韩静静 柴梦娟 朱麒元 栗燕
摘要:蔗糖转运蛋白属于MFS家族,该家族是已知最大的转运体家族。本研究采用“TA”克隆技术,从‘洛阳红牡丹中得到牡丹蔗糖转运蛋白基因PsSUT1,基因序列全长为1 846 bp,包含1 557 bp的开放阅读框,编码519个氨基酸。进化树分析显示该基因序列在进化过程中是保守的。蔗糖转运活性试验表明PsSUT1的表达使SUSY7/ura3酵母菌株能够在蔗糖为唯一碳源的培养基上生长,说明 PsSUT1编码的蛋白具有蔗糖转运活性。亚细胞定位试验结果表明该蛋白定位于细胞膜。将PsSUT1基因异源转化拟南芥,结果表明 PsSUT1转基因阳性苗与野生型拟南芥相比,地上部分干重平均增加了46.35%,株高增加了50.44%,种荚数增加了40.54%;拟南芥蔗糖耐受性检测中,PsSUT1转基因植株生长正常,根系明显比野生型拟南芥植株长,叶片发育也正常,没有花青素积累。本研究为改善盆栽牡丹生长与发育状况提供分子生物学方面的理论依据和技术支撑。
关键词:牡丹;蔗糖转运蛋白基因;蔗糖转运活性;亚细胞定位;异源表达分析
中图分类号:中图分类号S685;Q785;Q786文献标志码:A文献标识码
Functional study of sucrose transporter gene PsSUT1 in peony
HAN Jingjing,CHAI Mengjuan,ZHU Qiyuan,LI Yan*
(College of Landscape Architecture and Art,Henan Agricultural University,Zhengzhou,Henan 450002,China)
Abstract: Sucrose transporters belong to the MFS family, which is the largest known family of transporters.In this study, TA cloning technology was used to obtain the peony sucrose transporter gene PsSUT1 from Luoyanghong peony. The full-length gene sequence is 1 846 bp, including an open reading frame of 1 557 bp, encoding 519 amino acids. Phylogenetic tree analysis showed that the gene sequence was conserved during evolution. The sucrose transport activity assay showed that the expression of PsSUT1 enabled the SUSY7/ura3 yeast strain to grow on the medium with sucrose as the sole carbon source, indicating that the protein encoded by PsSUT1 has sucrose transport activity. The results of subcellular localization assay showed that the protein was localized to the cell membrane. The PsSUT1 gene was heterologously transformed into Arabidopsis, and the results showed that compared with wild-type Arabidopsis, the PsSUT1 transgenic positive seedlings increased the average dry weight of the aerial parts by 46.35%, the plant height by 50.44%, and the number of seed pods by 40.54%; In the Arabidopsis sucrose tolerance test, PsSUT1 transgenic plants grew normally, with significantly longer root systems than wild-type Arabidopsis plants, and normal leaf development without anthocyanin accumulation. This study provides theoretical evidence and technical support in molecular biology for improving the growth and development of potted peony.
Key words: peony;sucrose transporter gene;sucrose transport activity;subcellular localization;heterologous expression analysis
牡丹(Paeonia suffruticosa)属多年生落叶灌木,因其花型繁多、花冠硕大、花色艳丽,故具有较高的观赏价值,受到群众的喜爱,这使得盆栽牡丹在国内外花卉市场的需求量逐年上升。然而,牡丹盆栽种植后常常出现植株矮小、花蕾败育的现象,严重影响了其观赏价值,这已成为盆栽牡丹产业化发展中的瓶颈问题[1]。已有研究[2]表明,牡丹盆栽种植后,由于根域受到限制,叶片光合速率降低,蔗糖供应不足,从而导致盆栽植株生长发育不良。通過对牡丹叶片、茎、花瓣、生长根进行超微结构观察发现,这些部位胞间连丝较少,而且筛管伴胞复合体细胞壁内突生长,薄壁细胞胞间隙大,由此推测蔗糖在牡丹植株的装载、运输、卸载过程可以通过质外体途径进行,因此蔗糖转运蛋白在这个过程中起着至关重要的作用[3-4]。
SUT(Sucrose transporters protein)属于主要易化子超家族(Major Facilitator Superfamily, MFS),是高度疏水性的蛋白质,有12个跨膜螺旋结构,拥有大约500~600个氨基酸[5],是碳从源到“库”器官分配的关键组成部分,并作为H+/蔗糖同向转运体,利用质膜上的质子梯度将蔗糖逆浓度梯度运输到细胞中[6]。根据其序列和结构的相似性,SUTs可以分为五个亚族:SUT1、SUT2、SUT3、SUT4和SUT5。其中SUT1为双子叶植物特有的基因,SUT3和SUT5为单子叶植物特有基因,SUT2和SUT4为单子叶植物和双子叶植物共有的基因[7]。SUT1亚家族定位于筛管伴胞细胞质膜,对蔗糖有适度的亲和力,并能催化蔗糖被吸收到“库”器官中[8]。水稻 OsSUT1 在沿运输途径从质外体获取的蔗糖的韧皮部装载中起作用[9]。大豆 GmSUT1 定位于质膜,在根瘤菌共生过程中有助于蔗糖转运至根瘤,从而起到固定N2的作用[10]。SUT2亚家族蛋白通常定位于筛管细胞的质膜上,参与“库”器官韧皮部蔗糖的卸载[11]。SUT4亚家族蛋白定位于液泡膜或者细胞质膜,参与植物韧皮部的蔗糖装载[12]。
本研究在已获得 PsSUT1基因全长序列并初步分析其生物信息学特征的基础上[13],为了进一步了解它的功能,本研究采用“TA”克隆法获得了 PsSUT1基因,并对该蛋白进行保守结构域分析及三级结构预测,测定了PsSUT1蛋白的蔗糖转运活性和亚细胞定位分析,并遗传转化拟南芥,观察并测定了转基因拟南芥的形态特征、蔗糖含量和它对外源蔗糖的利用情况。为探寻盆栽牡丹生长发育不良机理,改善盆栽牡丹生长与发育状况提供分子生物学方面的理论依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 材料
试验材料取自河南农业大学第三生活区7年生盆栽嫁接苗‘洛阳红牡丹(根砧为凤丹),采集盛花期生长健壮、长势一致的植株上中轮花瓣,用锡箔纸包好,放入液氮中快速冷冻,然后在-80℃冰箱保存。烟草(Nicotiana tabacum)培养条件:25℃,湿度60%,16h光照,8h黑暗培养。哥伦比亚型拟南芥(Arabidopsis thaliana)培养条件:23℃,湿度60%,16h光照,8h黑暗培养。
1.2 方法
1.2.1 PsSUT1 的克隆
采用李永华改良版CTAB法分别提取牡丹‘洛阳红盛花期的花瓣的总RNA[14],之后使用PrimeScriptTM II 1st Strand cDNA Synthesis Kit试剂盒(Takara,中国大连)进行反转录,获得cDNA第1条链。
根据NCBI PsSUT1的CDS区域序列,使用Primer Premier 5.0 软件设计特异性克隆引物(表1)。用PrimeSTAR Max DNA Polymerase(Takara,中国大连)以提取的 cDNA 为模板,进行RT-PCR扩增。反应体系共50 μL:5×PrimeSTAR GXL Buffer 10 μL;dNTP Mixture 4 μL;上下游引物各2 μL;Template(cDNA)5 μL;PrimeSTAR GXL DNA Polymerase 1 μL;ddH2O 26 μL;反应体系共50 μL。PCR反应程序为:94℃,预变性1 min;98 ℃,变性10 s;60 ℃,退火10 s;68℃,延伸2 min;72℃,延伸10 min,进行35个循环。PCR产物使用1% 的琼脂糖凝胶进行电泳检测,切胶回收并与T 载体进行连接,而后转化大肠杆菌感受态细胞进行LB平板蓝白斑筛选并摇菌,送郑州尚亚生物公司进行测序。
1.2.2 PsSUT1 保守基序分析及三级结构预测
利用在线软件MEME (Multiple Expectation Max-imization for Motif Elicitation)工具(http://meme.nbcr.net/meme/cgi-bin/meme.cgi)进行牡丹 PsSUT1 氨基酸保守基序(motif)分析。使用pfam32.0(http://pfam.xfam.org/)对MEME分析得到的保守基序序列进行在线分析。使用在线软件SWISS-MODEL(https://swissmodel.expasy.org/)同源建模,对牡丹SUT1蛋白进行三级结构的预测。
1.2.3 PsSUT1 蛋白蔗糖转运活性鉴定
使用引物 PsSUT1-Fb和 PsSUT1-Rb(表1)扩增含有Spe I和Pst I限制性位点的全长 PsSUT1基因序列,然后构建酵母表达载体pDR196-PsSUT1,转化SUSY7/ura3酵母突变体。以空载体PDR196作为空白对照,将转化成功的pDR196-PsSUT1和pDR196的酵母菌液,在2%蔗糖和2%葡萄糖为唯一碳源的SD筛选培养基上划线培养,30℃培养。观察其生长情况,并拍照记录。
1.2.4 亚细胞定位
使用Gateway技术构建载体。利用Primer Premier 5.0软件设计引物 PsSUT1-Fc和 PsSUT1-Rc(表1),以1.2.1克隆得到的质粒为模板,进行PCR扩增。通过BP反应获得 pDONR207-PsSUT1入门载体,然后通过LR反应将该入门载体与目的载体PK7WGF2.0 GFP进行重组反应,获得PK7WGF2.0 GFP-PsSUT1超表达载体。将重组质粒GFP-PsSUT1轉化到农杆菌AGL0中,用注射器将携带目标基因的菌液注入烟草叶片中[15]。然后在23℃下对烟草进行48h的培养。用激光共聚焦扫描显微镜检测烟草叶片的GFP荧光信号。
1.2.5 牡丹 PsSUT1在拟南芥的异源表达
1.2.5.1 过表达载体构建
参照1.2.4方法通过Gateway方法构建 PsSUT1基因过表达载体。将1.2.4得到的PsSUT1的入门载体通过LR反应连接得到PsSUT1基因的超表达载体。将构建好的过表达载体质粒转化至AGL0农杆菌体中。通过浸花法进行农杆菌介导的遗传转化,筛选后获得转基因的拟南芥植株,培养至T3代并获得纯合株系,用于形态指标的测定。
1.2.5.2 转基因拟南芥形态学特征和蔗糖含量的测定
(1)T3 代 PsSUT1转基因株系形态观测
选取生长周期为30 d的野生型拟南芥 WT 与 T3 代转 PsSUT1基因陽性苗测定其形态学指标如株高、种荚,并观察其生长过程中营养生长与生殖生长的情况。
(2)T3 代 PsSUT1转基因株系地上部分干重测定
测量生长30 d的野生型拟南芥和T3代转基因拟南芥的地上部分干重。随机取3株拟南芥,去掉根部,放在65℃的烘箱中12 h至恒重,称取总重量。地上部分干重=总重量/3,3次重复。
(3)T3 代 PsSUT1转基因株系蔗糖含量测定
测定野生型和转基因拟南芥的叶片和花瓣的蔗糖含量,参照张志良[16]的方法分别取干样0.05g,3次重复。用SPSS 20.0分析不同组别间数值的差异。
1.2.5.3 PsSUT1基因对外源蔗糖的利用
将野生型拟南芥和 PsSUT1基因的T3代转基因株系和种子分别播种在蔗糖浓度为3%、6%、9%的MS培养基上,生长20 d,观察其生长情况。
2 结果与分析
2.1 牡丹蔗糖转运蛋白基因PsSUT1的克隆
以盛花期‘洛阳红花瓣的cDNA为模板,通过PCR扩增,产物经过琼脂糖凝胶电泳检测,得到大约为1 600 bp的条带(图1)。经测序鉴定,序列信息与NCBI登录序列信息一致。PsSUT1基因(基因登录号:KC542395)序列全长为1 846 bp,包含1 557 bp的开放阅读框,编码519个氨基酸。
2.2 牡丹 PsSUT1 蛋白保守基序分析及三级结构预测
通过在线软件MEME对牡丹SUT1蛋白进行保守基序分析(图2),从中鉴定出6个保守基序,它们属于MFS家族中MFS_2成员,该家族可以将蔗糖通过质子/阳离子同向转运,这6个保守基序排列顺序一致,这表明SUT1亚家族的基因在进化过程中是极其保守的。
使用SWISS-MODEL在线软件对它的三级结构进行了分析(图3),结果表明,该蛋白含有一个保守的MFS结构域,与 PsSUT1 蛋白最相近的模板为5a2n.1.A,序列相似度为27%,GMQE值为0.41,QMENA值为0.45,说明匹配度适中。蛋白三级结构为同型二聚体,没有检测到蛋白-配体相互作用且蛋白氨基酸折叠相似度高。
2.3 牡丹 SUT1基因蔗糖转运活性分析
2.3.1 酵母重组表达载体的构建及其对SUSY7/ura3酵母突变体的转化
以pMD18-T-PsSUT1质粒为模板,使用 PsSUT1-Fb和 PsSUT1-Rb引物进行PCR扩增,获得用于酵母异源表达的 PsSUT1基因片段。将重组质粒pMD18-T-PsSUT1和pDR196质粒进行双酶切,将酶切胶回收产物通过T4连接酶整合成酵母表达载体pDR196-PsSUT1。将构建好的载体使用Spe I和Pst I酶进行双酶切验证,结果如图4所示,凝胶电泳检测出现两条条带,长度与预期大小一致,说明成功构建了酵母重组表达载体pDR196-PsSUT1。
2.3.2 PsSUT1 蛋白蔗糖转运活性分析
将构建的重组酵母表达载体pDR196-PsSUT1、pDR196质粒转化至SUSY7/ura3酵母突变体之后,培养结果显示(图5),当培养基的唯一碳源为蔗糖时,含pDR196-PsSUT1重组质粒的酵母突变体可以正常生长,而对照组含空载体pDR196的酵母突变体则不能良好生长。
当培养基的唯一碳源为葡萄糖时,含pDR196-PsSUT1重组质粒的酵母突变体与对照组含空载体 pDR196 的酵母突变体生长状况一致,均能良好地生长。这说明牡丹PsSUT1基因能够表达具有蔗糖转运活性的蛋白。
2.4 牡丹 PsSUT1 蛋白亚细胞定位分析
2.4.1 亚细胞定位载体构建
使用Gateway反应体系构建载体,将目的基因与中间克隆载体 pDNOR207连接,形成入门克隆载体,再经过 LR 反应获得亚细胞定位载体PK7WGF2.0 GFP-PsSUT1。LR反应菌液PCR琼脂糖凝胶电泳结果如图6所示,PCR产物大小与目的基因大小一致,菌液送尚亚公司测序,测序结果与目的基因序列一致,说明亚细胞定位载体构建成功。
2.4.2 PsSUT1 蛋白的亚细胞定位
将构建好的GFP融合表达载体注射到烟草的下表皮组织内,使连接了绿色荧光蛋白基因的 PsSUT1基因在烟草叶片中瞬时表达。将注射后培养两天的烟草叶片置于激光共聚焦显微镜下观察,结果显示(图7)牡丹 PsSUT1 蛋白亚细胞定位于细胞质膜上,与预测结果一致。
2.5 牡丹 PsSUT1基因异源表达分析
2.5.1 转基因拟南芥的鉴定
构建 PsSUT1基因过表达载体,为了检验T0代转基因拟南芥阳性苗,提取PsSUT1转基因拟南芥DNA进行PCR检测,结果如图8所示。10株T0代转PsSUT1基因拟南芥中9个有条带,一个没有条带,有条带的植株为转基因阳性苗。为了进一步验证牡丹PsSUT1基因是否在拟南芥中稳定表达,分别提取了3个株系的牡丹PsSUT1基因T3代转基因阳性苗和野生型拟南芥的总RNA进行半定量检测,以内参基因Actin作为对照,结果如图9所示,内参基因在野生型拟南芥和转基因拟南芥中均正常表达,而目的基因PsSUT1在野生型拟南芥中不表达,但在T3代阳性幼苗中正常表达,说明PsSUT1基因在转基因阳性苗中稳定表达。
2.5.2 转基因拟南芥形态学特征测定
通过观察转基因拟南芥T3代植株生长情况,发现生长20 d的拟南芥PsSUT1转基因阳性苗与野生型拟南芥相比,生长情况优于野生型拟南芥(图10A)。生长45 d的拟南芥(图10B,表2),3个株系的PsSUT1转基因阳性苗与野生型拟南芥相比,地上部分干重平均增加了46.35%,株高增加了50.44%,种荚数增加了40.54%。结果表明牡丹PsSUT1基因可能促进了植物体内蔗糖的运输,从而促进了植物的生长发育。
2.5.3 转基因拟南芥蔗糖含量测定
以30 d的野生型拟南芥和转基因拟南芥(3个株系)的葉片和花瓣为试验材料进行蔗糖含量的测定,结果显示(图11),野生型拟南芥叶片的蔗糖含量1.84 mg·g-1,3个转基因拟南芥株系叶片的平均蔗糖含量为1.25 mg·g-1,显著下降32.06%。野生型拟南芥花瓣的蔗糖含量为1.19 mg·g-1,3个转基因拟南芥株系花瓣的平均蔗糖含量为3.43 mg·g-1,是野生型拟南芥的2.88倍。说明PsSUT1基因在拟南芥中的过量表达可能促进了光合产物在源叶韧皮部的装载和在库器官花瓣中的卸载,从而使转基因拟南芥叶片中的蔗糖含量下降,而花瓣中的蔗糖含量增加。
2.5.4 转基因拟南芥对外源蔗糖的利用
将转基因拟南芥和野生型拟南芥分别播种在蔗糖浓度为3%、6%和9%的培养基上,20 d后,拟南芥的生长情况如图12。在蔗糖浓度为3%的培养基上,转基因拟南芥和野生型拟南芥生长均正常,与野生型相比,转基因植株明显高于野生型拟南芥,平均根长为2.6 cm,明显高于野生型拟南芥根长1.38 cm。在蔗糖浓度为6%和9%的培养基上,野生型拟南芥的生长受到抑制,植株矮小,根系发育受阻,叶片中出现花青素的积累,而 PsSUT1转基因植株生长正常,根长平均为2.3 cm和3 cm,叶片发育正常,没有花青素积累。这表明PsSUT1基因可以促进拟南芥对外源蔗糖的吸收和利用。
3 讨论与结论
本研究从牡丹中克隆得到了蔗糖转运蛋白基因 PsSUT1,该基因包含1 557 bp的开放阅读框,编码519个氨基酸。氨基酸保守基序分析发现牡丹PsSUT1基因氨基酸有6个保守基序,且Motif 1为MFS转运蛋白家族保守结构域。小麦 TaSUT1A 蛋白在33-253区有SUT基因特有的保守结构域,属于 MFS 基因家族[17]。菜豆 PvSUT1.1 蛋白7-239区[18]中也同样发现了 MFS 家族保守结构域。因此说明 PsSUT1 蛋白在进化过程中较为保守。
将牡丹 PsSUT1基因转入缺陷型酵母 SUSY7/ura3中,酵母在以蔗糖为唯一碳源的培养基上正常生长,恢复了酵母吸收利用蔗糖的能力,说明 PsSUT1 具有蔗糖转运活性,这个与苹果 MdSUT1基因[19]、甘薯 IbSUT3基因[20]和黄瓜CsSUT1基因[21]等的研究结果一致。自Riesmeier等[22]第1次通过利用酵母突变体,证明菠菜SoSUT1基因具有蔗糖转运能力,通过酵母突变体表达体系验证SUT家族基因蔗糖转运能力的方法被人们广泛使用。因此推测牡丹 PsSUT1参与了植物体内蔗糖的转运,是具有蔗糖转运功能的膜蛋白。
拟南芥 AtSUC2基因作为牡丹PsSUT1基因同源基因,主要负责植物韧皮部蔗糖的运输功能,其突变体植株会出现植株矮小,营养组织积累淀粉和蔗糖的现象[23]。马铃薯、玉米和水稻的SUT1基因突变体均出现蔗糖运输受损,积累在叶片中导致植株生长发育不良[24]。本研究将牡丹PsSUT1基因在拟南芥中异源表达之后,在营养生长阶段,叶片蔗糖含量显著性下降,而花瓣中蔗糖含量显著性上升,此外,转基因拟南芥的株高、种荚数、地上部分干重也明显增加。因此推测是因为过表达牡丹PsSUT1基因促使源叶中蔗糖装载和花瓣蔗糖的卸载能力增强,从而促进了植物的生长。蔗糖不仅是植物体内碳代谢的必须来源,还可以作为信号分子参与调控植物的生长发育[25]。研究[26]表明,蔗糖可以特异性地调节相应的蔗糖转运蛋白的转录与翻译。拟南芥AtSUC1基因[27]会受到外源蔗糖影响表达量增加。本文研究发现,在高浓度的外源蔗糖培养基上,野生型的拟南芥生长受到抑制,出现植株矮小,根系和叶片生长弱且叶片花青苷积累的现象,而PsSUT1转基因植株均能有效的缓解外源的高浓度蔗糖,生长正常而且根系发育增强。说明牡丹PsSUT1基因可能参与了植物蔗糖信号响应过程,而促进了植物体内蔗糖装载、运输和卸载过程。本研究为改善盆栽牡丹生长与发育状况提供生物学方面的理论证据和技术支撑。
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(責任编辑:编辑郭芸婕)
收稿日期:中文收稿日期2022-08-03
基金项目:河南省科技攻关项目(192102110062);河南农业大学科技创新基金项目(KJCX2019A05)
作者简介:韩静静(1996—),女,硕士研究生,专业方向为园林植物分子生物学。
*通信作者:栗燕(1978—),女,高级实验师,从事园林植物栽培生理与分子生物学方向的研究,e-mail:yanli1978@163.com。