穆榕博,張 樺,周亮第,劉 豪,姚正培,任燕萍,王 波,馬 麗,楊文艷
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊 830001)
【研究意義】梭梭[(C.A.Mey.)Bunge]藜科(Chenopodiaceae)梭梭屬()超旱生小喬木,作為我國西北荒漠區(qū)植被的主要建群種,對干旱、鹽堿、高溫等極端生態(tài)環(huán)境有著較強的適應(yīng)能力(滿玲娟,2019),不僅具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟價值,還是研究植物抗逆分子機制的理想材料。NAC基因家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子,不僅參與調(diào)控植物的生長和發(fā)育,而且在非生物脅迫中發(fā)揮了重要作用(Olsen et al.,2005;周麗霞和曹紅星,2020)。因此,對梭梭HaNAC12轉(zhuǎn)錄因子進行抗逆功能驗證,不僅有助于解析梭梭應(yīng)對逆境因子脅迫分子機制,還為農(nóng)林作物基因工程提供重要的基因資源,對梭梭及其他作物遺傳改良具有重要的意義。【前人研究進展】NAC轉(zhuǎn)錄因子命名源于矮牽牛()NAM(No apical meristem)、擬南芥()ATAF/2和CUC2(Cupshaped cotyledon)(Souer et al.,1996)。該類轉(zhuǎn)錄因子具有共同的結(jié)構(gòu)特點,即N端含有約150個氨基酸殘基組成的高度保守NAC結(jié)構(gòu)域,此區(qū)域可結(jié)合DNA和其他蛋白質(zhì),C端為可變的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域(Ernst et al.,2004)。NAC作為植物體內(nèi)最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一,廣泛分布于陸生植物中(李小蘭等,2013),如擬南芥有117個(Riechmann et al.,2000)、煙草有152個(Xiong et al.,2005)、水稻有151個(Pinheiro et al.,2009)NAC家族成員,主要參與植物生長發(fā)育過程(李偉等,2011)。Duval等(2002)研究表明,擬南芥AtNAM蛋白在種子胚時期參與了頂端分生組織的形成。Fang 等(2015)研究表明,水稻基因表達可增強植株對干旱、高溫的耐受性。丁澤紅等(2016)通過轉(zhuǎn)錄組水平分析驗證木薯NAC家族基因參與了木薯對干旱的響應(yīng)。Yu等(2016)研究表明,鷹嘴豆基因通過調(diào)控下游逆境相關(guān)基因表達量從而增強了植株抗旱性。Yang等(2018)研究表明,芒草基因通過調(diào)節(jié)植株對植物激素ABA的敏感度從而正調(diào)控植株對干旱和鹽脅迫的響應(yīng)。Chung等(2018)通過Chip-Seq和RNA-Seq分析結(jié)果顯示,水稻中過表達后通過激活根特異性啟動子RCc3改變植株根系結(jié)構(gòu),從而提高植株的抗旱能力。So和Lee(2019)在擬南芥中過表達大豆基因可增強了植株耐旱性。Jia等(2020)研究發(fā)現(xiàn),蘋果基因通過調(diào)節(jié)光合作用強度來增強抗氧化酶活性,導(dǎo)致植株耐旱性增強。Wang等(2020)研究發(fā)現(xiàn),煙草中過表達明百合花基因后植株耐鹽性上升,但耐旱性下降。陳文燁等(2020)研究發(fā)現(xiàn),小麥基因可能參與響應(yīng)高鹽、滲透和冷脅迫等逆境脅迫。本研究課題組基于梭梭干旱轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果已克隆差異表 達NAC 基因,如(李志強等,2016)、(宗興風(fēng)等,2019)、(周亮第等,2021)、(伍霞,2021),并對其功能進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些基因均參與植株響應(yīng)非生物脅迫,并提高了植物抵御非生物脅迫的能力。【本研究切入點】雖然已有研究證實HaNAC12轉(zhuǎn)錄因子與擬南芥ANAC082和ANAC103親緣關(guān)系更近,同屬于NAC2亞家族(李志強,2016),且該亞族中代表基因(Ohbayashi et al.,2017)與(Yamaguchi et al.,2015)被證明參與了植株對干旱等非生物脅迫的響應(yīng),因此,推測基因同樣參與非生物脅迫響應(yīng)。但目前未見隆基因克隆及功能驗證的研究報道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】通過實時熒光定量PCR檢測基因在干旱、高鹽和脫落酸(ABA)處理下的表達模式分析。利用同源重組法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)噴花法、噴灑除草劑等方法構(gòu)建并篩選轉(zhuǎn)基因擬南芥陽性株系,在不同脅迫處理后測定其與野生型(WT)在萌發(fā)率、氣孔開度、相對含水量、株高、生長速率和生理指標等方面的差異,分析基因在逆境脅迫下的抗逆功能,以期解析梭梭響應(yīng)逆境脅迫的分子機制,為梭梭及其他作物抗逆遺傳改良提供理論參考。
供試材料梭梭種子采自新疆古爾班通古特沙漠。擬南芥種子由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點實驗室繁存。農(nóng)桿菌菌株GV3101為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物生物技術(shù)實驗室保存。Trazol-up、Fly DNA聚合酶、Trans-T1大腸桿菌感受態(tài)細胞、pEASY Blunt-Zero克隆載體、T4 DNA Ligase和DNA Marker均購于北京全式金生物技術(shù)有限公司。瓊脂糖凝膠回收試劑盒和RNase A購于南京諾維贊生物科技有限公司。熒光定量試劑盒和反轉(zhuǎn)錄試劑盒購于加拿大ABM生物科技有限公司。試驗所用卡那霉素、慶大霉素、嗎啉乙磺酸(MES)、乙酰丁香酮、MgCl等化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。引物合成和DNA測序均由上海生工生物技術(shù)有限公司完成。丙二醛、過氧化氫、脯氨酸含量測定試劑盒和過氧化氫酶測定試劑盒購自南京建成生物工程研究所。
1.2.1 樣品處理 篩選顆粒飽滿的梭梭種子,使用100% NaClO溶液渦旋清洗30 s,浸泡5 min,用75%乙醇溶液渦旋清洗30 s,浸泡2 min,用無菌水渦旋浸泡洗滌6次,將梭梭種子移入裝有1/2 MS培養(yǎng)基的組培瓶中培養(yǎng),培養(yǎng)至梭梭幼苗同化枝長度約10 cm,25 ℃條件下進行模擬干旱處理(20% PEG 6000溶液)、高鹽處理(200 mmol/L NaCl溶液)、(ABA)處理(100 μmol/L ABA溶液)。以正常生長的植株為對照。
1.2.2 脅迫下基因表達分析 使用Primer 5.0設(shè)計基因的特異性引物(表1),并由生工生物工程有限公司合成。RNA提取及實時熒光定量PCR檢測方法參考Wang(2018)的方法。
1.2.3轉(zhuǎn)基因擬南芥陽性植株篩選 根據(jù)基因編碼區(qū)(CDS)設(shè)計含有I、E II酶切位點引物N12-3301-F/N12-3301-R(表2),用于擴增同源重組目的片段。通過同源重組法構(gòu)建pCAMBIA3301-植物表達載體,利用凍融法轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV3101。利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)噴花法將含有基因完整CDS的過表達載體轉(zhuǎn)染W(wǎng)T,收種種子記為T代。通過噴灑1/3000除草劑篩選T代轉(zhuǎn)基因擬南芥,并對存活植株進行收種,種子記為T代,使用MS篩選培養(yǎng)基(0.033%除草劑+MS)培養(yǎng)T代轉(zhuǎn)基因植株。使用SPSS 24.0對其萌發(fā)率進行卡方檢驗,>0.05視為符合孟德爾遺傳定律。將符合孟德爾遺傳定律轉(zhuǎn)基因植株移至營養(yǎng)土(草炭∶蛭石=2∶1)中培養(yǎng)至收種,種子記為T代;通過實時熒光定量PCR從T代植株中篩選得到3個表達量最高的株系記為T代,用于后續(xù)試驗,具體操作參考滿玲娟(2021)的方法。
1.2.4轉(zhuǎn)基因擬南芥萌發(fā)率測定 選用同批收種WT與T代轉(zhuǎn)基因擬南芥作為材料,分別點種54粒在MS培養(yǎng)基、MS+200 mmol/L甘露醇、MS+200 mmol/L NaCl固體培養(yǎng)基中,春化3 d后正常培養(yǎng)。每個處理設(shè)置3個重復(fù),以露白為統(tǒng)計標準,每隔24 h統(tǒng)計正常培養(yǎng)基和脅迫培養(yǎng)基中種子萌發(fā)數(shù)目,再根據(jù)種子萌發(fā)率(%)=種子露白數(shù)/種子總數(shù)×100,計算各株系種子萌發(fā)率。
1.2.5 不同脅迫下表型和生理指標測定 將同批收種WT與T代轉(zhuǎn)基因擬南芥在MS培養(yǎng)基中培育10 d后轉(zhuǎn)移至營養(yǎng)土中進行培養(yǎng),待培養(yǎng)至4周齡后選擇生長狀況一致的擬南芥植株分別進行干旱脅迫(充分澆足水后進行自然干旱)和高鹽脅迫(200 mmol/L NaCl溶液澆灌植株),以正常生長的植株為對照。脅迫后分別對植株表型進行拍照記錄并對比,然后測量各株系在不同處理下的丙二醛、過氧化氫和脯氨酸含量,以及過氧化氫酶活性。測定方法參考丙二醛、過氧化氫、脯氨酸含量測定試劑盒和過氧化氫酶測定試劑盒說明進行。
1.2.6 氣孔開度和相對含水量測定 使用Motic BA400光學(xué)顯微鏡觀察氣孔開度,并使用Motic Image Advanced 3.2進行拍照,使用Image J對氣孔開度進行測量;選取1.2.5中種植的干旱脅迫后的植株,使用軟刷將其從土壤中剝離,分別測量鮮重、飽和鮮重以及干重,再根據(jù)相對含水量(%)=(鮮重-干重)/(飽和鮮重-干重)×100,計算各株系植株的相對含水量。
采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理,使用SPSS 24.0進行單因素方差分析(ANOVA),LSD算法對其顯著性進行分析,使用Prism 8.0進行作圖。
采用實時熒光定量PCR檢測基因在模擬干旱(20% PEG 6000)、高鹽(200 mmol/L NaCl溶液)、ABA(100 mmol/L ABA溶液)處理下的表達情況,結(jié)果如圖1所示。在干旱脅迫下,基因相對表達量在處理12 h時極顯著高于處理0 h(未脅迫)(<0.01,下同),約為0 h相對表達量的4.5倍,于處理24 h時恢復(fù)至正常水平。高鹽脅迫下,基因相對表達量整體呈先升高后降低的變化趨勢,處理1 h時相對表達量極顯著高于處理0 h,而后開始下降。ABA處理下,基因相對表達量在處理3和12 h顯著高于處理0 h(<0.05,下同)。綜上所述,基因能響應(yīng)干旱、鹽和ABA信號。
利用噴灑除草劑對T代轉(zhuǎn)基因擬南芥進行初步篩選,結(jié)果圖2-A所示。將T代收獲的種子記為T代,并重新種植在含有0.033%除草劑的MS培養(yǎng)基上,培養(yǎng)8 d后對其成活率進行計數(shù),計數(shù)結(jié)果符合孟德爾遺傳定律3∶1分離比(圖2-B)。以存活的擬南芥蓮座葉為材料,對其載體上特異性片段及目的基因特異性片段進行擴增,結(jié)果顯示存活的擬南芥中重組載體均穩(wěn)定表達(圖2-C)。采用實時熒光定量PCR篩選轉(zhuǎn)基因擬南芥T代,篩選出3 個高表達量的株系HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3(圖3)。
將WT和不同純合株系轉(zhuǎn)基因擬南芥分別播種在MS培養(yǎng)基、MS+200 mmol/L甘露醇脅迫培養(yǎng)基和MS+200 mmol/L NaCl鹽脅迫培養(yǎng)基上,觀察擬南芥在不同處理下的生長情況,并定期統(tǒng)計擬南芥萌發(fā)率,結(jié)果如圖4所示。正常情況下,HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3的最終萌發(fā)率分別為86.11%、90.00%和89.44%,與WT(81.11%)無顯著差異(>0.05)(圖4-A)。200 mmol/L甘露醇模擬的干旱脅迫處理下,WT、HaNAC12-1、HaNAC12-2 和HaNAC12-3的最終萌發(fā)率分別為45.00%、66.11%、80.56%和85.00%(圖4-B)。200 mmol/L NaCl 的鹽 脅 迫處理下,WT、HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3的最終萌發(fā)率分別為36.42%、49.38%、51.23%和58.64%,于高鹽脅迫3 d萌發(fā)率出現(xiàn)極顯著差異,并保持極顯著差異至試驗結(jié)束(圖4-C)。綜上所述,轉(zhuǎn)基因擬南芥在萌發(fā)期對干旱和鹽脅迫具有更強的耐受性。
將正常培養(yǎng)4周齡的轉(zhuǎn)基因擬南芥和WT分別進行自然干旱和高鹽脅迫,脅迫后觀察不同脅迫處理下的擬南芥表型,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對照組WT和轉(zhuǎn)基因擬南芥生長狀態(tài)基本保持一致(圖5-A);自然干旱15 d后,WT出現(xiàn)明顯的干枯現(xiàn)象,轉(zhuǎn)基因擬南芥各株系出現(xiàn)脫水現(xiàn)象,但未出現(xiàn)干枯(圖5-B);高鹽脅迫7 d后,WT出現(xiàn)明顯枯黃現(xiàn)象,轉(zhuǎn)基因株系12-1和12-2出現(xiàn)輕微枯黃,轉(zhuǎn)基因株系12-3植株整體仍保持綠色(圖5-C),說明轉(zhuǎn)基因在生長發(fā)育階段對干旱和鹽脅迫具有更強的耐受性。
此外,在干旱脅迫下3個轉(zhuǎn)基因擬南芥株系均出現(xiàn)了提前抽薹、早花等生殖發(fā)育加速現(xiàn)象(圖6),分別于脅迫3 、6 和9 d后對轉(zhuǎn)基因株系進行株高測量,結(jié)果(圖7-A)顯示,干旱脅迫3 d時HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3株系的平均株高分別為11.3、9.4和10.3 cm,WT的平均株高為0.3 cm;干旱脅迫6 d時WT出現(xiàn)抽薹現(xiàn)象,平均株高為4.2 cm?;谥旮邷y量數(shù)據(jù)計算各株系生長速率,結(jié)果(圖7-B)顯示,轉(zhuǎn)基因株系在干旱脅迫0~3 d時生長速率最快,3~9 d時生長速率逐漸降低,WT在干旱脅迫0~3 d時生長速率接近0,說明在干旱脅迫處理下,轉(zhuǎn)基因擬南芥生殖生長速度明顯高于WT。
采集自然干旱脅迫10 d和對照組(正常澆水培養(yǎng))擬南芥新鮮蓮座葉下表皮,在顯微鏡下觀察其下表皮氣孔情況(圖8),并測量其氣孔開度,結(jié)果如圖9-A所示。對照組中WT、HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3的氣孔開度平均值分別為29.14、26.76、28.17和27.74 μm,轉(zhuǎn)基因株系與WT之間無顯著差異。干旱脅迫組中WT、HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3的氣孔開度平均值分別為9.46、2.38、4.75和4.15 μm,其中,HaNAC12-1和HaNAC12-3的氣孔開度與WT存在極顯著差異,HaNAC12-2的氣孔開度與WT存在顯著差異。干旱脅迫組WT的氣孔開度比對照組WT 縮小67.54%,干旱脅迫組HaNAC12-1的氣孔開度比對照組HaNAC12-1縮小91.08%,干旱脅迫組HaNAC12-2的氣孔開度比對照組HaNAC12-2縮小83.14%,干旱脅迫組HaNAC12-3的氣孔開度比對照組HaNAC12-3縮小85.04%。
對干旱脅迫后對植株進行相對含水量測定,結(jié)果(圖9-B)顯示W(wǎng)T相對含水量為26.19%,HaNAC12-1的相對含水量顯著高于WT,HaNAC12-2、HaNAC12-3的相對含水量極顯著高于WT。
2.6.1 干旱脅迫對擬南芥生理指標的影響 對對照組和干旱脅迫組的植株蓮座葉進行生理指標測定,并計算脅迫前后各生理指標的變化情況,結(jié)果如圖10所示。對照組中HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3株系的脯氨酸含量與WT無顯著性差異,干旱脅迫組中3個轉(zhuǎn)基因株系的脯氨酸含量分別上升1545.53、1401.21和1419.98 μg/g,極顯著高于WT的上升量(607.06 μg/g)(圖10-A)。對照組中3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫含量與WT無顯著性差異,干旱脅迫組3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫含量分別上升222.59、209.51和162.29 ng/g,極顯著低于WT的上升量(298.92 ng/g)(圖10-B)。丙二醛含量測定結(jié)果與過氧化氫含量測定較相似,干旱脅迫組中3個轉(zhuǎn)基因株系的脅迫前后丙二醛含量變化量極顯著低于WT(圖10-C)。對照組中3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫酶活性與WT無顯著性差異,干旱脅迫組中3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫酶活性上升318.96、288.12和328.96 U/(g·min),極顯著高于WT的上升量[192.92 U/(g·min)](圖10-D)。綜上所述,轉(zhuǎn)基因擬南芥株系具有更強的抗旱性。
2.6.2 鹽脅迫對擬南芥生理指標的影響 對對照組和高鹽脅迫組的植株蓮座葉進行生理指標測定,并計算脅迫前后各生理指標的變化情況,結(jié)果如圖11所示。對照組中HaNAC12-1、HaNAC12-2和HaNAC12-3株系的脯氨酸含量與WT無顯著性差異,高鹽脅迫組中3個轉(zhuǎn)基因株系的脯氨酸含量分別上升1504.97、1271.80和1200.33 μg/g,極顯著高于WT的上升量(640.73 μg/g)(圖11-A)。對照組中3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫含量與WT無顯著性差異,高鹽脅迫組3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫含量分別上升185.94、181.98和121.73 ng/g,極顯著低于WT的上升量(265.85 ng/g)(圖11-B)。對照組中3個轉(zhuǎn)基因株系的丙二醛含量與WT無顯著性差異,高鹽脅迫組3個轉(zhuǎn)基因株系的丙二醛含量分別上升1.96、2.25和1.80 μmol/g,極顯著低于WT上升量(3.04 μmol/g)(圖11-C)。對照組中3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫酶活性與WT無顯著性差異,高鹽脅迫組3個轉(zhuǎn)基因株系的過氧化氫酶活性分別上升254.70、283.54和244.38 U/(g·min),極顯著低于WT的上升量[189.58 U/(g·min)](圖11-D)。綜上所述,轉(zhuǎn)基因擬南芥具有更強的鹽脅迫抗性。
一個特定的NAC轉(zhuǎn)錄因子往往同時涉及多個發(fā)育或應(yīng)對多個逆境因子脅迫過程。在過表達黃麻基因的植株生長明顯加快,出現(xiàn)了早花現(xiàn)象,并且轉(zhuǎn)基因株系的抗旱性顯著高于WT(Zhang et al.,2021)。擬南芥NAC家族基因被證明不僅參與了植株生長發(fā)育過程,過表達后還增加植株對灰霉菌的抗病性(Wang et al.,2009)。梭梭長期生活在荒漠、半荒漠環(huán)境,是研究植物抗逆分子機制的理想材料,對梭梭NAC轉(zhuǎn)錄因子基因已有報道,如基因過表達可增強植株對干旱、鹽、低溫脅迫抗性(韓聚東,2016);基因過表達可增強植株對干旱、鹽、高溫脅迫抗性(宗興風(fēng)等,2019;伍霞,2021);過表達可憎強植株對高鹽和高溫的耐受性(伍霞,2021),說明梭梭中不同NAC轉(zhuǎn)錄因子在提高植物抗逆性上存在差異。本研究結(jié)果顯示,基因受干旱、鹽和ABA 3種外界脅迫信號誘導(dǎo)后過表達,導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因擬南芥株系對干旱和鹽的抗性較WT明顯增強,且在自然干旱脅迫下蓮座葉下表皮氣孔開度較WT顯著減小,成苗干旱和鹽脅迫后植株脯氨酸含量大幅度升高。根據(jù)脯氨酸的生物學(xué)功能(彭志紅等,2002),推測基因通過調(diào)節(jié)植物細胞滲透壓從而增強植株對干旱和鹽脅迫抗性,結(jié)合熒光定量PCR檢測結(jié)果和生理生化指標測定結(jié)果,推測基因與其同亞族基因作用相近,均通過調(diào)節(jié)植物ABA信號通路從而增加植株對于干旱和鹽的抗性(Yamaguchi et al.,2015),其具體的下游調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還需通過進一步試驗進行驗證。
本研究系統(tǒng)進化分析結(jié)果顯示,HaNAC12轉(zhuǎn)錄因子屬于NAC2亞族(李志強,2016)。擬南芥中NAC2亞族代表基因(和)被證明參與了植株營養(yǎng)器官生長發(fā)育的調(diào)節(jié)(Morishita et al.,2009);()通過調(diào)節(jié)植株葉片中的活性氧從而增加植株的抗旱性(Yabuta et al.,2011)。除擬南芥外其他植物中NAC2亞族轉(zhuǎn)錄因子也被證實與植物非生物脅迫抗性有關(guān),如剛毛檉柳ThNAC24通過維持細胞膜完整性增加植株對
于鹽和干旱脅迫的耐受性(盧惠君等,2019);辣椒基因?qū)Ω珊得{迫產(chǎn)生響應(yīng)(賴燕,2011)。但目前極少有研究證實,NAC2亞族基因在受到非生物脅迫后會增加植株生殖發(fā)育速度,僅大豆(Pimenta et al.,2016)和番茄(Zhang et al.,2021)受到非生物脅迫后植株出現(xiàn)了生殖發(fā)育提前的現(xiàn)象。本研究也發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因擬南芥株系過表達基因后在干旱脅迫下出現(xiàn)了生殖發(fā)育提前的生理表型。關(guān)于NAC轉(zhuǎn)錄因子影響植株生殖發(fā)育的研究報道中,以NAC轉(zhuǎn)錄因子推遲生殖發(fā)育速度的結(jié)論居多,如NTL8(ANAC075)(Fujiwara and Mitsuda,2016)、PwNAC2(Liu et al.,2011)等。因此,今后還需對基因?qū)χ仓晟嘲l(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)的調(diào)控機制作深入研究。
擬南芥過表達基因可增強植株在萌發(fā)期和苗期對干旱和鹽脅迫的抗性,干旱脅迫后可促進擬南芥開花,說明基因可提高轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗旱和耐鹽性。