陳媛媛 李光勝 劉洋 何毓琦 周美亮 方正武
(1 長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,434025,湖北荊州;2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,100081,北京;3 湖南科技大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院,411201,湖南湘潭;4 西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院,400700,重慶)
作物的生長(zhǎng)發(fā)育常受到病原微生物的侵害,在協(xié)同進(jìn)化的過(guò)程中,作物逐漸形成了一系列復(fù)雜的防御機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)病原微生物的入侵[1]。這種防御機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的免疫應(yīng)答調(diào)控過(guò)程,包含對(duì)病原微生物的識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和抗病基因的調(diào)控等[2]。面對(duì)病原微生物的侵害,作物體內(nèi)抗病蛋白能通過(guò)特異識(shí)別病原菌分泌的效應(yīng)蛋白、介導(dǎo)應(yīng)激反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、觸發(fā)免疫響應(yīng)對(duì)抗病原微生物的侵?jǐn)_[3]。
TIR(toll-like receptor)基因是TIR-NB-LRR類(lèi)型的抗病基因(resistance gene,Rgene)。TIR 蛋白的N 端含有白細(xì)胞介素受體TIR 結(jié)構(gòu)域,能夠特異識(shí)別病原菌分泌的效應(yīng)蛋白,協(xié)助蛋白質(zhì)之間的結(jié)合[4-5]。目前,已經(jīng)從煙草[6]、擬南芥[7]和亞麻[8]中鑒定到了TIR基因,并對(duì)其功能進(jìn)行了分析。在煙草中,將TIR 蛋白中與Toll 或TIR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的保守氨基酸位點(diǎn)突變后,突變的轉(zhuǎn)基因煙草植株對(duì)煙草花葉病毒的抗性減弱,且病毒可以在突變位點(diǎn)及周?chē)鷶U(kuò)散[9]。此外,AtTIR基因突變后,擬南芥植株在沒(méi)有病原菌誘導(dǎo)情況下的存活率顯著降低[10]。同樣,在亞麻中發(fā)現(xiàn),TIR 結(jié)構(gòu)域突變后,植株的抗病性也顯著降低,證實(shí)TIR基因在植物抗病性中具有重要作用[11]。迄今為止,對(duì)TIR基因的研究主要集中在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及病原菌識(shí)別方面。然而,關(guān)于苦蕎TIR基因克隆與功能等方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。
苦蕎是蓼科( Polygonaceae ) 蕎麥屬(Fagopyrum)的一種食藥同源的雜糧作物,富含蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)及各種藥用類(lèi)黃酮[12]。近年來(lái),隨著我國(guó)蕎麥種植面積的不斷擴(kuò)大,由立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)侵害引起的蕎麥立枯病害也呈逐年加重趨勢(shì),嚴(yán)重阻礙了我國(guó)蕎麥產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。蕎麥立枯病主要發(fā)生在苗期,立枯絲核菌通過(guò)侵入蕎麥種子的種皮或幼苗莖基部和根部的傷口來(lái)感染蕎麥植株,被感染的蕎麥種皮表現(xiàn)為黃色或者褐色,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致種子腐爛[13]。受到感染的幼苗,前期莖基部會(huì)出現(xiàn)暗褐色的病斑或者水澤狀,接著病斑部位不斷擴(kuò)大,病斑部位組織凹陷和腐爛,植株發(fā)生倒伏現(xiàn)象,后期幼苗發(fā)生枯萎,嚴(yán)重時(shí)幼苗死亡[14]。目前,蕎麥立枯病的防治主要依賴(lài)噴施化學(xué)藥物,雖然能有效殺死致病菌或抑制病菌的生長(zhǎng),但長(zhǎng)期使用化學(xué)藥物會(huì)導(dǎo)致土壤微生物種群減少、土壤板結(jié)和肥力下降等問(wèn)題[15]。
為了解析蕎麥立枯病菌的致病機(jī)理,挖掘抗病基因,本研究從苦蕎中克隆了FtTIR基因,對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析和基因表達(dá)模式分析,并進(jìn)一步在擬南芥中過(guò)表達(dá)FtTIR基因進(jìn)行抗病性鑒定,為研究苦蕎TIR基因在立枯絲核菌致病機(jī)制提供重要依據(jù)。
供試的立枯絲核菌株、野生型擬南芥(Col-0)、苦蕎品種“品苦1 號(hào)”和植物表達(dá)載體pBI121 均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所蕎麥基因資源創(chuàng)新研究組提供。
選取顆粒飽滿(mǎn)、大小均一的苦蕎種子,經(jīng)蒸餾水浸泡12h 后剝?nèi)ネ獗砥?。依次?% NaClO 和75%乙醇消毒6min,然后用無(wú)菌水清洗3~5 次,將其平鋪于MS 培養(yǎng)基上,在22℃、16h/8h 光暗周期的培養(yǎng)室中培養(yǎng)。將培養(yǎng)2 周后的幼苗用活化好的立枯絲核菌菌柄侵染,菌柄直徑約3mm,用菌層接觸無(wú)菌苗。于侵染后0、6、12、24 和48h 分別對(duì)幼苗根、莖和葉取樣,用液氮速凍。
取苦蕎幼苗80~100mg,按照RNA Easy Fast Plant Tissue Kit(北京天根生化科技有限公司)植物組織RNA 提取試劑盒提取樣品總RNA;用HiScript?III 1st Strand cDNA Synthesis Kit(+gDNA wiper)試劑盒(南京諾唯贊生物技術(shù)有限公司)反轉(zhuǎn)錄合成第1 鏈cDNA,并于-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
利用CE 軟件以FtPinG0404132400.01.T01(Pinku1:http://mbkbase.org/Pinku1/)序列為參考序列,設(shè)計(jì)FtTIR基因全長(zhǎng)擴(kuò)增引物FtTIR-F/R(表1),以cDNA 為模板進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。PCR 產(chǎn)物經(jīng)電泳檢驗(yàn)后,回收純化?;厥债a(chǎn)物經(jīng)連接和轉(zhuǎn)化,篩選陽(yáng)性克隆后送北京擎科生物科技股份有限公司測(cè)序,得到FtTIR-T 載體質(zhì)粒。
表1 引物序列匯總Table 1 Summary of primer sequence
利用NCBI 在線(xiàn)網(wǎng)站對(duì)測(cè)序正確的序列進(jìn)行blast 比對(duì)分析,確定FtTIR的開(kāi)放閱讀框(ORF)。利用Expasy(https://web.expasy.org/protparam/)網(wǎng)站預(yù)測(cè)FtTIR編碼氨基酸數(shù)目、蛋白分子量(MW)、等電點(diǎn)(pI)等理化性質(zhì)。分別利用PRABIGERLAND(https://npsa-prabi.ibcp.fr/)和SWISSMODEL(https://swissmodel.expasy.org/interactive)網(wǎng)站預(yù)測(cè)FtTIR 蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。利用Cell-PLoc 2.0(http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/Cell-PLoc-2/)對(duì)FtTIR 蛋白進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)分析。在NCBI 網(wǎng)站上利用FtTIR 蛋白序列進(jìn)行blast同源比對(duì),用DNAMAN 軟件進(jìn)行TIR 蛋白的多序列比對(duì),并用MEGA-X 軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
利用CE 軟件設(shè)計(jì)FtTIR基因熒光定量PCR 引物FtTIR-qPCR-F/R(表1),以苦蕎組成型表達(dá)基因FtH3為內(nèi)參基因。使用Taq Pro Universal SYBR qPCR Master Mix 熒光定量試劑盒(南京諾唯贊生物技術(shù)有限公司)和7500 Real Time PCR System 儀器進(jìn)行qRT-PCR 分析。按公式2-ΔΔCT計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。
以測(cè)序比對(duì)正確的FtTIR-T 質(zhì)粒為模板,參照pBI121 圖譜設(shè)計(jì)特異性引物121-FtTIR-F/R(表1)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,利用同源重組方法將FtTIR基因的全長(zhǎng)編碼區(qū)連接到空載體pBI121 中,測(cè)序比對(duì)后得到過(guò)表達(dá)載體質(zhì)粒pBI121-FtTIR。
將重組質(zhì)粒pBI121-FtTIR轉(zhuǎn)化到農(nóng)桿菌GV3101 感受態(tài)中,篩選鑒定得到陽(yáng)性克隆。將陽(yáng)性菌液培養(yǎng)至OD600=0.6~0.8,通過(guò)浸花法侵染野生型擬南芥,收取T0代轉(zhuǎn)基因擬南芥種子,然后經(jīng)卡那霉素抗性篩選得到T1代過(guò)表達(dá)擬南芥。以T1代過(guò)表達(dá)擬南芥葉片的DNA 為模板,載體pBI121的通用引物121F 為正向引物、121-FtTIR-R 為反向引物進(jìn)行PCR 以鑒定陽(yáng)性轉(zhuǎn)基因擬南芥植株。篩選至純化的T3代轉(zhuǎn)基因擬南芥(FtTIR-OE)并進(jìn)行后續(xù)的生理生化分析。
采用離體葉片接種法檢測(cè)轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗病性,將過(guò)表達(dá)FtTIR擬南芥T3代和野生型擬南芥種子消毒滅菌后先在MS 固體培養(yǎng)基上培養(yǎng),7d后轉(zhuǎn)移到蛭石:營(yíng)養(yǎng)土=1:1 的混合土中培養(yǎng),培養(yǎng)條件為25℃,光周期為光照16h、黑暗8h。取3周齡大小一致的葉片用于立枯絲核菌侵染。把葉片放置在鋪有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中,將活化好的立枯絲核菌平板菌打成直徑0.3mm 的菌餅,菌層接觸葉片正面。每個(gè)株系取15 個(gè)葉片,設(shè)置3 次生物學(xué)重復(fù),對(duì)照使用無(wú)菌PDA 培養(yǎng)基。在接菌后24h統(tǒng)計(jì)發(fā)病情況。進(jìn)一步做DAB 染色試驗(yàn),并觀察其病斑情況,然后檢測(cè)立枯絲核菌侵染和未侵染條件下擬南芥中FtTIR和病程相關(guān)基因AtPR1的相對(duì)表達(dá)量,并測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性。
以苦蕎幼苗cDNA 為模板,經(jīng)PCR 擴(kuò)增獲得一條長(zhǎng)度為576bp 的目的片段(圖1)。
圖1 苦蕎FtTIR 基因序列擴(kuò)增Fig.1 Sequence amplification of FtTIR gene in tartary buckwheat
基因結(jié)構(gòu)分析(圖2a)表明,F(xiàn)tTIR基因編碼蛋白與其他植物上的該基因編碼蛋白具有相同的保守結(jié)構(gòu)域TIR,屬于TIR-NB-LRR 類(lèi)型抗病基因家族,但不同植物間具有不同程度的同源性。SOPMA 在線(xiàn)網(wǎng)站分析(圖2b)顯示,F(xiàn)tTIR 蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)包含41.36%α-螺旋、34.03%不規(guī)則卷曲、15.71%β-折疊及8.90%β-轉(zhuǎn)角。三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)(圖2c)顯示,F(xiàn)tTIR 蛋白與模板c5ku7B 的相似性達(dá)33%,與二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。利用Phyre2預(yù)測(cè)FtTIR 的三級(jí)結(jié)構(gòu),顯示FtTIR 與TIR-NB-LRR型抗性蛋白rpv1(c5ku7B)的相似性達(dá)100%,與二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果一致。系統(tǒng)發(fā)育分析(圖2d)顯示,F(xiàn)tTIR 蛋白與藜麥XP_021726625.1 和赤豆XP_047164412.1 親緣關(guān)系較近,屬于同一分支。
圖2 FtTIR 基因的生物信息學(xué)分析Fig.2 Bioinformatics analysis of FtTIR gene
qRT-PCR 結(jié)果(圖3)表明,F(xiàn)tTIR基因在立枯絲核菌侵染下總體表達(dá)上調(diào),但苦蕎根、莖和葉中FtTIR基因存在不同程度的誘導(dǎo)表達(dá),且在根中的表達(dá)量普遍較低,在莖中的表達(dá)量較高。在莖中FtTIR基因的表達(dá)量在接菌后6h 時(shí)達(dá)到峰值,與不接菌相比表達(dá)量上調(diào)約7 倍。在根中FtTIR基因的表達(dá)量在接菌后48h 時(shí)達(dá)到峰值,且表達(dá)量?jī)H上調(diào)0.5 倍左右。在葉中FtTIR基因的表達(dá)量在接菌后24h 時(shí)達(dá)到峰值,表達(dá)量上調(diào)約9 倍。
圖3 立枯絲核菌侵染下FtTIR 基因在苦蕎不同器官中的表達(dá)模式Fig.3 Expression patterns of FtTIR genes in different organs of tartary buckwheat under infestation with R.solani
2.3.1 過(guò)表達(dá)擬南芥葉片接種立枯絲核菌表型 選取生長(zhǎng)狀態(tài)相同的3 周齡的轉(zhuǎn)基因和野生型擬南芥葉片進(jìn)行立枯絲核菌接種(圖4),在正常條件下,野生型(WT)與過(guò)表達(dá)擬南芥株系(FtTIR-OE)之間無(wú)明顯差異。而在立枯絲核菌侵染后,過(guò)表達(dá)擬南芥株系葉片的抗病性較WT 強(qiáng)。
圖4 轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗病性表型驗(yàn)證Fig.4 Phenotypic verification of disease resistance in transgenic Arabidopsis
2.3.2 DAB 染色試驗(yàn) 選取3 周齡的FtTIR-OE 和WT 擬南芥葉片進(jìn)行立枯絲核菌侵染,對(duì)照組不作侵染。經(jīng)28℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)24h 后,用DAB 染色液對(duì)離體葉片染色20min,再用葉綠體脫色液脫色至葉片透明。如圖5 所示,對(duì)照組FtTIR-OE 和WT擬南芥葉片無(wú)明顯差異,而被立枯絲核菌侵染的葉片出現(xiàn)大量的病斑,呈棕褐色。在立枯絲核菌侵染24h 時(shí),經(jīng)DAB 染色后,F(xiàn)tTIR-OE 擬南芥株系葉片的病斑明顯少于WT。這表明FtTIR基因?qū)α⒖萁z核菌的侵害具有一定的抵抗作用。
圖5 轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗病性DAB 染色驗(yàn)證Fig.5 DAB staining for resistance of transgenic Arabidopsis
采用qRT-PCR 方法檢測(cè)FtTIR-OE 和WT 擬南芥在立枯絲核菌侵染下FtTIR基因的表達(dá)模式,以Atactin為內(nèi)參。如圖6a 所示,F(xiàn)tTIR-OE 轉(zhuǎn)基因株系中FtTIR基因的表達(dá)量較WT 顯著提高,而在立枯絲核菌侵染后FtTIR-OE 轉(zhuǎn)基因株系(OE-RS)中FtTIR基因的表達(dá)量較不侵染時(shí)(OE)的表達(dá)量顯著提高。
圖6 轉(zhuǎn)基因擬南芥中的表達(dá)模式分析Fig.6 Analysis of expression patterns in transgenic Arabidopsis
進(jìn)一步研究FtTIR在苦蕎立枯病抗病信號(hào)通路中的作用,通過(guò)qRT-PCR 檢測(cè)擬南芥葉片中病程相關(guān)基因AtPR1的表達(dá)水平,結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因擬南芥中AtPR1基因的表達(dá)量顯著高于WT(圖6b),同時(shí)在立枯絲核菌侵染下,AtPR1基因的表達(dá)量顯著增加。
測(cè)定擬南芥葉片中POD 活性(圖7a)發(fā)現(xiàn),在WT 擬南芥中經(jīng)立枯絲核菌侵染24h 條件下,POD 活性沒(méi)有顯著差異;而在FtTIR-OE 株系中,POD 活性在經(jīng)立枯絲核菌侵染24h 后顯著升高。WT 擬南芥在立枯絲核菌侵染下,SOD 活性顯著低于正常條件;而在FtTIR-OE 株系中,與正常生長(zhǎng)條件相比,被立枯絲核菌侵染24h 后,SOD 活性顯著升高(圖7b)。結(jié)果表明,過(guò)表達(dá)擬南芥株系在被立枯絲核菌侵染時(shí),植株體內(nèi)的POD 和SOD 活性均顯著提高,表明過(guò)表達(dá)株系相較于WT 具有更強(qiáng)的抗病性。
圖7 轉(zhuǎn)基因擬南芥生理生化指標(biāo)分析Fig.7 Analysis of biochemical indices in transgenic Arabidopsis
為了適應(yīng)極端環(huán)境,植物進(jìn)化出一系列防御機(jī)制來(lái)抵抗病原菌的侵害[15]。TIR抗病基因在植物的抗病信號(hào)通路中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[16]。蕎麥的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值日益顯著,種植面積不斷擴(kuò)大,而其生產(chǎn)受立枯病影響日益嚴(yán)重[3,17]。立枯病是由立枯絲核菌感染造成的,用立枯絲核菌感染苦蕎植株后,90%的植株出現(xiàn)壞死的褐色病變[18]。到目前為止,關(guān)于蕎麥的立枯病抗病機(jī)制尚未明確。為解析苦蕎對(duì)立枯絲核菌的抗病性,本研究從苦蕎品種“品苦1 號(hào)”中克隆出FtTIR基因,生物信息學(xué)分析顯示其具有TIR 家族特有的TIR 結(jié)構(gòu)域。在苦蕎苗期,立枯絲核菌侵染后的qRT-PCR 分析表明,F(xiàn)tTIR基因受立枯絲核菌脅迫的誘導(dǎo);組織特異性分析表明,F(xiàn)tTIR基因在根、莖和葉中有不同的表達(dá)量,參與不同的發(fā)育階段。
TIR基因的作用機(jī)制是通過(guò)與病原菌結(jié)合,將信號(hào)轉(zhuǎn)遞給轉(zhuǎn)導(dǎo)因子[4]。轉(zhuǎn)導(dǎo)因子與免疫反應(yīng)基因的啟動(dòng)子相結(jié)合,誘導(dǎo)免疫反應(yīng)基因表達(dá),從而對(duì)病原菌產(chǎn)生抗性[18]。在煙草中,TIR基因的突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)煙草花葉病毒的抗性消失,且病毒的擴(kuò)散速度大幅提升,說(shuō)明TIR基因參與了煙草花葉病毒的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[19]。在擬南芥中,TIR基因的突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因擬南芥在沒(méi)有病原菌效應(yīng)蛋白誘導(dǎo)的情況下也可以引起細(xì)胞壞死[11,20]。同樣,在亞麻中TIR基因突變也導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株對(duì)條銹病的抗性消失[21]。這些研究證實(shí),TIR基因與病原菌的效應(yīng)分子識(shí)別有關(guān),但TIR 蛋白是否直接與病原菌效應(yīng)蛋白結(jié)合還有待進(jìn)一步研究證實(shí)。此外,TIR基因具有調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能[22]。對(duì)擬南芥中TIR基因的研究[20,23]發(fā)現(xiàn),TIR基因具有負(fù)調(diào)節(jié)抗性信號(hào)傳導(dǎo)的功能,因?yàn)門(mén)IR基因的突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因擬南芥的防御反應(yīng)一直處于激活狀態(tài)。同樣,過(guò)表達(dá)馬鈴薯TIR基因?qū)е轮仓甑牟【烙磻?yīng)降低[24]。與上述研究矛盾的是,有研究[25]發(fā)現(xiàn),TIR基因具有正調(diào)節(jié)功能。將TIR基因的LRR 結(jié)構(gòu)域突變后,植株的抗性反應(yīng)消失,說(shuō)明LRR 結(jié)構(gòu)域具有正調(diào)控信號(hào)轉(zhuǎn)化功能。因此,TIR 是否作為植物抗病反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)調(diào)控因子仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。
本研究中,在擬南芥中異源表達(dá)FtTIR后顯著提高了擬南芥葉片對(duì)立枯絲核菌的抗病性。生理指標(biāo)檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn),其抗病性的提高與植物體內(nèi)SOD和POD 活性的增加有關(guān)。此外,在立枯絲核菌侵染過(guò)表達(dá)擬南芥中病程相關(guān)基因AtPR1的表達(dá)水平也顯著提高,這種病程相關(guān)蛋白激活了植株的防御機(jī)制,從而使植物最大程度減少損傷。本研究結(jié)果表明,F(xiàn)tTIR在提高苦蕎對(duì)立枯絲核菌抗病性中發(fā)揮著積極作用。本研究證實(shí)了TIR基因通過(guò)激活病程相關(guān)基因PR1的表達(dá)來(lái)提高植株的抗病性,是苦蕎立枯病抗性的正向調(diào)節(jié)因子,該結(jié)果為后續(xù)深入研究TIR基因調(diào)控苦蕎立枯病抗病分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
從苦蕎中克隆出TIR-NB-LRR 類(lèi)型的抗病基因FtTIR,在立枯絲核菌侵染24h 后,其在苦蕎根、莖和葉中表達(dá)量均有顯著增加,在莖中表達(dá)量最高,表明FtTIR基因受立枯絲核菌誘導(dǎo)表達(dá)。過(guò)表達(dá)擬南芥離體葉片侵染和DAB 染色結(jié)果說(shuō)明,F(xiàn)tTIR基因具有明顯的抗病性。在立枯絲核菌侵染條件下,F(xiàn)tTIR轉(zhuǎn)基因擬南芥植株的POD 和SOD活性較WT 顯著提高,其抗病能力顯著高于對(duì)照。