄因子能控制基因的表達(dá),在植物脅迫反應(yīng)中扮演著重要角色,如NAC(NAM、ATAF1/2和CUC2)家族轉(zhuǎn)錄因子,其為植物所特有,具有保守的NAC結(jié)構(gòu)域和多樣的生物學(xué)功能。首先被克隆的NAC轉(zhuǎn)錄因子是矮牽牛NAM基因,參與胚的生長(zhǎng)發(fā)育,隨后在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了與NAM功能不同但N端結(jié)構(gòu)相似的ATAF1/2和CUC2基因,取其名稱(chēng)首字母命名為NAC結(jié)構(gòu)域,NAC結(jié)構(gòu)域又可分為A、B、C、D和E 5個(gè)亞域,通過(guò)鹽橋等作用形成有功能的NAC蛋白二聚體[6-8]。
NAC家族轉(zhuǎn)錄因子在植物干旱脅迫響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。SNAC1(STRESS-RESPONSIVE NAC 1)基因受干旱誘導(dǎo)表達(dá),田間嚴(yán)重干旱下過(guò)表達(dá)SNAC1基因能夠明顯提高水稻生殖階段的抗旱能力[9]。此外,玉米ZmSNAC1也受干旱誘導(dǎo)表達(dá),過(guò)表達(dá)ZmSNAC1的擬南芥幼苗脫水耐受性顯著提高[10]。Xiang等[11]發(fā)現(xiàn),ZmNAC49能夠特異性結(jié)合氣孔發(fā)育相關(guān)基因ZmMUTE的啟動(dòng)子,通過(guò)抑制該基因的表達(dá),降低氣孔密度進(jìn)而提高玉米的耐旱性。Mao等[12]研究表明,提高ZmNAC111的表達(dá)量能夠提高玉米水分利用率,增強(qiáng)玉米苗期的耐旱性,而啟動(dòng)子區(qū)MITE(miniature inverted repeat transposable element,微型反向重復(fù)轉(zhuǎn)座元件)的插入會(huì)引起RNA介導(dǎo)的DNA和組蛋白甲基化,從而降低ZmNAC111的表達(dá),因此,ZmNAC111啟動(dòng)子區(qū)MITE的發(fā)現(xiàn)可作為一個(gè)玉米苗期耐旱性的遺傳標(biāo)記,在苗期階段用于初步判別玉米材料的耐旱能力。玉米ZmNAC55、水稻OsNAC2、棉花GhNAC4、大豆GmNAC109和水稻ONAC022也在抵御干旱脅迫反應(yīng)中起正向調(diào)控作用[13-17]。
近幾年,國(guó)內(nèi)外鑒定出一些逆境相關(guān)基因的等位變異,發(fā)現(xiàn)它們能夠影響基因的表達(dá)和功能,挖掘抗逆基因的優(yōu)異變異對(duì)于作物抗逆育種意義重大。ZmVPP1編碼液泡H+型焦磷酸酶,過(guò)表達(dá)ZmVPP1能夠提高玉米的抗旱能力,其啟動(dòng)子區(qū)366 bp片段的插入誘導(dǎo)其在干旱條件下表達(dá)[18]。ZmTIP1編碼S-酰基轉(zhuǎn)移酶,調(diào)控玉米根毛伸長(zhǎng)[19]。通過(guò)對(duì)166份來(lái)源不同的玉米自交系進(jìn)行重新測(cè)序,發(fā)現(xiàn)ZmTIP1的啟動(dòng)子區(qū)存在大量變異,主要分為2種單體型,攜帶單體型2的玉米自交系在干旱脅迫下較單體型1的存活率更高、根毛更長(zhǎng),表明單體型2所攜帶的變異是耐旱等位變異,而單體型1所攜帶的變異是干旱敏感性等位變異。本課題組前期基于候選基因關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)玉米ZmSNAC13基因5’-UTR區(qū)存在2個(gè)與耐旱選擇指數(shù)SI(selection index)相關(guān)的位點(diǎn)80308-SNP-220和80308-SNP-219,根據(jù)攜帶這2個(gè)位點(diǎn)的9個(gè)高度連鎖位點(diǎn)將玉米自交系劃分成2種單體型[20],但是目前ZmSNAC13等位變異響應(yīng)耐旱的分子機(jī)制尚未明確。本研究以耐旱性不同的單體型玉米B73(干旱敏感)和Qi319(耐旱)為材料,利用熒光定量PCR分析干旱脅迫下ZmSNAC13基因的表達(dá),采用雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)分析等位變異對(duì)不同單體型啟動(dòng)子活性的影響及其對(duì)ZmSNAC13基因表達(dá)的調(diào)控作用,為玉米抗旱育種提供依據(jù)。
載體pGreenⅡ0800、玉米自交系B73和Qi319均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所玉米優(yōu)質(zhì)抗逆育種課題組保存和提供。
1.2.1 玉米ZmSNAC13基因的生物信息學(xué)分析利用NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)檢索擬南芥、矮牽牛、小麥、棉花、水稻和玉米6個(gè)物種中10個(gè)典型的與耐旱性相關(guān)的NAC基因,以及NAM、CUC2、ATAF2的氨基酸序列,利用DNAMAN軟件進(jìn)行氨基酸序列比對(duì),采用MEGA7.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),使用鄰近法(Neighbor-joining),設(shè)置Bootstrap值為1 000。
1.2.2 玉米幼苗的種植與干旱處理 將玉米自交系B73和Qi319種子清洗干凈,均勻鋪放在發(fā)芽盒中的濾紙上,再蓋上1層濾紙,浸濕后放置于28℃植物培養(yǎng)箱(CU-36L5,美國(guó)PERCIVAL科技公司)黑暗培養(yǎng)至發(fā)芽,期間補(bǔ)加清水保持濕度,選取發(fā)芽一致的種子移至含育苗基質(zhì)的培養(yǎng)盒中,所有材料種植在同一培養(yǎng)盒中并做好標(biāo)記,待幼苗長(zhǎng)至三葉期時(shí)停止?jié)菜鞲珊堤幚恚?、5、8、10、12 d分別取根、莖和葉,迅速放入液氮冷凍,于-80℃超低溫冰箱保存。每個(gè)樣品各有3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
1.2.3 干旱脅迫下玉米ZmSNAC13基因的表達(dá)分析 使用TransZol Up Plus RNA Kit(全式金生物技術(shù)有限公司)提取RNA,用瓊脂糖凝膠檢測(cè)質(zhì)量,使用Thermo Nanodrop 2000(美國(guó))檢測(cè)濃度。質(zhì)量檢測(cè)合格的RNA使用FastKing gDNA Dispelling RT SuperMix試劑(天根生化科技有限公司)進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。將cDNA樣品稀釋10倍,采用SuperReal PreMix Plus(SYBR Green,天根生化科技有限公司)試劑盒進(jìn)行熒光定量PCR,反應(yīng)體系:2×SuperReal PreMix Plus 10 μL,10 μmol·L-1正向和反向引物(表1)各0.6 μL,cDNA模板 2 μL,加RNase-free ddH2O補(bǔ)至20 μL。反應(yīng)程序:設(shè)置95℃預(yù)變性15 min;95℃變性10 s,58℃退火 30 s,72 ℃延伸32 s,40個(gè)循環(huán)。采用2-△△CT法[21]計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量,每個(gè)樣品各有3個(gè)生物學(xué)重復(fù),3次技術(shù)重復(fù)。
1.2.4 ZmSNAC13基因啟動(dòng)子的克隆及載體的構(gòu)建 從Gramene(http://ensembl.gramene.org/index.html)下載 ZmSNAC13基因組序列,利用PlantCARE(https://www.plantcaretools.com)預(yù)測(cè)啟動(dòng)子順式作用元件。以ATG上游1 500 bp為參考序列設(shè)計(jì)引物(表1),采用CTAB法[22]提取B73和Qi319的葉片基因組DNA,以基因組DNA為模板,采用常規(guī)PCR方法擴(kuò)增玉米ZmSNAC13基因的啟動(dòng)子序列,經(jīng)2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)條帶大小,將條帶大小與預(yù)期相符的擴(kuò)增產(chǎn)物送至華大公司測(cè)序。PCR 反應(yīng)體系:10×Buffer 25 μL,dNTPs 10 μL,KOD 1 μL,正向引物和反向引物各1.5 μL,DNA模板3 μL,ddH2O 8 μL。PCR程序:94℃預(yù)變性2 min;98℃變性10 s,58℃退火30 s,68℃延伸1 min 40 s,35個(gè)循環(huán);68℃延伸5 min,12℃保存。In-Fusion連接法[23]將啟動(dòng)子區(qū)序列連接到pGreenII0800-LUC載體上,酶切位點(diǎn)選用BamHⅠ,構(gòu)建重組載體pZmSNAC13-B73和pZmSNAC13-Qi319。由華大公司通過(guò)基因組合成的方式將B73中ZmSNAC13基因5’-UTR區(qū)9個(gè)高度連鎖的變異替換成Qi319的變異,反之將Qi319中9個(gè)高度連鎖的變異替換成B73的變異,啟動(dòng)子區(qū)其他序列保持不變,構(gòu)建重組載體pZmSNAC13-B73m和pZmSNAC13-Qi319m。
表1 本研究所用引物Table 1 Primers used in this study
1.2.5 脫落酸處理下玉米ZmSNAC13基因的啟動(dòng)子活性檢測(cè) 參照Yoo等[24]方法提取玉米原生質(zhì)體,通過(guò)PEG-Ca2+介導(dǎo)法將空載pGreenⅡ0800和重組載體 pZmSNAC13-B73、pZmSNAC13-Qi319、pZmSNAC13-B73m、pZmSNAC13-Qi319m分別轉(zhuǎn)化到玉米原生質(zhì)體中,用0和10 μmol·L-1ABA處理的W5緩沖液室溫暗培養(yǎng)16 h。孵育完成后的原生質(zhì)體使用Dual-Luciferase?Reporter Assay System試劑盒(Promega)進(jìn)行處理,在熒光檢測(cè)儀器上測(cè)定螢火蟲(chóng)熒光素酶活性(firefly luciferase activity,LUC)與 海 腎 熒 光 素 酶 活 性(renilla luciferase activity,REN),計(jì)算LUC/REN比值,即為相對(duì)熒光素酶活性。每個(gè)樣品3次重復(fù),數(shù)據(jù)分析使用Excel進(jìn)行t檢驗(yàn)分析。
基因結(jié)構(gòu)是其發(fā)揮功能的基礎(chǔ),植物NAC家族轉(zhuǎn)錄因子在抵御非生物脅迫中具有重要的作用。對(duì)玉米ZmSNAC13與其他不同物種中參與非生物脅迫應(yīng)答的NAC轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行氨基酸序列比對(duì),發(fā)現(xiàn)這些NAC轉(zhuǎn)錄因子氨基酸序列的N端均具有保守的NAC結(jié)構(gòu)域,由大約160個(gè)氨基酸殘基組成,可分為A、B、C、D和E共5個(gè)亞結(jié)構(gòu)域,其中A、C、D亞結(jié)構(gòu)域高度保守,B和E亞結(jié)構(gòu)域保守性不強(qiáng);而C端具有高度變異的氨基酸序列,同時(shí)富含絲氨酸、脯氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺等。玉米ZmSNAC13氨基酸序列N端保守、C端高度變異。保守的N端可能與其他NAC蛋白一樣負(fù)責(zé)DNA或蛋白的結(jié)合,C端是轉(zhuǎn)錄激活區(qū),C端的高度變異說(shuō)明ZmSNAC13可能具有獨(dú)特的生物學(xué)功能。
進(jìn)一步對(duì)ZmSNAC13與其他物種NAC轉(zhuǎn)錄因子的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析發(fā)現(xiàn),ZmSNAC13與玉米ZmSNAC1[10]、水稻 SNAC1[9]、水稻 OsNAC3[25]和小麥TaNAC67[26]的進(jìn)化關(guān)系最近(圖1)。這4個(gè)與ZmSNAC13進(jìn)化關(guān)系最為相近的NAC轉(zhuǎn)錄因子都已被證實(shí)響應(yīng)多種非生物脅迫刺激,且均參與干旱脅迫應(yīng)答,正向調(diào)節(jié)植物的抗旱能力,由此推測(cè)ZmSNAC13也參與干旱脅迫應(yīng)答,在玉米抵御干旱的生物過(guò)程中有重要的作用。
圖1 不同物種NAC轉(zhuǎn)錄因子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)Fig.1 Phylogenetic tree of NAC transcription factors among different species
熒光定量結(jié)果(圖2)表明,玉米自交系B73和Qi319根中ZmSNAC13基因的相對(duì)表達(dá)量在干旱處理后表現(xiàn)下調(diào),分別在干旱處理8、10 d達(dá)到最低;B73和Qi319莖中ZmSNAC13的相對(duì)表達(dá)量均在干旱處理12 d達(dá)到最高,相比于干旱脅迫前分別上調(diào)表達(dá)3.27和2.43倍;Qi319葉中ZmSNAC13基因的相對(duì)表達(dá)量在干旱處理12 d上調(diào)2.78倍,而B(niǎo)73葉中ZmSNAC13基因的相對(duì)表達(dá)量在干旱處理8和10 d下調(diào)。干旱脅迫下玉米B73和Qi319的根、莖、葉中ZmSNAC13基因的表達(dá)模式各有不同,在干旱脅迫處理12 d的B73莖中的上調(diào)表達(dá)倍數(shù)最高,而Qi319葉中上調(diào)表達(dá)倍數(shù)最高。以上結(jié)果表明,ZmSNAC13基因響應(yīng)干旱脅迫,可能參與調(diào)控玉米干旱脅迫應(yīng)答。
圖2 干旱處理下玉米B73與Qi319根、莖和葉中ZmSNAC13基因的相對(duì)表達(dá)量Fig.2 Relative expression of ZmSNAC13 gene in roots,stems and leaves of maize B73 and Qi319 under drought stress
B73的ZmSNAC13上游非編碼區(qū)啟動(dòng)子序列擴(kuò)增長(zhǎng)度為1 500 bp,而Qi319的ZmSNAC13上游非編碼區(qū)啟動(dòng)子序列擴(kuò)增長(zhǎng)度為2 222 bp。經(jīng)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),B73和Qi319的ZmSNAC13啟動(dòng)子序列除了含有基本順式作用元件CAAT-box和TATA-box外,都含有激素響應(yīng)元件ABRE(脫落酸順式作用元件)、CGTCA-motif和TGACG-motif(茉莉酸甲酯順式作用元件),干旱響應(yīng)元件MBS,光響應(yīng)元件Box4、G-Box和 G-box。 除 此 之 外 ,Qi319的ZmSNAC13啟動(dòng)子序列還包含參與胚乳調(diào)控的元件 AACA-motif,光響應(yīng)元件 GT1-motif、Sp1、TCT-motif和chs-CMA1a。
利用雙熒光素酶報(bào)告體系分析ZmSNAC13基因的啟動(dòng)子活性,發(fā)現(xiàn)在無(wú)ABA處理下B73和Qi319 ZmSNAC13啟動(dòng)子控制的LUC/REN比值無(wú)顯著差異;而在 10 μmol·L-1ABA處理下,Qi319 ZmSNAC13啟動(dòng)子控制的LUC/REN比值是B73的1.54倍(圖 3),說(shuō)明 ABA處理下 Qi319的ZmSNAC13啟動(dòng)子活性高于B73。同時(shí),在干旱處理12 d時(shí),Qi319葉中ZmSNAC13基因的相對(duì)表達(dá)量上調(diào)表達(dá)倍數(shù)高于B73(圖2),2個(gè)材料ZmSNAC13基因啟動(dòng)子區(qū)均含有8個(gè)ABA響應(yīng)元件(ABRE),由此推測(cè)玉米ZmSNAC13基因可能依賴(lài)于ABA信號(hào)通路參與干旱脅迫應(yīng)答。
圖3 ABA處理下ZmSNAC13基因的啟動(dòng)子活性分析Fig.3 Activity of the ZmSNAC13 promoter under ABA treatment
從圖4可以看出,ZmSNAC13基因啟動(dòng)子9個(gè)高度連鎖的變異位點(diǎn)包括7個(gè)單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)和 2個(gè)插入-缺失(insertions-deletions,InDels)變異。SNP為5’-UTR區(qū)T/A(ATG中的A記為+1 bp,位置為-220 bp)、T/C(-219 bp)、T/G(-155 bp)、C/T(-60 bp)、T/C(-42 bp)、C/G(-23 bp)和 C/G(-20bp);InDels為-/GGC(-147bp)、-/GT(-142bp)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),在 0 和 10 μmol·L-1ABA 處理下,pZmSNAC13-B73m驅(qū)動(dòng)的LUC/REN值分別是pZmSNAC13-Qi319m的1.62和1.80倍,說(shuō)明B73 ZmSNAC13 5’-UTR區(qū)替換成Qi319 ZmSNAC13攜帶的9個(gè)連鎖變異后啟動(dòng)子活性顯著增強(qiáng),而Qi319 ZmSNAC13 5’-UTR區(qū)替換變異后啟動(dòng)子活性下降,說(shuō)明ZmSNAC13 5’-UTR區(qū)的9個(gè)連鎖變異互換使B73 ZmSNAC13啟動(dòng)子活性強(qiáng)于Qi319,這些變異位點(diǎn)能夠影響啟動(dòng)子的活性,進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)。
圖4 ZmSNAC13的9個(gè)連鎖變異影響啟動(dòng)子活性Fig.4 9 linkage variants of ZmSNAC13 affect promoter activity
NAC家族轉(zhuǎn)錄因子廣泛分布于植物基因組中,在植物的非生物脅迫應(yīng)答中起著重要的調(diào)控作 用[27]。 水 稻 SNAC1[9]與 OsNAC3[25]、玉 米ZmSNAC1[10]和小麥TaNAC67[26]都受干旱脅迫誘導(dǎo)表達(dá),提高它們的表達(dá)量能分別增強(qiáng)植物的耐旱能力。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析發(fā)現(xiàn),玉米ZmSNAC13與水稻SNAC1、水稻OsNAC3、玉米ZmSNAC1和小麥TaNAC67的進(jìn)化關(guān)系較近,同時(shí)qRT-PCR驗(yàn)證了ZmSNAC13基因受干旱誘導(dǎo)表達(dá),由此推測(cè)ZmSNAC13基因也參與調(diào)控玉米的耐旱機(jī)制。ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是植物干旱脅迫的核心[28],其通過(guò)促使氣孔關(guān)閉減少水分散失以適應(yīng)干旱環(huán)境,葡萄VvNAC17可以被干旱和脫落酸誘導(dǎo)表達(dá),過(guò)表達(dá)VvNAC17擬南芥通過(guò)調(diào)節(jié)參與ABA介導(dǎo)途徑的基因表達(dá)提高植株的耐旱能力[29]。ZmSNAC13基因的啟動(dòng)子序列含有ABA和干旱誘導(dǎo)響應(yīng)的順式作用元件,表明ZmSNAC13可能依賴(lài)ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與干旱脅迫應(yīng)答。
變異影響基因的表達(dá)或功能,精準(zhǔn)測(cè)序使基因的變異位點(diǎn)更易檢出,有利的變異位點(diǎn)可以被開(kāi)發(fā)成分子標(biāo)記用于輔助育種。ZmTIP1CIMBL55上游1.5 kb片段中包含6個(gè)MybSt1結(jié)合位點(diǎn),而ZmTIP1B73和ZmTIP1Mo17只含有1個(gè)MybSt1結(jié)合位點(diǎn),利用GUS報(bào)告基因分析啟動(dòng)子促進(jìn)基因表達(dá)的能力,發(fā)現(xiàn)ZmTIP1CIMBL55啟動(dòng)子比ZmTIP1B73和ZmTIP1Mo17啟動(dòng)子能增強(qiáng)GUS酶活,表明ZmTIP1啟動(dòng)子區(qū)的序列差異影響基因的表達(dá)[19]。蘋(píng)果MdhpRNA277啟動(dòng)子區(qū)的基序b(-1 186 bp)位點(diǎn)G/T的突變能夠消除MdhpRNA277啟動(dòng)子的活性[30]。TaSNAC8-6A是干旱響應(yīng)基因,在有無(wú)ABA處理下TaSNAC8-6AIn-313啟動(dòng)子的活性都要高于TaSNAC8-6ADel-313,TaSNAC8-6A 中 InDel-313位點(diǎn)的插入變異能夠提高TaSNAC8-6A的表達(dá)[31]。Wang等[18]研究發(fā)現(xiàn),玉米ZmVPP1CIMBL55和ZmVPP1B73啟動(dòng)子片段控制的GUS在無(wú)ABA處理時(shí)處于低水平表達(dá),而10 μmol·L-1ABA處理極大地增強(qiáng)了由ZmVPP1CIMBL55啟動(dòng)子片段控制的GUS的表達(dá),同時(shí)高于ZmVPP1B73啟動(dòng)子片段控制的GUS的表達(dá)。ZmVPP1CIMBL55啟動(dòng)子片段存在366 bp插入變異,該變異中包含的3個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列能夠介導(dǎo)脅迫下耐旱等位基因ZmVPP1CIMBL55的表達(dá)。本研究中,10 μmol·L-1ABA處理下,Qi319材料ZmSNAC13啟動(dòng)子的活性要高于B73材料,且Qi319材料所攜帶的該基因5’-UTR區(qū)9個(gè)高度連鎖的變異能夠增強(qiáng)啟動(dòng)子的活性,分析發(fā)現(xiàn)Qi319 ZmSNAC13基因5’-UTR區(qū)9個(gè)高度連鎖的變異增加了1個(gè)Sp1光響應(yīng)元件,猜測(cè)Qi319材料ZmSNAC13基因5’-UTR區(qū)9個(gè)高度連鎖的變異中包含的Sp1光響應(yīng)元件介導(dǎo)了干旱脅迫下耐旱ZmSNAC13等位基因的表達(dá)。本研究為解析玉米在干旱脅迫下的響應(yīng)機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。