李彥華,楊 蕓,徐衛(wèi)紅*,周鑫斌,王衛(wèi)中,遲蓀琳,李 桃,張春來,趙婉伊,秦余麗,王正銀,謝德體
蔬菜極易累積硝酸鹽,在人體所攝入的硝酸鹽中,其貢獻高達72%~94%[1-2]。雖然過量的硝酸鹽對植物無害,但大量的NO3-通過食物鏈進入人體腸胃后,可經(jīng)細菌的作用還原為亞硝酸或與胺反應(yīng)生成亞硝胺,從而可能使血液載氧能力降低、誘發(fā)人體消化系統(tǒng)癌變等[3-6]。目前我國不少大城市葉類蔬菜的硝酸鹽含量偏高,部分地區(qū)高達3 000 mg/kg[7]。氮肥的不合理施用被認為是作物硝酸鹽積累的原因,蔬菜中的硝酸鹽含量會隨氮肥施用量的增加迅速升高[8]。而且,不同形態(tài)的氮肥(如銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)及其比例是影響蔬菜硝酸鹽含量的重要因素[9-10]。有研究表明,增加銨態(tài)氮含量可以顯著降低葉類蔬菜莖葉中硝酸鹽的含量[11-13]。
不同種蔬菜及同種蔬菜的不同品種間硝酸鹽含量有差異[13],且硝酸鹽積累量的差異變幅可高達1 600 mg/kg[14]。硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)活性、硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白(nitrate transporter,NRT)等遺傳因子差異是造成積累差異的主要原因;其中,NRT基因?qū)τ诘匚?、運輸和同化有著重要作用,是提高作物氮素利用效率,解決硝酸鹽積累的重要研究對象[11]。NO3-—N主要是通過低親和的NRT1和高親和的NRT2而被高等植物吸收,且這兩類轉(zhuǎn)運體基因已在擬南芥、水稻和番茄中得到克隆[15]。而目前有關(guān)蔬菜NRT基因的表達和亞細胞定位,以及硝銨比、氮代謝酶與蔬菜的硝酸鹽含量相關(guān)性的研究報道較少,且結(jié)果不一致[16-18]。
小白菜(Brassica chinensis L.)是我國最重要的葉類蔬菜之一。都韶婷等[7]檢測了我國多個城市的主要蔬菜硝酸鹽含量,發(fā)現(xiàn)小白菜是硝酸鹽含量最高的蔬菜之一,其中北京和長沙地區(qū)的硝酸鹽含量分別高達3 615 mg/kg和3 514 mg/kg,超出了葉類蔬菜的硝酸鹽限量標準;因此,本研究采用液體培養(yǎng)實驗,以低硝酸鹽富集品種‘香港特選奶白菜’和高硝酸鹽富集品種‘揭農(nóng)四號春白菜’為供試材料,系統(tǒng)探討了硝銨比對2 種小白菜硝酸鹽含量、氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響及NRT基因的表達和亞細胞定位在小白菜不同品種間的差異,初步明確硝酸鹽積累的生理及分子機理;同時也為蔬菜生產(chǎn)中的氮肥運籌及栽培品種合理選擇提供理論依據(jù)。
供試作物為小白菜,品種為前期實驗中篩選出的低硝酸鹽富集品種‘香港特選奶白菜’和高硝酸鹽富集品種‘揭農(nóng)四號春白菜’[19]。
小量RNA抽提試劑盒 華舜生物公司;Taq DNA聚合酶 上海鼎國公司;RNase Free-DNaseⅠ、SYBR Premix Ex TaqTMⅡ試劑盒、高保真酶Pfu、dNTP 日本TaKaRa公司;Trizol RNA提取試劑盒 美國Invitrogen公司;逆轉(zhuǎn)錄酶(M-MLV) 美國Fermentas公司;PCR合成試劑 上海生工生物工程公司;膠回收試劑盒美國Axygen公司;酶解液、PEG4000溶液、W5溶液、MMG溶液 武漢伯遠生物技術(shù)公司。
ABI-9700聚合酶鏈式反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)儀 美國ABI公司;Nanodrop2000紫外-可見分光光度計 美國Thermo Scientific公司;HE99電泳儀 美國GE公司;WD-9403C紫外透射儀 北京市六一儀器廠;LSM700激光共聚焦顯微鏡 德國Zeiss公司。
實驗共設(shè)3 個硝銨比處理組(c(NO3-)∶c(NH4+)分別為50∶50、75∶25和100∶0),營養(yǎng)液按霍格蘭營養(yǎng)液配方配制,氮濃度為16 mmol/L,調(diào)節(jié)pH值至5.8~6.0,具體操作參見文獻[19]。
1.3.1 植株硝酸鹽含量及氮代謝關(guān)鍵酶活力測定
硝酸鹽含量的測定采用GB 5009.33—2010《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》方法;NR活力測定采用活體法[20-21];亞硝酸還原酶(nitrite reductase,NiR)活力測定參照Ozawa等[22]的方法;谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)活力參照植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[23]測定;谷氨酸合成酶(glutamate synthase,GOGAT)和谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase,GDH)活力參照葉利庭等[24]的方法測定。
1.3.2 熒光定量PCR
1.3.2.1 總RNA提取與檢測
采用華舜生物公司的小量RNA抽提試劑盒提取,并通過電泳結(jié)果以及RNA濃度綜合評價RNA的質(zhì)量。
1.3.2.2 RNA的純化與反轉(zhuǎn)錄
使用PrimeScript? RT reagent Kit with gDNA Eraser進行RNA的反轉(zhuǎn)錄,并采用RNase Free-DNaseⅠ除去RNA中微量的DNA。將所得的cDNA置于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.2.3 引物設(shè)計與合成
本實驗研究硝酸鹽低親和轉(zhuǎn)運蛋白基因NRT1。由武漢伯遠生物技術(shù)公司設(shè)計并合成NRT1基因的反轉(zhuǎn)錄(reverse transcription,RT)-PCR特異引物,內(nèi)參引物為actin-F/R(表1)。
表1 NRT1基因的RT-PCR引物Table 1 Primers used for RT-PCR of NRT1
1.3.2.4 cDNA的PCR擴增
取獲得的cDNA,用ABI-9700 PRC儀進行特異擴增。反應(yīng)體系的總體積為25 μL,包括2.5 μL 10×Buffer(含Mg2+)、0.5 μL dNTP(10 mmol/L)、正反向引物(10 μmol/L)各0.5 μL、Taq DNA聚合酶(5 U/μL)0.3 μL、cDNA模板0.25 μL,剩余部分用ddH2O補足。PCR程序為:94 ℃預(yù)變性2 min,94 ℃變性40 s,退火(溫度為55 ℃)1 min,72 ℃ 45 s,30 個循環(huán),72 ℃ 10 min。PCR產(chǎn)物在1.5%的瓊脂糖凝膠中電泳檢測,并用紫外透射儀拍照。
1.3.2.5 實時熒光定量PCR
將反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA用ddH2O稀釋25 倍,采用SYBR Premix Ex TaqTMⅡ試劑盒,進行qRT-PCR,檢測其特異性。操作方法參照使用說明書進行,每個試樣重復(fù)3 次。
1.3.3 NRT1亞細胞定位
菌種:大腸桿菌用作質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化宿主;質(zhì)粒:pBWA(V)H-YFPNR1;融合表達載體的構(gòu)建:參照楊學(xué)東等[25]的NRT1序列設(shè)計引物,以NRT1克隆為模板用高保真酶Pfu進行PCR擴增,PCR產(chǎn)物經(jīng)電泳回收后連接到pBWA(V)H-YFPNR1載體上,獲得最終表達載體(圖1)。
圖1 原生質(zhì)體亞細胞定位載體圖譜Fig. 1 Map of the protoplast subcellular localization vector
質(zhì)粒定位原生質(zhì)體:取小白菜葉用水沖洗表面污垢,在干凈塑料/玻璃板上用鋒利的刀片切成碎段(長度小于0.5 mm),總質(zhì)量5~10 g左右。加入5~10 mL酶解液全部浸泡組織,28 ℃緩慢振蕩(100 r/min)酶解5~6 h。將原生質(zhì)體用40 μm濾網(wǎng)進行過濾,然后50×g離心10 min,可見渾濁沉淀。直接倒去上清液,用預(yù)冷W5溶液10 mL洗滌2 次,每次50×g離心5 min,可見管底渾濁沉淀。根據(jù)需要加入500 μL MMG溶液稀釋原生質(zhì)體得到原生質(zhì)體原液。使其在40 倍下顯微鏡檢測每個視野20~40 個左右。取200 μL原生質(zhì)體懸液原液,等體積的PEG溶液及500 ng以上的純化質(zhì)粒進行輕柔均勻混合,室溫靜置30 min,用1 mL W5稀釋,混合均勻終止反應(yīng),100×g離心5 min收集原生質(zhì)體,加入1 mL W5洗1~2 次,最后加入1 mL W5溶液重懸,轉(zhuǎn)移到2 mL EP管中,28 ℃暗培養(yǎng)24~48 h,激光共聚焦顯微鏡觀察。
采用Excel 2010和SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計處理,利用Duncan’s新復(fù)極差法做顯著性分析。
圖2 硝銨比對不同品種小白菜葉(A)、葉柄(B)、根(C)硝酸鹽含量的影響Fig. 2 Effect of NO3-/NH4+ ratio on nitrate contents in leaves (A),petioles (B) and roots (C) of two varieties of pakchoi
從圖2可以看出,在不同硝銨比處理下,小白菜硝酸鹽含量為葉柄>葉>根。隨NO3-比例的增加,小白菜葉柄、葉和根硝酸鹽含量總體呈增加趨勢。在硝銨比75∶25和100∶0處理中,‘香港特選奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片硝酸鹽含量分別較硝銨比50∶50處理增加了7.9%~13.2%和29.1%~30.4%,葉柄硝酸鹽含量分別較硝銨比50∶50處理增加了0.3%~14.3%和3.3%~4.9%,根硝酸鹽含量分別較硝銨比50∶50處理增加了45.4%~73.8%和9.8%~63.3%。相同硝銨比處理下,‘香港特選奶白菜’葉、葉柄和根中的硝酸鹽含量均明顯低于‘揭農(nóng)四號春白菜’。
圖3 不同硝銨比對2 個品種小白菜葉片NR(A)、NiR(B)、GS(C)、GOGAT(D)、GDH(E)活力的影響Fig. 3 Effect of NO3-/NH4+ ratio on the activities of NR (A), NiR (B),GS (C), GOGAT (D) and GDH (E) in leaves of two varieties of pakchoi
由圖3可知,隨著硝銨比的增加小白菜葉片NR活力呈現(xiàn)降低趨勢,在硝銨比75∶25和100∶0處理中,‘香港特選奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片NR活性分別較硝銨比50∶50處理降低了15.5%~26.6%和21.9%~26.5%?!愀厶剡x奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片NiR活力隨著硝銨比的增加有所增加,硝銨比75∶25和100∶0處理分別較硝銨比50∶50處理增加了38.9%~57.3%和5.1%~74.9%。小白菜葉片GOGAT活力隨著硝銨比的增加呈現(xiàn)降低趨勢,硝銨比75∶25和100∶0處理‘香港特選奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片GOGAT活力分別較硝銨比50∶50處理降低了10.5%~15.5%和0.2%~24.6%。隨著硝銨比的增加小白菜葉片GDH活力呈先增加后降低趨勢,‘香港特選奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片GDH活力在75∶25時達到最大值,分別較硝銨比50∶50處理增加了2.1%和20.0%。而不同硝銨比對2 個品種小白菜的GS活力沒有顯著影響。不同硝銨比處理中,除硝銨比50∶50處理下的NiR、GDH活力外,其他氮代謝相關(guān)酶活力在兩個小白菜品種之間達到顯著性差異。
高等植物有兩種細胞質(zhì)膜NRT,即NRTl和NRT2。NRT2是高親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(high-affinity transport system,HATs),而大部分NRTl是低親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(low-affinity transport system,LATs)。根據(jù)以上實驗結(jié)果分別選擇高硝酸鹽富集品種‘揭農(nóng)四號春白菜’和低硝酸鹽富集品種‘香港特選奶白菜’為材料,對其葉片部位的RNA進行實時熒光定量PCR。如圖4所示,NRT1在‘香港特選奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片中均有表達;以‘香港特選奶白菜’NRT1的平均相對表達量為1.00,‘揭農(nóng)四號春白菜’的NRT1的平均相對表達量為2.47,‘揭農(nóng)四號春白菜’的NRT1相對表達量顯著高于‘香港特選奶白菜’,且2 個白菜品種葉片中NRT1表達量組內(nèi)差異均較大。但未檢測出NRT2表達量。
圖4 小白菜葉片中NRT1實時定量熒光PCR分析Fig. 4 Real-time PCR analysis of NRT1-associated genes in leaves of pakchoi
圖5 NRT1在小白菜葉片原生質(zhì)體中的亞細胞定位Fig. 5 Subcellular localization of NRT1 in pakchoi protoplasts
通過生物信息學(xué)方法分析蛋白可能的信號肽或功能域來確定蛋白在細胞內(nèi)的定位,有利于高效地探索蛋白的功能。近年來綠色熒光蛋白被廣泛應(yīng)用于基因表達、蛋白質(zhì)定位等領(lǐng)域。當其在細胞中表達時,若遇到藍光或紫外光,便會產(chǎn)生明亮的綠色熒光。為了研究NRT1在植物細胞中的作用部位,以高硝酸鹽富集品種‘揭農(nóng)四號春白菜’和低硝酸鹽富集品種‘香港特選奶白菜’為材料,構(gòu)建了原生質(zhì)體表達載體。如圖5所示,NRT1在小白菜葉片原生質(zhì)體中的亞細胞定位結(jié)果表明,NRT1在原生質(zhì)膜上大量表達,而在原生質(zhì)體內(nèi)并無表達,說明NRT1是定位于原生質(zhì)體細胞膜上的非跨膜蛋白。
艾紹英等[26]研究發(fā)現(xiàn)適當增加營養(yǎng)液中銨態(tài)氮的比例可有效降低菜心中的硝酸鹽含量。在本實驗中,2 個品種小白菜葉片、葉柄和根的硝酸鹽含量隨著銨態(tài)氮比例的增加而降低,隨硝態(tài)氮比例的增加而增加。Ullrich[27]認為其可能的原因是銨能夠高速進入細胞,而導(dǎo)致細胞膜去極化,阻止了H+與陰離子的協(xié)同運輸,因此抑制了硝酸鹽的吸收;也可能是因為受到了溫度、光照等外部因素的影響[28-31]。供試2 個品種小白菜體內(nèi)硝酸鹽含量表現(xiàn)為葉柄>葉片>根,這與Chen Wei等[32]報道一致。Gransteck等[33]認為這是由于根和葉主要承擔物質(zhì)的吸收和同化的作用,進入根部后的NO3-部分被同化為營養(yǎng)物質(zhì),而大部分NO3-則在蒸騰拉力的作用下經(jīng)由木質(zhì)部輸送到葉片、果實等地上部位,參與各種生理代謝。供試低硝酸鹽富集品種‘香港特選奶白菜’,高富集品種‘揭農(nóng)四號春白菜’,2 個小白菜品種之間葉片硝酸鹽含量相差1.22~1.46 mg/kg,葉柄硝酸鹽含量相差1.21~1.40 mg/kg,根硝酸鹽含量相差1.80~2.38 mg/kg,這種蔬菜種間、品種間硝酸鹽積累差異原因主要由遺傳因子控制所致。有研究表明,蔬菜硝酸鹽積累較高和較低的兩極類群品種表現(xiàn)穩(wěn)定,基因型差異可穩(wěn)定遺傳[11]。
硝酸鹽被特異性的NRT高效運輸?shù)街参锔毎?,儲存在液泡里,在細胞質(zhì)中被NR降解成亞硝酸鹽。亞硝酸鹽進入根的葉綠體或非綠色組織的質(zhì)體中,在6-鐵氧還蛋白的幫助下NiR將其進一步還原成銨。隨后在ATP供能下,GS將谷氨酸和NH4+轉(zhuǎn)換成谷氨酰胺,該過程是在葉綠體、細胞質(zhì)或根細胞質(zhì)體中進行的,最終銨參與到氨基酸的合成。當植物細胞中NH4+濃度較高時,NADH提供電子,NH4+還可以由存在于葉綠體和線粒體中的GDH還原為谷氨酸。植物體內(nèi),NR和NiR對初級氮的同化起著非常重要的作用,NR調(diào)控硝酸鹽降解為亞硝酸鹽,NiR再進一步將亞硝酸鹽降解為銨,最終銨參與到蛋白質(zhì)的合成中[34]。本實驗中,對小白菜硝酸鹽含量影響較大的是NR活性。有研究報道隨著營養(yǎng)液硝態(tài)氮的增加,蔬菜硝酸鹽含量與NR活力隨之升高[35]。而本實驗中,隨著硝銨比的增加,小白菜葉片NR活力呈下降趨勢。該結(jié)果與胡承孝等[36]報道小白菜、番茄的硝酸鹽含量與NR活力間呈負相關(guān)相似。NR作為是植物氮代謝中一個重要的限速酶和調(diào)節(jié)酶,在高硝態(tài)氮下其活性降低,可能是造成小白菜體內(nèi)硝酸鹽積累的重要原因。
NRT在植物體內(nèi)介導(dǎo)根系對NO3-的吸收以及在不同組織、器官間的轉(zhuǎn)運。高等植物共有2 個家族的轉(zhuǎn)運蛋白:NRT1和NRT2,分別與LATS和HATS有關(guān)[37]。從實時熒光定量PCR的結(jié)果來看,NRT1在‘香港特選奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’中均顯著表達,而未檢測出NRT2表達量。這與孔敏等[38]的結(jié)果不一致。這可能是由于NRT基因在植物組織中各器官中表達有很大的差異,且NRT2在根部表達量要比葉、花等器官中的表達量要高[39]。本實驗中,‘揭農(nóng)四號春白菜’中的NRT1相對表達量顯著高于‘香港特選奶白菜’,這與‘揭農(nóng)四號春白菜’和‘香港特選奶白菜’葉片硝酸鹽積累量差異表現(xiàn)一致。此結(jié)果與趙首萍等[15]的結(jié)果大致相同。說明NRT1的表達在一定程度上可以解釋品種間葉片硝酸鹽積累的差異原因。在本實驗中,由于在硝銨比為100∶0時兩個小白菜葉片中的硝酸鹽含量最高,且葉片是主要食用部分,因此僅對硝銨比為100∶0處理時的‘香港特選奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片進行了實時熒光定量PCR測定,僅檢測出NRT1的表達量。因此,要從根本上去探究硝酸鹽積累差異的機理,還需要對硝銨比為75∶25、50∶50的小白菜根、葉柄中的NRT1和NRT2的表達進行研究,并且研究NRT1和NRT2家族各成員在白菜各組織器官中發(fā)揮的作用對于探究小白菜中硝酸鹽積累的機理有重要意義。
NRT1表達部位與其功能密切相關(guān),通常無機營養(yǎng)的吸收同化需要各種膜結(jié)合的離子轉(zhuǎn)運蛋白,一部分直接參與土壤中離子的吸收,而另一部分則參與離子的轉(zhuǎn)運和儲存[39]。CHL1基因的蛙卵實驗表明該基因蛋白位于細胞膜上,屬于質(zhì)子的硝酸鹽依賴共轉(zhuǎn)運系統(tǒng)[40]。本研究亞細胞定位結(jié)果顯示小白菜NRTl定位于細胞膜上,是一個質(zhì)膜蛋白。說明NRT1發(fā)生功能的部位是細胞膜,這與離子轉(zhuǎn)運蛋白大部分是膜蛋白的特征一致。但是龐永奇等[41]認為目前所進行的亞細胞定位分析大多是穩(wěn)定過量表達或者瞬時表達產(chǎn)生的結(jié)果,在一定程度上可以反映蛋白質(zhì)的定位情況,但由于表達位置的不同、表達量的變化以及可能存在某些調(diào)控因子,可能不能夠真實呈現(xiàn)基因的定位情況,而采用免疫原位雜交的方法或利用自身啟動子驅(qū)動基因融合標記的表達可能會得到更準確的結(jié)果。因此,對于NRT1在細胞膜上如何發(fā)生轉(zhuǎn)運功能,還需要進一步研究。
供試2 個品種小白菜體內(nèi)硝酸鹽含量在不同硝銨比下均表現(xiàn)為葉柄>葉片>根。相同硝銨比處理下,‘香港特選奶白菜’葉、葉柄和根中的硝酸鹽含量均明顯低于‘揭農(nóng)四號春白菜’。
不同硝銨比處理中,除硝銨比50∶50處理下的NiR、GDH活力外,其他氮代謝相關(guān)酶活力在兩個小白菜品種之間均達到顯著性差異?!愀厶剡x奶白菜’和‘揭農(nóng)四號春白菜’葉片GDH活力在75∶25時均達到最大值。隨著硝銨比的增加,小白菜葉片NR、GOGAT活力呈降低趨勢,NiR活性呈上升趨勢,GDH活性呈先增加后降低趨勢。
低親和轉(zhuǎn)運蛋白基因NRT1在篩選出的兩個小白菜品種中均顯著表達,且硝酸鹽高富集品種‘揭農(nóng)四號春白菜’的表達量顯著高于低富集硝酸鹽品種‘香港特選奶白菜’。NRT1是定位于細胞膜上的低親和NRT。
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