華雅潔,岳遠(yuǎn)征,楊秀蓮*,何 卿
(1.南京林業(yè)大學(xué),南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037;2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院,江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210036)
海州常山(Clerodendrum trichotomumThunb.),又名臭梧桐,為馬鞭草科(Verbenaceae)赪桐屬(ClerodendrumL.),灌木或小喬木,廣泛分布于我國(guó)華北、華東、中南、西南等各省區(qū)[1]。海州常山夏季花朵潔白美麗,花期較長(zhǎng),秋冬亮藍(lán)色的果實(shí)懸掛于枝頭,是秋冬季節(jié)別具特色的觀果植物,有較好的觀賞性,且海州常山根系強(qiáng)壯,自然條件下在干旱瘠薄的砂石、石灰?guī)r山地和貧瘠的山地野生分布,栽培管理簡(jiǎn)單,具有強(qiáng)的耐鹽堿、抗旱、耐瘠薄、耐陰、抗有害氣體等能力,可作為荒地與鹽堿地的生態(tài)修復(fù)樹(shù)種[2]??傮w來(lái)說(shuō),海州常山是集觀賞與優(yōu)良抗性為一體的極具開(kāi)發(fā)潛力的木本花卉。
然而,現(xiàn)在對(duì)海州常山的研究主要集中于種質(zhì)資源收集[3]、快繁體系培育[4]、植物生理抗逆性[5]、藥物成分開(kāi)發(fā)[6]等,對(duì)于海州常山分子生物學(xué)的研究十分匱乏,海州常山內(nèi)參基因的篩選及表達(dá)尚未見(jiàn)有文獻(xiàn)發(fā)表,連對(duì)馬鞭草科植物可穩(wěn)定使用的內(nèi)參基因篩選也是知之甚少。本研究對(duì)海州常山進(jìn)行鹽脅迫、干旱脅迫和熱害脅迫,運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR,并通過(guò) GeNorm、NormFinder、BestKeeper及ReFinder 軟件綜合分析,篩選出適合海州常山葉片非生物脅迫下使用的內(nèi)參基因,為海州常山深入分析分子機(jī)制研究及優(yōu)良的抗性基因開(kāi)發(fā)奠定良好基礎(chǔ)。
本實(shí)驗(yàn)使用了種植于南京林業(yè)大學(xué)白馬研究教學(xué)基地(119.02° E,31.65° N)海州常山種質(zhì)資源庫(kù)中鹽城種源的海州常山(鹽城種源為收集于鹽城地區(qū)的野生種,并于2015 年定植于南京林業(yè)大學(xué)白馬研究教學(xué)基地海州常山種質(zhì)資源庫(kù))。2018年采集鹽城種源種子,種子種植于珍珠巖、蛭石、泥炭和沙子(1∶1∶1∶2)的混合物中,放置在光周期14 h、溫度25/21℃(晝/夜)、光照強(qiáng)度180 mmol·m-2·s-1、相對(duì)濕度60%的生長(zhǎng)箱(RDN-1 000-3,中國(guó)寧波東南儀器廠)中培養(yǎng),待長(zhǎng)出8 片以上真葉,取長(zhǎng)勢(shì)大致相同的1 年生實(shí)生苗進(jìn)行非生物脅迫實(shí)驗(yàn)。
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,將幼苗放入四分之一強(qiáng)度的Hoagland 培養(yǎng)基中適應(yīng)2 周,適應(yīng)過(guò)程中,海州常山幼苗未見(jiàn)不適應(yīng)情況,經(jīng)觀察幼苗還在繼續(xù)長(zhǎng)葉生長(zhǎng),且長(zhǎng)勢(shì)良好。在進(jìn)行鹽脅迫時(shí),將幼苗轉(zhuǎn)入含100 mmol·L-1NaCl 的Hoagland 培養(yǎng)基中;在進(jìn)行干旱脅迫時(shí),將幼苗轉(zhuǎn)入含100 mmol·L-1PEG6000 的Hoagland 培養(yǎng)基中;在進(jìn)行熱害脅迫時(shí),將幼苗置于45 ℃/35 ℃(晝/夜)的生長(zhǎng)室內(nèi)進(jìn)行高溫處理。各脅迫均在處理0、2、6、12、24、48 和72 h 時(shí)采取3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)植物葉片,葉片均采自于從上至下第 2 至第 4 對(duì)葉片,每次脅迫使用21 棵幼苗,采取過(guò)葉片的植物便不再作為實(shí)驗(yàn)材料再取葉片,采取后立即將葉片放入無(wú)菌無(wú)酶的離心管中并投入液氮中,放置在-80 ℃下的超低溫冰箱中儲(chǔ)存?zhèn)溆?,直?RNA 提取。所有實(shí)驗(yàn)處理及采樣均在上文所述人工培養(yǎng)箱中完成,盡量減少其他無(wú)關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。
RNA 提取采用北京艾德萊生物有限公司的EASY spin Plus 試劑盒,用 1.5%的瓊脂糖凝膠電泳驗(yàn)證 RNA 的完整性,使用Mettler 公司生產(chǎn)的核酸檢測(cè)儀 UV5NANO 檢測(cè) RNA 質(zhì)量及濃度。使用北京全式金公司的 EasyScript One-Step gDNA Removal and cDNA Synthesis SuperMix 試劑盒進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,-20 ℃保存。
根據(jù)文獻(xiàn)查詢(xún)植物中常用的內(nèi)參基因,在海州常山轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找同源基因,用 NCBI 中Blast(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)功能進(jìn)一步確認(rèn)注釋信息和比對(duì)結(jié)果,選定所需的基因。在海州常山轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找各候選基因的保守序列,根據(jù)基因保守序列用 Primer Premier 5.0 設(shè)計(jì)引物,再用 Oligo7 進(jìn)行分析,引物設(shè)計(jì)原則參考Ding 等的方法[7],所使用引物均在南京金斯瑞公司合成。將所設(shè)計(jì)的引物進(jìn)行常規(guī) PCR,并用 1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),按照 TaKaRa公司的 Agarose Gel Extraction Kit 凝膠回收盒對(duì)PCR 產(chǎn)物進(jìn)行回收,連到大腸桿菌載體上并送南京金斯瑞公司測(cè)序。將測(cè)序得到的序列與所設(shè)計(jì)的序列用 DNAMAN 進(jìn)行比對(duì),確定內(nèi)參候選基因。
使用 TakaRa 公司的 Ex TaqTM染料進(jìn)行 qRTPCR,熒光定量?jī)x型號(hào)為賽默飛公司的 plied Biosystems StepOne PCR System,所有 qRTPCR 反應(yīng)進(jìn)行3 次生物重復(fù)和3 次技術(shù)重復(fù),并與無(wú)模板陰性對(duì)照平行進(jìn)行。qRT-PCR 反應(yīng)組分體系及反應(yīng)條件如下:反應(yīng)體系共計(jì)10 μL,其中,cDNA 1 μL,ROX 0.2 μL,正向引 物 0.4 μL,反向引物 0.4 μL,SYBR 染料5 μL,ddH2O 4 μL。反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃ 0.5 min,1 個(gè)循環(huán);95 ℃0.75 min,60 ℃ 0.5 min,共計(jì)40 個(gè)循環(huán),95 ℃0.25 min,60 ℃ 1 min,95 ℃ 0.25 min,1 個(gè)循環(huán)。
以混合 cDNA 為模板,反應(yīng)體系同上文,以 5為倍數(shù)稀釋成 5 個(gè)梯度(1、1/5、1/25、1/125、1/625),作為建立標(biāo)準(zhǔn)曲線的模板,每個(gè)點(diǎn)重復(fù)3 次,同時(shí)以 ddH2O 作為陰性對(duì)照模板,來(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的試劑或者人為污染。計(jì)算每對(duì)引物的擴(kuò)增效率(E=(10-1/slope-1) × 100%)。選擇溶解曲線呈現(xiàn)單峰,并且擴(kuò)增效率在 90%~110%,陰性對(duì)照無(wú)峰的特異性引物作為最終的引物。
內(nèi)參基因穩(wěn)定性分析,利用軟件 GeNorm、NormFinder 和 BestKeeper,并用在線分析工具ReFinder(http://150.216.56.64/referencegene.php)綜合分析 qRT-PCR 的數(shù)據(jù),計(jì)算候選內(nèi)參基因在不同實(shí)驗(yàn)條件下的表達(dá)穩(wěn)定性。
NHX1基因(Na+/H+交換基因)被認(rèn)為是增強(qiáng)植物非生物脅迫耐受性的關(guān)鍵基因,尤其是耐鹽性[8],選擇CtNHX1基因?yàn)轵?yàn)證基因(F:CACT AACAAATCCCCAACTCAT;R:CTCAAGCTCAA AGGAAAAGAAC),并用篩選出的合適的內(nèi)參基因作為參照,使用不穩(wěn)定的內(nèi)參基因作為比較,驗(yàn)證候選內(nèi)參基因表達(dá)的穩(wěn)定性。
樣品 RNA 的濃度使用 Mettler 公司生產(chǎn)的核酸檢測(cè)儀 UV5NANO 測(cè)定,樣本濃度均在 432~1 732 ng·mL-1之間,OD260/280值在 1.8~2.0 之間,OD260/230≥2.0,用 1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢驗(yàn) RNA 完整性,顯示至少存在2 條帶,28 S 和18 S 清晰,且 28 S/18 S ≈ 2,說(shuō)明 RNA 質(zhì)量達(dá)到熒光實(shí)時(shí)定量分析的要求。
共計(jì)篩選出 17 個(gè)候選內(nèi)參基因,對(duì) 17 個(gè)內(nèi)參基因進(jìn)行熒光實(shí)時(shí)定量,基因的擴(kuò)增產(chǎn)物長(zhǎng)度為112~246 bp,溶解曲線均為單一峰,擴(kuò)增產(chǎn)物特異性高,符合篩選內(nèi)參基因的要求。所有候選內(nèi)參基因的E值(擴(kuò)增效率)范圍為 96.67%~99.68%,標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)R2為 0.986~0.999,綜上所述 17 對(duì)引物的擴(kuò)增效率較高(表1)。
表1 17 個(gè)候選內(nèi)參基因引物及擴(kuò)增效率Table 1 17 candidate internal reference gene primers and amplification efficiency
基因表達(dá)水平由周期閾值(Ct)決定,Ct值與基因表達(dá)量呈反比,從圖1 中可看出:這些候選基因顯示出不同的表達(dá)水平,17 個(gè)候選參考基因的Ct值分布均在15~35 個(gè)循環(huán)之間,具體數(shù)值見(jiàn)表1。ACT、UBCE2和HSP70的表達(dá)量較高,且在不同樣本中表達(dá)變化范圍相對(duì)較小,表達(dá)較穩(wěn)定;SAND、PROF的表達(dá)量較低;APT、H3 和EF-1A在不同樣本中表達(dá)變化范圍相對(duì)較大,表達(dá)差異較大(圖1)。
圖1 17 個(gè)候選內(nèi)參基因的Ct 值分布Fig.1 Distribution of Ct values of 17 candidate internal reference genes
2.3.1 GeNorm 分析 GeNorm 軟件根據(jù)平均表達(dá)穩(wěn)定指數(shù)(M)確定最穩(wěn)定基因,M值的大小與基因穩(wěn)定性呈反比,M值的閾值為1.5,超過(guò)1.5 則視為不能選為內(nèi)參基因。此外,GeNorm 軟件通過(guò)配對(duì)變異值(Vn/n+1)計(jì)算最優(yōu)內(nèi)參基因的校準(zhǔn)數(shù)量,若Vn/n+1值小于0.15,則所需參考基因的數(shù)量為n,否則需引入的參考基因的數(shù)量為n+1[9]。
從表2 可看出:在鹽害、干旱和熱害脅迫中,M值均小于1.5,說(shuō)明符合GeNorm 軟件篩選內(nèi)參基因的標(biāo)準(zhǔn)。鹽害脅迫中,RPL和AP-2基因最穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.132;干旱脅迫中,ACT和AP-2表現(xiàn)最穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.401;熱害脅迫下EF-1A和UBCE2最穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.247。綜合所有脅迫數(shù)據(jù)看,基因RPL和AP-2最穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.767,且V2/3均小于0.15,說(shuō)明選用2 個(gè)內(nèi)參基因便可滿(mǎn)足基因標(biāo)準(zhǔn)化的要求(圖2)。
圖2 GeNorm 軟件分析的配對(duì)變異值(Vn/n + 1)Fig.2 Paired variation(Vn/n + 1) analyzed by GeNorm software
表2 GeNorm 軟件分析結(jié)果Table 2 GeNorm software analysis results
2.3.2 NormFinder 分析 NormFinder 軟件原理和GeNorm 相似[10],通過(guò)計(jì)算穩(wěn)定值排序得出基因的穩(wěn)定性,穩(wěn)定值較大的基因,穩(wěn)定性較差。一般來(lái)說(shuō),NormFinder 軟件只計(jì)算一個(gè)最適的內(nèi)參基因。在鹽害脅迫中,基因RPL最穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.238,18S最不穩(wěn)定,穩(wěn)定值為1.283;干旱脅迫下,AP-2基因顯示最穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.246,基因H3穩(wěn)定性表現(xiàn)較差,穩(wěn)定值為1.658;熱害脅迫下,MDH基因最穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.155,H3表現(xiàn)出最不穩(wěn)定的特性,穩(wěn)定值為1.841;將所有脅迫實(shí)現(xiàn)綜合來(lái)看,AP-2是最穩(wěn)定的基因,穩(wěn)定值為0.317,H3是最不穩(wěn)定的基因,穩(wěn)定值為2.252(表3)??傮w來(lái)看,基因RPL、UBCE2、AP-2、MDH等基因在各個(gè)脅迫處理中,穩(wěn)定性均排第一、第二位,相對(duì)穩(wěn)定,H3基因穩(wěn)定性總是排在較后的位置,穩(wěn)定性較差,不適合作為海州常山內(nèi)參基因使用。
表3 NormFinder 軟件分析結(jié)果Table 3 NormFinder software analysis results
2.3.3 BestKeeper 分析BestKeeper 軟件通過(guò)比較Ct值產(chǎn)生的相關(guān)系數(shù)(r)、變異系數(shù)(CV)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)來(lái)決定最優(yōu)的內(nèi)參基因,SV和SD越小,則穩(wěn)定性較好[11],當(dāng)SD> 1 時(shí),則該內(nèi)參基因表達(dá)不穩(wěn)定。與NormFinder 軟件相同,BestKeeper 軟件一次只能計(jì)算一個(gè)最適的內(nèi)參基因。
在海州常山鹽害脅迫處理中,基因ACT(SD=0.26,CV=為1.37)為最穩(wěn)定的基因,干旱脅迫下最穩(wěn)定的基因也是ACT(SD=0.36,CV=1.86),在熱害脅迫下最穩(wěn)的基因是AP-2(SD=0.36,CV=1.3);綜合分析所有脅迫下數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),AP-2基因是最穩(wěn)定的基因(SD=0.64,CV=2.73)(表4);相比較之下,基因H3在鹽害脅迫、干旱脅迫、熱害脅迫和所有脅迫數(shù)據(jù)處理中,SD和CV值都是最大的,最不穩(wěn)定。
表4 Bestkeeper 軟件分析結(jié)果Table 4 Bestkeeper software analysis results
2.3.4 ReFinder 分析 3 個(gè)軟件分析的結(jié)果有相似也有不同,所以需要使用ReFinder 軟件綜合分析,對(duì)3 個(gè)軟件得出的基因穩(wěn)定性排名值進(jìn)行幾何平均值分析,幾何平均值越小則說(shuō)明候選內(nèi)參基因的穩(wěn)定性較高。運(yùn)用ReFinder 軟件綜合分析得出(表5),鹽害脅迫下,最穩(wěn)定的基因是RPL和UBCE2,應(yīng)選用這2 個(gè)基因作為內(nèi)參基因;干旱脅迫下,AP-2和ACT基因是排名第1、2 位的基因,適合作為干旱脅迫下的內(nèi)參基因;熱害脅迫下,MDH和EF-1A是表達(dá)最穩(wěn)定的基因。綜合所有脅迫數(shù)據(jù)看,AP-2和UBCE2基因是排名最靠前的,而H3、EF-1A、PROF和18S基因都是排名較后的,不適合于作為海州常山脅迫的內(nèi)參基因。
表5 ReFinder 軟件綜合分析結(jié)果Table 5 Results of the comprehensive ReFinder software analysis
2.3.5 篩選內(nèi)參基因的鑒定 為了驗(yàn)證所篩選的參考基因,采用qRT-PCR 檢測(cè)了不同非生物脅迫條件下CtNHX1基因表達(dá)(圖3)。CtNHX1基因的表達(dá)使用最穩(wěn)定的參考基因組合進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,并與最不穩(wěn)定的參考基因H3進(jìn)行比較。干旱脅迫,CtNHX1的表達(dá)量在0~2 h 和12~24 h 上調(diào),其他時(shí)間內(nèi)基因表達(dá)量下降。鹽脅迫,CtNHX1在0~48 h 內(nèi)基因表達(dá)量上調(diào),此后下調(diào)。熱害脅迫,0~2 h,6~12 h,CtNHX1基因表達(dá)量上調(diào),其余時(shí)間下調(diào)。當(dāng)使用篩選出的穩(wěn)定參考基因進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化時(shí),基因表達(dá)水平顯示出相似的趨勢(shì)。然而,使用H3進(jìn)行歸一化會(huì)導(dǎo)致完全不同的結(jié)果,說(shuō)明所篩選的內(nèi)參基因可靠,可作為海州常山非生物脅迫下的內(nèi)參基因使用。
圖3 用CtNHX1 驗(yàn)證在不同脅迫下篩選的內(nèi)參基因穩(wěn)定性Fig.3 The stability of the internal reference genes selected under different stresses was verified by CtNHX1.
實(shí)時(shí)熒光定量技術(shù)因靈敏度高、特異性強(qiáng)和可重復(fù)強(qiáng),已成為檢測(cè)核酸含量和分析基因相對(duì)表達(dá)水平的最重要技術(shù)之一;然而,不同物種所適合的內(nèi)參基因也不同,因此,需要根據(jù)物種選擇適合的內(nèi)參基因。海州常山是一種重要的藥用植物,具有極好的耐鹽性、觀賞性和開(kāi)發(fā)前景,土壤鹽漬化是一個(gè)世界性的問(wèn)題,選擇合適的沿海鹽堿植物一直是恢復(fù)沿海生態(tài)的焦點(diǎn)[12],篩選海州常山內(nèi)參基因幫助我們?cè)诜肿铀缴细玫乩斫庵参锏哪望}性及更好地開(kāi)發(fā)利用植物的耐鹽性。
由于不同計(jì)算軟件的統(tǒng)計(jì)算法和分析程序?qū)е禄蚍€(wěn)定性排名有所差異,不同的軟件給出了不同的結(jié)果,這是由于不同軟件篩選穩(wěn)定性考慮的算法側(cè)重點(diǎn)不同造成的。總體來(lái)說(shuō)雖有差異,但基因的穩(wěn)定排名大致相同,以鹽脅迫下的內(nèi)參基因篩選為例,GeNorm 和NormFinder 軟件分析RPL、UBCE2基因表達(dá)穩(wěn)定,BestKeeper 軟件卻認(rèn)為ACT基因表達(dá)最穩(wěn)定,UBCE2基因穩(wěn)定性排第二;ReFinder軟件綜合分析得出,RPL、UBCE2和AP-2基因是鹽脅迫下穩(wěn)定性排名前三基因。從分析結(jié)果看,各個(gè)分析軟件的結(jié)果雖有不同,但僅僅是排名名次上有些差異,差異性不大且穩(wěn)定性值相差也不大。
ACT和AP-2在干旱脅迫下最穩(wěn)定表達(dá),ACT在何首烏、紅麻等多個(gè)物種中被證實(shí)穩(wěn)定表達(dá)[13-14],在葡萄非生物脅迫下,基因AP-2也被鑒定為合適的參考基因[15]。熱害脅迫下MDH和EF-1A是表達(dá)最穩(wěn)定的基因,在樟樹(shù)、黃秋葵中EF-1A被證明是最適合熱應(yīng)激的參考基因[16-17]。已經(jīng)證實(shí)UBCE2和RPL基因在很多植物的非生物脅迫下是穩(wěn)定表達(dá)的[18-20],這與海州常山葉片鹽害脅迫下的結(jié)果相吻合。綜合所有脅迫數(shù)據(jù)看,AP-2和UBCE2基因是排名最靠前的,這和在福建柏中的結(jié)果相似[21]。在本研究中,H3是最不穩(wěn)定的參考基因之一,在海州常山葉片中不適合作為內(nèi)參基因使用。
為了驗(yàn)證選擇的參考基因的可靠性,通過(guò)利用篩選出的內(nèi)參基因?qū)tNHX1表達(dá)水平進(jìn)行歸一化。當(dāng)使用CtNHX1基因來(lái)鑒定所篩選內(nèi)參基因的表達(dá)量時(shí),CtNHX1基因在鹽害處理下48 h 時(shí)基因表達(dá)量最高,這和在短角海蓬子SbNHX1進(jìn)行高鹽脅迫下的基因表達(dá)量相似[22];在干旱脅迫處理后2 h 時(shí)基因表達(dá)量上調(diào)而后下降,在24 h 時(shí)基因表達(dá)量達(dá)到最高,而后又顯現(xiàn)下降趨勢(shì)[23],這與海馬齒SpNHX1基因表達(dá)量具有相似的規(guī)律??傮w結(jié)果顯示,使用本研究篩選出的內(nèi)參基因及內(nèi)參基因組合進(jìn)行基因表達(dá)水平歸一化時(shí),目的基因表達(dá)量具有相似的表達(dá)規(guī)律,在各種非生物脅迫處理中表達(dá)是穩(wěn)定的,而用不穩(wěn)定的H3基因進(jìn)行目的基因表達(dá)水平檢測(cè)時(shí),結(jié)果顯示目的基因表達(dá)水平與本研究用篩選出的內(nèi)參基因檢測(cè)的目的基因表達(dá)水平規(guī)律明顯不同,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。
通過(guò)內(nèi)參基因的穩(wěn)定性和有效性評(píng)估與分析,發(fā)現(xiàn)AP-2、UBCE2在海州常山葉片非生物脅迫下穩(wěn)定表達(dá),下一步將繼續(xù)利用海州常山轉(zhuǎn)錄組學(xué),挖掘海州常山脅迫條件下優(yōu)良的抗逆基因,研究相關(guān)基因的表達(dá)模式。這項(xiàng)工作為今后海州常山分子機(jī)制的研究提供基礎(chǔ),也為其他馬鞭草物種分子水平的探究提供了內(nèi)參基因選擇的參考。