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      小麥種子萌發(fā)早期淀粉降解關(guān)鍵酶活性及基因表達(dá)量研究

      2015-01-07 10:35:05劉美張鳳楊翠翠楊文思孫慶泉
      山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年9期
      關(guān)鍵詞:熒光定量PCR基因表達(dá)淀粉酶

      劉美+張鳳+楊翠翠+楊文思+孫慶泉

      摘要:為研究小麥種子萌發(fā)早期淀粉降解關(guān)鍵酶活性及其基因表達(dá)量變化,以山農(nóng)17為試驗材料,測定了不同溫度條件下萌發(fā)的小麥種子中的淀粉、可溶性糖含量及相關(guān)酶(淀粉酶和淀粉磷酸化酶)活性,并采用實時熒光定量PCR技術(shù)測定各酶相關(guān)基因相對表達(dá)量。結(jié)果顯示,不同溫度條件下萌發(fā)的小麥種子,淀粉含量隨萌發(fā)進(jìn)程以不同的速率呈下降趨勢,可溶性糖含量呈先下降后上升趨勢,α-淀粉酶、淀粉磷酸化酶活性和呼吸速率整體呈上升趨勢,以上各指標(biāo)均在露白前后有明顯的變化;β-淀粉酶呈現(xiàn)雙峰變化趨勢,且一直保持較高活性;α-淀粉酶和淀粉磷酸化酶基因的相對表達(dá)量均呈上升趨勢,且與酶活性呈極顯著相關(guān)。以上結(jié)果表明,在小麥種子萌發(fā)早期,溫度能強烈影響萌發(fā)過程中淀粉降解關(guān)鍵酶基因的表達(dá)量;α-淀粉酶和淀粉磷酸化酶在種子置床初期即可被檢測到活性,且受其編碼基因的調(diào)控作用顯著,在種子萌發(fā)過程中具有重要作用。

      關(guān)鍵詞:淀粉代謝; 淀粉酶; 淀粉磷酸化酶; 熒光定量PCR; 基因表達(dá)

      中圖分類號:S512.1+1文獻(xiàn)標(biāo)識號:A文章編號:1001-4942(2014)09-0039-07

      萌發(fā)是植物生長發(fā)育的前提,關(guān)系到作物后續(xù)生長,乃至最終產(chǎn)量[1]。影響種子正常萌發(fā)的因素很多,包括內(nèi)部生理條件和外部環(huán)境條件,其中,溫度強烈影響萌發(fā)種子內(nèi)部酶活性和物質(zhì)代謝,進(jìn)而影響發(fā)芽率和萌發(fā)速率[2]。

      目前,對種子萌發(fā)代謝的研究已從傳統(tǒng)的生理生化水平深入到基因組及蛋白質(zhì)組水平[3]。但諸類深層次的研究大多集中于大麥、番茄以及模式植物擬南芥,且主要針對種子萌發(fā)后期的代謝變化,對萌發(fā)初期的研究甚少[4,5]。Weitbrecht等[6]指出對種子萌發(fā)早期(介于干燥種子和胚突破種皮后幼苗建成階段之間)內(nèi)部代謝事件進(jìn)行研究,對于完善種子萌發(fā)的機(jī)理具有重要意義。

      淀粉降解是小麥種子萌發(fā)過程中主要的物質(zhì)代謝,其代謝產(chǎn)物為種子萌發(fā)提供必需的養(yǎng)料和能量[7]。關(guān)于淀粉降解及其相關(guān)酶的研究已有諸多報道[8]。然而,在基因水平層面的研究多集中在種子發(fā)育過程中的淀粉合成部分[9,10],對萌發(fā)過程中淀粉降解關(guān)鍵酶基因表達(dá)量的研究不多。因此,本研究以當(dāng)?shù)匦←溒贩N山農(nóng)17為試驗材料,測定了不同溫度條件下萌發(fā)早期(介于干燥種子和胚突破種皮后幼苗建成階段之間)淀粉和可溶性糖含量、淀粉降解關(guān)鍵酶活性及其基因相對表達(dá)量變化,旨在探究種子萌發(fā)早期淀粉降解的酶學(xué)變化和基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)變化,以期為進(jìn)一步闡明小麥種子萌發(fā)機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

      1材料與方法

      1.1材料與設(shè)計

      以小麥品種山農(nóng)17為試驗材料,2012年收獲于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站。

      發(fā)芽共設(shè)置3個溫度處理(最適溫度20℃、高溫30℃、低溫10℃)。取樣時間分布在萌發(fā)前、露白至發(fā)芽三個階段。具體取樣時間:30℃下萌發(fā)的種子每隔4 h取樣;20℃和10℃條件下萌發(fā)的種子每隔8 h取樣,直到發(fā)芽結(jié)束(胚芽長度為種子一半)時停止取樣。此外,20℃和10℃條件下,在露白時各增加一次取樣(20℃、12 h,10℃、40 h)。發(fā)芽前將種子含水量調(diào)整到12.5%(以減少種子本身對結(jié)果造成的差異),用5%H2O2消毒2~3 min,再用去離子水沖洗5~6遍后選取100粒籽粒飽滿、大小均一的種子,整齊的擺放到發(fā)芽盒,放入培養(yǎng)箱培養(yǎng),每天適量補水并按時取樣。重復(fù)3次。用于RNA提取的材料保存于液氮中,用于酶活性測定的材料液氮速凍后放入-20℃冰箱中備用

      1.2試驗方法

      1.2.1測定方法淀粉含量參考雙波長法測定[11];可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[12];α-淀粉酶、β-淀粉酶及總淀粉酶活性參考3,5-二硝基水楊酸法測定[13];淀粉磷酸化酶活性采用無機(jī)磷釋放定量分析法測定[14]。

      1.2.2小麥籽粒總RNA的提取、質(zhì)量檢測及反轉(zhuǎn)錄總RNA的提取、質(zhì)量檢測參考李浩等的方法[15]。cDNA合成按照寶生物工程(大連)有限公司(TaKaRa)反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書進(jìn)行,反轉(zhuǎn)錄后的cDNA保存于-20℃冰箱備用。

      1.2.3熒光定量PCR用于目標(biāo)基因表達(dá)分析的引物序列(表1)來源于參考文獻(xiàn)或利用Primer 6軟件設(shè)計,通過NCBI進(jìn)行Blast同源比對后由上海生工生物工程有限公司合成。各酶基因表達(dá)量分析采用實時熒光定量PCR,反應(yīng)采用寶生物試劑盒(SYBR Premix Ex TaqTM),反應(yīng)體系為20 μL。

      2結(jié)果與分析

      2.1總RNA純度及完整性檢測

      經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(圖1),加樣孔中無明顯亮帶,表明無蛋白質(zhì)污染。總RNA的28S rRNA和18S rRNA條帶清晰,且條帶亮度比約為2∶1,5S條帶較弱,說明總RNA的完整性較好,無明顯降解。

      2.2熒光定量PCR引物的特異性

      熒光定量PCR的擴(kuò)增曲線符合“S”形熒光增長曲線(圖2),目的基因及內(nèi)參基因擴(kuò)增的動力學(xué)曲線平行性較好,曲線拐點清楚。熔解曲線集中,只有1個明顯峰,目的基因與內(nèi)參基因擴(kuò)增產(chǎn)物的Tm值均一,表明在實時熒光定量PCR過程中,各基因擴(kuò)增產(chǎn)物具有特異性,無非特異性擴(kuò)增及引物二聚體出現(xiàn)。

      2.3種子萌發(fā)過程中淀粉及可溶性糖含量的變化

      2.3.1淀粉含量變化由圖3A、B、C可知,不同萌發(fā)溫度條件下兩種類型淀粉及總淀粉含量均逐漸下降,總體趨勢相似,萌發(fā)溫度越高,下降速率越大,且均在露白(箭頭標(biāo)出)時表現(xiàn)出較大幅度下降。但不同溫度下種子消耗淀粉的總量不同,表現(xiàn)為10℃>30℃>20℃,說明溫度過高或過低均要消耗較多的淀粉。各類型淀粉的總變化量也不同,直鏈淀粉下降總量表現(xiàn)為30℃>10℃>20℃,支鏈淀粉則表現(xiàn)為10℃>20℃>30℃,說明較高溫度下直鏈淀粉消耗較多,低溫條件下支鏈淀粉較易分解。露白時,20℃和30℃下萌發(fā)的種子直鏈淀粉含量相差不大,均高于10℃下萌發(fā)的種子直鏈淀粉含量,支鏈淀粉和總淀粉呈相同的規(guī)律。

      2.3.2可溶性糖含量變化由圖3D可知,不同溫度下萌發(fā)的小麥種子可溶性糖均呈現(xiàn)先降低后升高趨勢,趨勢改變的轉(zhuǎn)折點均在露白處??傮w來看,從置床到種子萌發(fā)結(jié)束,不同溫度條件下萌發(fā)的小麥種子,其可溶性糖含量變化幅度相差不大,即可溶性糖的最低含量稍高者,其最高含量也稍高些。種子可溶性糖含量在下降過程中表現(xiàn)為萌發(fā)溫度越高,含量下降越快;在上升過程中則表現(xiàn)為萌發(fā)溫度越高,含量上升越快。露白時,10℃和20℃下萌發(fā)的種子中可溶性糖含量相差不大,均略低于30℃下萌發(fā)的種子。這與萌發(fā)溫度越高,種子內(nèi)部的代謝越活躍有關(guān)。

      2.4種子萌發(fā)過程中呼吸速率的變化

      種子萌發(fā)過程呼吸作用的底物為淀粉降解的一些可溶性糖類,因此,萌發(fā)過程中呼吸速率可在一定程度上反映淀粉代謝強度。由圖4可知,不

      同溫度條件下萌發(fā)的種子,其呼吸速率總體均呈上升趨勢。但不同萌發(fā)溫度條件下的種子在相同萌發(fā)時間表現(xiàn)為萌發(fā)溫度越高,種子呼吸作用越強,且整體變化幅度越大,上升速率越快,即30℃>20℃>10℃。呼吸速率在種子露白前一時期就已呈現(xiàn)明顯變化,比淀粉及可溶性糖含量明顯變化的時間點早一個時期,說明呼吸作用加速

      了淀粉的降解。到種子露白時,不同萌發(fā)溫度條件下種子的呼吸速率相差不大,但到萌發(fā)結(jié)束時,各萌發(fā)溫度下的種子呼吸速率差別增大,30℃下的與20℃差異要明顯小于20℃與10℃的差異,說明低溫條件嚴(yán)重影響種子的呼吸速率及能量代謝,進(jìn)而延長種子萌發(fā)完成所需要的時間。

      2.5種子萌發(fā)過程中淀粉降解酶的活性變化

      2.5.1α-淀粉酶活性由圖5A可知,不同溫度條件下萌發(fā)的種子α-淀粉酶活性均呈上升趨勢,且在露白處出現(xiàn)明顯上升。在萌發(fā)結(jié)束時,除30℃條件下萌發(fā)的種子淀粉酶活性略有降低外,其它溫度條件下均有趨于穩(wěn)定的趨勢。不同溫度下,在相同萌發(fā)時間α-淀粉酶活性表現(xiàn)出溫度越高,酶活性越高的規(guī)律,即30℃>20℃>10℃,種子露白時不同溫度條件下α-淀粉酶活性表現(xiàn)為10℃>30℃>20℃,但到發(fā)芽結(jié)束時酶活性差異不大。

      2.5.2β-淀粉酶活性由圖5B可知,β-淀粉酶活性在不同溫度條件下隨萌發(fā)進(jìn)程整體呈現(xiàn)不同的變化趨勢,其中,20℃下萌發(fā)的種子呈先上升后下降的單峰變化,而10℃和30℃條件下的種子

      則呈上升下降后又上升下降的雙峰變化趨勢。種子露白時,萌發(fā)溫度越高β-淀粉酶活性越大,但不同溫度條件下的最大峰值相差不大,且均在露白后出現(xiàn)。種子萌發(fā)結(jié)束時,β-淀粉酶活性下降至最低點。整個萌發(fā)過程(包括干種子)中β-淀粉酶都具有較高的活力,這可能與種子中預(yù)存無活性的β-淀粉酶聚合體有關(guān)。

      2.5.3淀粉磷酸化酶活性由圖6可知,淀粉磷酸化酶活性隨種子萌發(fā)進(jìn)程逐漸上升,且均在露白時出現(xiàn)明顯上升。不同溫度條件下,淀粉磷酸化酶活性在相同萌發(fā)時間表現(xiàn)出溫度越高、酶活性越高的規(guī)律,即30℃>20℃>10℃。但在種子露白及萌發(fā)結(jié)束時,不同溫度條件下萌發(fā)的種子酶活性相差不大,且除20℃條件下萌發(fā)的種子以外,其它條件下萌發(fā)的種子酶活性趨于穩(wěn)定,說明淀粉磷酸化酶在整個萌發(fā)早期具有重要作用,到萌發(fā)結(jié)束時酶作用可能已達(dá)到最大值。

      2.6不同淀粉降解酶基因的相對表達(dá)量變化

      2.6.1α-淀粉酶基因α-Amy1-2表達(dá)量由圖7A可以看出,不同溫度條件下α-淀粉酶基因α-Amy1-2相對表達(dá)量不同,10℃和20℃條件下,基因表達(dá)量整體呈上升趨勢,且均在露白處明顯上升,接近發(fā)芽結(jié)束時趨于穩(wěn)定表達(dá);30℃條件下,基因表達(dá)量先上升,置床至20 h后又有所下降。不同萌發(fā)溫度條件下,該基因在露白和發(fā)芽結(jié)束時相對表達(dá)量表現(xiàn)出溫度越低,上調(diào)越明顯,即10℃>20>30℃,但發(fā)芽結(jié)束時相對表達(dá)量的差距比露白時增大,尤其10℃下萌發(fā)的種子基因表達(dá)量上調(diào)幅度很大。此外,經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),α-淀粉酶基因表達(dá)量與酶活性變化具有極顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.84,說明該基因?qū)γ富钚缘恼{(diào)控具有重要的作用。

      2.6.2β-淀粉酶基因β-Amy表達(dá)量由圖7B可以看出,不同溫度條件下該基因表達(dá)量總體變化趨勢不同。30℃和10℃條件下萌發(fā)的種子,β-Amy基因表達(dá)量均呈現(xiàn)先上升后下降、再上升又下降的雙峰趨勢,且第一次的峰值及最低點均出現(xiàn)在露白前,第二個峰值出現(xiàn)在露白后不久,之后表達(dá)量逐漸下降,至萌發(fā)結(jié)束時低于未萌發(fā)時的表達(dá)量。20℃條件下萌發(fā)的種子基因表達(dá)量呈先上升后下降的單峰形式,但在露白前有一緩慢上升階段,最高峰出現(xiàn)在露白后4 h,之后表達(dá)量逐漸下降至萌發(fā)結(jié)束時低于未萌發(fā)時的表達(dá)量,這說明β-Amy基因主要在種子露白結(jié)束后的一個時期之前明顯表達(dá)。雖然不同溫度條件下基因的表達(dá)量總體變化趨勢不同,但在種子露白及萌發(fā)結(jié)束時,基因表達(dá)量相差不大。此外,經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),該基因的表達(dá)量與β-淀粉酶活性變化沒有明顯的相關(guān)性,但是兩者變化曲線趨勢相似,只是在時間進(jìn)程上有所差別。

      2.6.3淀粉磷酸化酶基因SP-cyt/Pho-H表達(dá)量由圖8可知,不同溫度條件下萌發(fā)的小麥

      種子在萌發(fā)早期,其SP-cyt/Pho-H型淀粉磷酸化酶基因表達(dá)量隨種子萌發(fā)進(jìn)程整體均呈上升趨勢,且在露白處出現(xiàn)明顯上升;但萌發(fā)溫度越高,在相同萌發(fā)時間基因表達(dá)量越高,即30℃>20℃>10℃。30℃條件下萌發(fā)的種子到最后兩個時期基因表達(dá)量上升緩慢;10℃條件下在萌發(fā)結(jié)束時略有下降,但仍高于最初種子未置床時的表達(dá)量;20℃條件下則在發(fā)芽前8 h時表達(dá)量出現(xiàn)下降,后又迅速上升。到萌發(fā)結(jié)束時,30℃和10℃條件下該基因表達(dá)量相差不大,但均小于20℃下基因表達(dá)量。此外,經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),該基因表達(dá)量與淀粉磷酸化酶活性變化具有極顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.93,說明該基因?qū)γ富钚缘恼{(diào)控具有重要的作用。

      3結(jié)論與討論

      溫度能強烈影響酶活性、呼吸作用及物質(zhì)轉(zhuǎn)化等過程,從而影響種子萌發(fā)質(zhì)量,在適宜的溫度條件下種子才能既快又好的萌發(fā)。本試驗結(jié)果顯示,30℃、20℃和10℃條件下小麥種子萌發(fā)至結(jié)束所用時間分別為28、40、112 h,充分體現(xiàn)了溫度對萌發(fā)進(jìn)程的影響。

      種子萌發(fā)過程中,可溶性糖由淀粉等高分子多糖降解產(chǎn)生,同時又作為呼吸底物被消耗,使得可溶性糖含量與淀粉降解速率和呼吸消耗速率有關(guān),含量變化趨于復(fù)雜化。有研究表明,可溶性糖含量在種子萌發(fā)過程中處于動態(tài)平衡中[18]。本試驗結(jié)果顯示的變化趨勢可能與萌發(fā)初期呼吸酶系統(tǒng)、淀粉降解酶系統(tǒng)活化順序及細(xì)胞膜功能恢復(fù)狀態(tài)有關(guān)。此外,較高的可溶性糖含量可增強種子抵御寒冷的能力[19],這可能是萌發(fā)24 h內(nèi),10℃條件下萌發(fā)的種子其可溶性糖含量下降較慢的一個原因。

      淀粉酶對淀粉的降解作用與萌發(fā)溫度有較大關(guān)系,且與作物種子類型有關(guān)。Wijngaard等[20]對以蕎麥為材料研究表明低溫(16.5℃)下發(fā)芽時α-淀粉酶的活性最高。不同作物種子如水稻[21]干種子胚中具有較高的α-淀粉酶活性。本試驗結(jié)果顯示,高溫(30℃)條件下萌發(fā)的小麥種子其α-淀粉酶的活性最高,整體呈逐漸上升的趨勢。β-淀粉酶在籽粒發(fā)育和成熟過程中形成,以無活性的聚合體形式貯藏于干種子中,在萌發(fā)時逐步釋放激活[8],這可能是本試驗中β-淀粉酶在置床不久就表現(xiàn)出較高活性的原因。淀粉磷酸化酶既催化淀粉降解又參與淀粉合成,反應(yīng)方向由底物相對濃度決定[22]。但在植物淀粉粒內(nèi),由于植物細(xì)胞中反應(yīng)底物無機(jī)磷濃度比產(chǎn)物葡萄糖-1-磷酸幾乎高了兩個數(shù)量級,該酶主要負(fù)責(zé)淀粉降解,且酶活性隨著萌發(fā)進(jìn)程逐漸升高[23],與本試驗結(jié)果相同。此外本研究還發(fā)現(xiàn),該酶活性隨種子萌發(fā)溫度上升而升高。

      文迪[23]指出,在編碼β-淀粉酶的兩個同工酶基因[β-amylase和β-amylase (5amy)]中,β-amylase基因在籽粒中有表達(dá),是籽粒β-淀粉酶的主要調(diào)控基因。本研究中β-Amy基因表達(dá)量變化與酶活性變化雖然無顯著相關(guān)性,但兩者變化規(guī)律相似,即酶活性變化均滯后于基因表達(dá)量變化一個時期左右,這說明該基因?qū)Ζ?淀粉酶活性具有一定的調(diào)控作用。Schupp等[24]指出質(zhì)體型Pho-L基因在小麥種子萌發(fā)過程中表達(dá)量相當(dāng)?shù)?,Pho-H型淀粉磷酸化酶蛋白存在于在萌發(fā)的小麥種子胚中,本研究結(jié)果表明,該酶基因表達(dá)量相對于未置床種子的上調(diào)幅度隨萌發(fā)進(jìn)程而增大。萌發(fā)結(jié)束時,萌發(fā)溫度越低,基因表達(dá)量越高,而此時所對應(yīng)的酶活性相差不大(這與本研究結(jié)果中α-淀粉酶基因與酶活性的關(guān)系相似),由此可以在轉(zhuǎn)錄水平上說明淀粉磷酸化酶對小麥種子萌發(fā)早期淀粉的降解具有重要作用。

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      [23]文迪. 玉米淀粉分解酶活性動態(tài)以及其相關(guān)基因時空表達(dá)分析[D]. 成都:四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010.

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