桃果实ζ—胡萝卜素脱氢酶基因克隆及表达分析
2018-09-10梁敏华杨震峰苏新国宋春波
梁敏华 杨震峰 苏新国 宋春波
摘要:【目的】克隆桃果實ζ-胡萝卜素脱氢酶基因(PpZDS)的全长序列,并对其进行生物信息学及表达分析,为研究桃果实类胡萝卜素生物合成的分子机理提供参考。【方法】从黄肉品种桃果实中克隆PpZDS基因,对其进行生物信息学分析,并通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测其在桃果实不同成熟期的表达情况。【结果】克隆获得的PpZDS基因全长2014 bp,具有完整的编码区,长度为1716 bp,编码571个氨基酸。PpZDS蛋白含有ZDS特征序列(KVAIIGAGLAGMSTAVELLDQGHEVDIYESR),属于NAD_binding_8超级家族保守结构域。PpZDS蛋白与同为蔷薇目的苹果(gi|33313474)和草莓(gi|256041892)的ZDS蛋白亲缘关系较近,物种间分化程度较小。整个桃果实成熟期PpZDS基因在果肉和果皮中均有表达,从软核期至硬熟期均呈逐渐升高趋势,硬熟期达最高,完熟期降低;不同桃果实发育期果肉中的PpZDS基因表达量均大于果皮中表达量,其中硬核期、硬熟期和完熟期的桃果实中PpZDS基因在果肉中的表达量显著高于果皮中的表达量(P<0.05)。【结论】PpZDS基因表达对桃果实类胡萝卜素生物合成及呈色发挥正向调控作用。
关键词: 桃;果实;ζ-胡萝卜素脱氢酶(ZDS);基因克隆;成熟期;表达分析
中图分类号: S662.103.6 文献标志码:A 文章编号:2095-1191(2018)05-0825-07
Abstract:【Objective】Full-length sequence of ζ-carotene desaturase(PpZDS) gene in peach fruit was cloned and its bioinformatics analysis and expression analysis were also conducted to provide reference for the study of biosynthetic molecular mechanism of carotene organisms in peach fruits. 【Method】PpZDS gene in peach fruit from yellow peach variety was tested and its bioinformatics analysis was carried out. Real-time fluorescence quantitative PCR(qRT-PCR)was used to test its expression in different developmental stages. 【Result】The cloned gene PpZDS was 2014 bp in full length, it contained complete coding region of 1716 bp, and encoded 571 amino acids. PpZDS protein contained the characteristic sequence of ZDS(KVAIIGAGLAGMSTAVELLDQGHEVDIYESR), which belonged to the NAD_binding_8 super familyconserved domains. PpZDS protein showed close genetic relationship with ZDS protein in apple(gi|33313474)and strawberry(gi|256041892)which belonged to Rosales order and differentiation degree between different species was low. Gene PpZDS showed expression in both flesh and peel during whole peach fruit maturation period, and the expression showed a tendency of gradual increase from soft-core stage to firm-ripe stage,reaching the highest at firm-ripe stage,and then decreased at full ripe stage. The expression of gene PpZDS in the fresh was generally higher than that in the peel at different maturation periods. When peach fruit was at firm-core stage, firm-ripe stage and full ripe stage,expression of gene PpZDS in the fruit fresh was significantly higher than the expression in the peel(P<0.05). 【Conclusion】The expression of gene PpZDS can be involved in the positive regulation of peach fruit carotenoid biosynthesis and color appearance
Key words: peach; fruit; ζ-carotene desaturase(ZDS); gene cloning; maturation period; expression analysis
0 引言
【研究意义】桃(Prunus persica L.)为蔷薇科梅属多年生大型木本植物,其果实色、香、味俱全,营养丰富,根据桃果肉颜色,可分为白肉品种、黄肉品种和红肉品种。黄肉品种桃果实中的主要色素成分为类胡萝卜素(Caprioli et al.,2009),其活性组分为番茄红素、β-胡萝卜素和β-隐黄素等,对降低癌症和心血管疾病发病率、减少黄斑变性、预防白内障等具有积极作用(Sharoni et al.,2012;Meyers et al.,2014)。因此,深入了解桃果实中类胡萝卜素的生物合成规律及调控机制对黄肉桃新品种选育及果实贮藏加工具有重要意义。【前人研究进展】植物类胡萝卜素生物合成的中间产物(牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸、八氢番茄红素、ζ-胡萝卜素和番茄红素),分别由牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶、八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶和ζ-胡萝卜素脱氢酶(ζ-carotene desaturase,ZDS)等催化完成(高慧君等,2015)。其中,ζ-胡萝卜素在ZDS的催化作用下生成链孢红素,经脱氢反应生成番茄红素(Breitenbach and sandmann,2005;Pogson et al.,2008)。ZDS作为类胡萝卜素生物合成途径中的重要限速酶,其基因表达分析与蛋白功能鉴定已成为研究热点。Cong等(2010)研究表明,ZDS在小麦花絮中活性较高,在根部和种子中检测不到活性,但是否存在ZDS的催化反应尚待进一步研究。Yan等(2011)、Araya-Garay等(2014)研究表明,不同植物ZDS的氨基酸序列同源性较高,N端含有一个二核苷酸结合域,可能与ZDS特异性催化功能有关。Avendano-Vazquez等(2014)研究表明,抑制拟南芥植株中ZDS活性会导致β-胡萝卜素和叶黄素含量降低。Li等(2017)研究表明,在转基因甘薯植株中ZDS基因表达诱导了β-胡萝卜素和叶黄素的合成积累,提高了植株的耐盐特性。Sun等(2018)研究表明,ZDS基因在芥蓝不同发育阶段的组织器官中均有表达,其中在芽期和幼苗期表达水平较低,在成熟期表达水平显著升高,且ZDS基因在芥蓝叶子中的表达水平显著高于其他组织器官。此外,ZDS基因的表达在柑橘(Kato et al.,2004)、李子(Marty et al.,2005)、奇异果(Ampomah-Dwamena et al.,2009)、番木瓜(Yan et al.,2011)、葡萄(Costa et al.,2012)等水果发育成熟及显色过程中发挥正向调控作用。【本研究切入点】目前,鲜见有关桃果实ZDS基因(PpZDS)克隆及表达分析的研究报道。【拟解决的关键问题】从黄肉品种桃果实中克隆PpZDS基因,并通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测其在桃果实不同成熟期的表达情况,为类胡萝卜素生物合成的分子调控机制研究打下基础。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
供试黄肉桃果实品种金丽由浙江省奉化市水蜜桃研究所提供。分别在软核期(盛花后35~45 d)、硬核期(盛花后55~65 d)、膨大期(盛花后95~105 d)、硬熟期(盛花后105~120 d)和完熟期(盛花后120~150 d)等不同桃果实成熟期进行采摘备用。
植物RNA提取试剂盒购自美国Omega公司,第一链cDNA合成试剂盒购自康为世纪生物科技(北京)有限公司,载体pMD18-T、宿主菌体大肠杆菌DH5α感受态细胞、3'和5'末端序列扩增试剂盒购自日本TaKaRa公司,凝胶回收试剂盒购自天根生化科技(北京)有限公司,实时荧光定量PCR试剂盒购自美国Thermo公司。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 总RNA提取 参照植物RNA提取试剂盒说明分别提取桃果实的果皮和果肉总RNA,加入适量无Rnase活性的DNaseⅠ酶液,去除残留在总RNA中的微量DNA。
1. 2. 2 第一链cDNA合成 以提取的总RNA为模板,参照第一链cDNA合成试剂盒说明反转录合成第一链cDNA。
1. 2. 3 基因克隆 通过NCBI搜索获得草莓ZDS(FJ795343.1)、苹果ZDS1(AF429983.1)和ZDS2(AF 429984.1)的氨基酸序列,利用Block Maker设计其中间保守区域的简并引物(表1)进行PCR扩增,目的片段长度474 bp。反应体系50.0 ?L:2×Es Taq Master Mix 25.0 ?L,10 ?mol/L上、下游引物(PpZDS-F/PpZDS-R)各2.0 ?L,1000 ng/?L cDNA模板1.0 ?L,Rnase-Free H2O补足至50.0 ?L。扩增程序:94 ℃预变性2 min;94 ℃ 30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,进行33个循环,72 ℃延伸2 min。PCR产物用1.5%琼脂糖凝胶电泳检测,并用凝胶回收试剂盒对目的片段进行回收、纯化。将目的片段连接至pMD18-T载体,并转化至DH5α感受态细胞进行振荡培养,阳性菌液送至上海立菲生物技术公司测序。
利用Block Maker设计参考序列的3'和5'末端特异性RACE PCR扩增引物(3'-PpZDS-F/3'-PpZDS-R,5'-PpZDS-F/5'-PpZDS-R)(表1),目的片段长度分别为872和959 bp。参照3'和5'末端序列扩增试剂盒说明进行RACE PCR扩增。PCR產物同样经上述的回收、纯化、连接、转化及测序。
1. 2. 4 生物信息学分析 利用DNAMAN 5.2.2将PCR扩增获得的中间片段与3'和5'末端序列进行拼接,以获得PpZDS基因全长。采用ExPASy查找其编码区,并预测其编码氨基酸序列和蛋白质理化性质;采用NCBI和GeneDoc 2.7.0进行蛋白质氨基酸序列比对及功能结构域预测,以Predictprotein进行蛋白质亚细胞定位及二级结构预测;以SWISS-MODEL进行蛋白质三级结构预测;并采用MEGA 5.1构建系统发育进化树。
1. 2. 5 qRT-PCR检测 根据拼接获得的PpZDS基因序列,利用Primer 6.0设计其编码区的qRT-PCR引物(表1)。参照实时荧光定量PCR试剂盒检测PpZDS基因在不同桃果实成熟期的表达情况。反应体系25.0 ?L:cDNA模板1.0 ?L,100 ?mol/L上、下游引物各1.0 ?L,SYBR Green PCR混合液13.0 ?L,DEPC水补足至25.0 ?L。扩增程序:95 ℃预变性7 min;95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s;72 ℃延伸15 s。共进行40个循环。以PpTEF2作为内参基因,引物序列(PpTEF2-F/PpTEF2-R)见表1(Tong et al.,2009)。每个反应体系设3个重复,以去离子水为模板作为阴性对照。
1. 2. 6 数据分析 试验数据采用2-ΔΔCt法进行分析,Duncans新复极差法进行显著性分析,并采用Ori-ginPro 9.0进行制图。
2 结果与分析
2. 1 PpZDS基因克隆
由图1可知,PCR扩增得到的中间片段、3'和5'末端序列长度与预期结果相符。测序结果显示,3个目的片段长度分别为474、872和959 bp(图1)。将其进行序列拼接获得PpZDS基因全长,长度为2014 bp。BLAST比对分析结果显示,其与苹果和草莓的ZDS基因具有较高同源性,表明成功克隆获得PpZDS基因序列。
2. 2 生物信息学分析结果
2. 2. 1 理化性质 PpZDS基因具有完整的编码区,编码区长度為1716 bp,编码571个氨基酸,其中酸性氨基酸(天冬氨酸和谷氨酸)与碱性氨基酸(精氨酸和赖氨酸)的数量分别为65和62,等电点(pI)为6.30,呈弱酸性。PpZDS基因编码蛋白PpZDS分子式为C2825H4436N754O827S22,分子量为62.9 kD,脂溶指数为91.72,亲水指数为-0.086,微溶于水。
2. 2. 2 氨基酸序列比对与功能结构域分析 NCBI数据库的BLAST比对分析结果(图2)显示,PpZDS蛋白与苹果(Malus domestica,gi|33313474)、葡萄(Vitis vinifera,gi|399158070)、柚子(Citrus maxima,gi|190576747)、川桑(Morus notabilis,gi|587848957)、番木瓜(Carica papaya,gi|226295512)、烟草(Nicotia-na tabacum,gi|334199824)、向日葵(Helianthus annuus,gi|557798986)、胡萝卜(Daucus carota,gi|7915 5662)和番茄(Solanum lycopersicum,gi|89279380)的ZDS蛋白同源性分别为94%、88%、87%、85%、85%、87%、84%、83%和83%,说明PpZDS蛋白与其他植物的ZDS蛋白同源性较高,克隆结果客观可信,并将该序列上传至NCBI数据库(GenBank登录号KJ789376)。
由图2和图3可知,第10~556位氨基酸为ZDS典型的功能域,第64~94位氨基酸为ZDS特征序列(KVAIIGAGLAGMSTAVELLDQGHEVDIYESR),属于NAD_binding_8超级家族保守结构域。
2. 2. 3 系统发育进化树分析 由图4可知,不同目种植物的ZDS蛋白分别聚类在不同分支,其中,PpZDS蛋白与同为蔷薇目的苹果(gi|33313474)和草莓(Fragaria×ananassa,gi|256041892)ZDS蛋白的亲缘性较近,与菊目的向日葵(gi|557798986)、茄目的烟草(gi|334199824)、桔梗目的菊花(Chrysanthmun×morifolium gi|87299445)、管状花目的番茄(gi|89279380)等植物ZDS蛋白的亲缘性较远。可见,ZDS蛋白在不同目植物之间存在明显分化,同目植物间分化程度较小。
2. 2. 4 蛋白质亚细胞定位及二、三级结构预测 亚细胞定位预测结果显示,PpZDS蛋白定位于叶绿体,可信度为82%。PpZDS蛋白的二级结构元件主要包括α-螺旋、无规则卷曲和β-折叠,其中α-螺旋占24.34%,无规则卷曲占64.80%;β-折叠占10.86%,与蛋白三级结构预测结果(图5)基本吻合。
2. 3 PpZDS基因在桃果实不同成熟期的表达情况
qRT-PCR检测结果显示,反应体系扩增效率为94.1%,处于合理范围(90.0%~110.0%),溶解曲线在80.4 ℃时出现溶解单峰,扩增特异性强,表明设计的qRT-PCR引物可用于检测桃果实不同成熟期PpZDS基因的表达情况。
由图6可知,整个桃果实成熟期PpZDS基因在果肉和果皮中均有表达,从软核期至硬熟期呈逐渐升高趋势,硬熟期达最高,完熟期降低,表明PpZDS基因的表达可能诱导桃果实成熟;不同桃果实成熟期果肉中的PpZDS基因表达量均高于果皮中表达量,其中硬核期、硬熟期和完熟期的桃果实中PpZDS基因在果肉中的表达量显著高于果皮中的表达量(P<0.05),其原因可能是桃果肉中的类胡萝卜素合成量高于果皮。可见,PpZDS基因过表达对桃果实类胡萝卜素的积累及呈色发挥正向调控作用。
3 讨论
ZDS作为类胡萝卜素生物合成途径中的重要限速酶,广泛存在于植物中(高慧君等,2015)。前人研究发现,植物ZDS蛋白均含有NAD_binding_8超级家族保守结构域,在该结构域中存在ZDS特征序列,推测ZDS以NAD(H)作为辅助因子或电子受体发挥独特的催化作用(王柬人等,2012;钟淮钦等,2015)。本研究根据同源蛋白基因序列设计PpZDS基因扩增引物,成功克隆获得PpZDS基因全长序列,长度为2014 bp,具有完整的编码区(长度为1716 bp),编码571个氨基酸,与同为蔷薇目的苹果ZDS蛋白氨基酸序列同源性达94%,第10~556位氨基酸为ZDS典型的功能域,第67~133位氨基酸为ZDS特征序列,属于NAD_binding_8超级家族保守结构域,与上述前人研究结果基本一致,已将该序列上传至NCBI数据库(GenBank登录号KJ789376)。
近年来,大量研究表明,ZDS基因的表达与果实类胡萝卜素的积累及呈色密切相关。Rodrigo等(2004)研究发现,ZDS基因的表达对柑橘果实呈色及色素积累发挥重要的正向调控作用。高新征等(2009)、Chan-Leon等(2017)研究发现,ZDS基因在番木瓜的叶、花和果实中均有表达,但在成熟果实中的表达量明显高于叶和花中的表达量。李永平等(2010)研究发现,ZDS基因在草莓的花和果实中均有表达,表明ZDS基因对果实中类胡萝卜素的积累及花和果实呈色具有重要的调控作用。Wisutiamonkul等(2017)研究发现,ZDS基因的表达与榴莲果实中总类胡萝卜素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素和叶黄素的含量呈显著正向相关,推测ZDS基因是榴莲果实发育过程中类胡萝卜素生物合成的关键调控基因之一。本研究发现,整个桃果实成熟期PpZDS基因在果皮和果肉中均有表达,且从软核期至硬熟期均呈逐渐升高趋势,硬熟期达最高,完熟期降低,但在果肉中表达量均高于果皮,表明PpZDS基因的表达与果实的成熟程度呈正相关,推测PpZDS基因在果实中类胡萝卜素的积累及呈色中发挥调控作用,但具体作用机制有待进一步研究。
4 结论
PpZDS基因表达对桃果实果肉类胡萝卜素生物合成及果皮呈色发挥正向调控作用。
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(責任编辑 陈 燕)