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油菜素甾醇类物质(Brassinosteroids, BRs)是植物中一类多羟基甾醇类化合物,油菜素内酯(Brassinolide, BL)是植物中最早被鉴定出的甾醇类激素,在植物整个生长发育和响应胁迫条件中都发挥了重要作用[1]。BL的生物合成受到多种酶的调控,其中,类固醇22-α羟化酶(DWF4)是最重要限速酶之一,DWF4的含量直接影响到高等植物体内油菜素内酯的合成量[2-3]。DWF4最先在拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)的dwarf4突变体中被鉴定出来[4],该基因编码的蛋白酶属于细胞色素P450单加氧酶(CYP90B1)。目前,BL已在拟南芥和水稻等模式植物中广泛研究,尤其在其合成调控机制和适应胁迫调节方面较为深入。过量表达AtDWF4基因可以显著提高拟南芥分蘖数量、果荚个数及种子的产量[5],而且过表达AtDWF4可以打破由脱落酸引起的抑制种子萌发的现象,从而提高植株抵抗低温胁迫能力[6]。过量表达ZmDWF4可以使玉米叶片变得狭长,叶柄和花茎节间变长、株高增加、果实产量提高、花期提前、抗盐和水分胁迫能力增强[7]。
竹子是禾本科竹亚科一类植物,因其具有生长迅速,且融经济、生态价值为一体等诸多特征而倍受关注。关于竹子的生长发育及其适应性已有大量的研究报道,涉及栽培生理、植物化学、形态解剖、分子生物学等多个方面,尤其是毛竹基因组草图的公布[8]和基因组数据库[9]的建立与共享,极大促进了竹子基础研究的发展。虽然关于竹子内源激素(吲哚乙酸、玉米素、赤霉素、油菜素内酯和脱落酸)在笋期的含量[10-14]、在笋芽中的比例[15]已有相关研究报道,然而关于竹子BL生物合成的相关研究尚未有报道。本研究以重要经济竹种毛竹(Phyllostachys edulis Carr.)为实验材料,通过分离毛竹中DWF4同源基因,在对其基因结构特征分析的基础上,对其蛋白保守结构域,进化关系,组织表达模式以及在高盐、干旱、低温和强光胁迫条件下的表达量变化规律进行了分析,以期为研究该基因在响应不同胁迫的调节机制奠定基础,同时也为深入了解竹子中BL的生物合成及其调控作用提供参考。
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取购买自广西桂林的毛竹种子于实验室条件下培养,培养基质为泥炭:蛭石=7:3,温度28℃,相对湿度50%,光照150 μmol·m-2·s-1,光周期为16 h光照/8 h黑暗,加施B5营养液。取半年生实生苗用于实验处理。
选取长势一致的盆栽毛竹实生苗,从培养基质中整株取出,清水冲洗干净。盐处理:毛竹实生苗根浸泡在400 mmol·L-1的NaCl溶液中,分别取处理1 h(叶片开始出现卷曲)、2、4和6 h(完全卷曲)的叶片;干旱处理:直接将裸根竹苗置于实验室条件下处理,取处理1、2 h(叶片开始出现卷曲)、4和8 h(完全卷曲)的叶片样本;低温处理:将盆栽毛竹实生苗于4℃下进行处理,分别取处理1、2、4、8 h的叶片样本;强光处理:将盆栽毛竹实生苗于1 200 μmol·m-2·s-1强光下培养,分别取1、2、4和8 h叶片样本。各处理均以正常生长的毛竹叶片为对照。另外,取正常生长的盆栽毛竹的根、茎、完全展开叶片、未完全展开叶片、叶鞘和笋样品。所有样品于液氮中速冻,并存放于-80℃冰箱中用于RNA提取。
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利用改良TRIzol法[16]提取毛竹各样本的总RNA,使用DNase I(Promega, 美国)去除残余DNA,并使用反转录试剂盒(Promega, 美国)合成cDNA第一条链。
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以拟南芥中DWF4基因(AT3G50660)为目的序列,在毛竹数据库BambooGDB (http://www.bamboogdb.org/)中Blast得到DWF4基因同源序列。使用Primer Premier 5.0软件设计开放阅读框引物(PeDWF4-F和PeDWF4-R),并由上海生工技术有限公司合成,引物基本信息见表 1。
引物名称
Primer name序列(5′→3′)
Sequence (5′→3′)用途
ApplicationPeDWF4-F ATGGC CTCCATAACCAGCGAG 开放阅读框扩增 PeDWF4-R TTACTCTTCCTCCTGTGCAATTCTATG Open reading frame amplification PeDWF4-F1 GGCTAGGCAACGTGGTCAGG 半定量引物 PeDWF4-R1 TTGTTCTTC CATCTCCAAGGGTT Primers for semi-quantitative analysis PeActin-F GATCTTGCTGGGCGTGACCTC 半定量内参引物 PeActin-R CCATCGGGCATCTCGTAGC Internal reference primers for semi-quantitative analysis PeDWF4-qF GGCTAGGCAACGTGGTCAGG 定量引物 PeDWF4-qR TTGTTCTTCCATCTCCAAGGGTT Primers for quantitative analysis PeNTB-F TCTTGTTTGACACCGAAGAGGAG 定量内参引物 PeNTB-R AATAGCTGTCCCTGGAGGAGTTT Internal reference primers for quantitative analysis Table 1. Primer sequences used for PCR
毛竹分别以叶片cDNA和基因组DNA为模板,使用Prime STAR聚合酶扩增目的基因的编码区序列及其基因组序列。20 μL PCR反应体系:10 × Prime STAR Buffer 2 μL,Prime STAR酶(2.5 U·μL-1)0.2 μL,cDNA(40 ng·mL-1)1 μL,dNTP(dATP、dTTP、dCTP和dGTP各2.5 mmol·L-1)1.6 μL,PeDWF4-F和PeDWF4-R(10 μmol·L-1)各1 μL,ddH2O 3.2 μL。反应条件为:98℃,4 min;98℃ 30 s,64℃ 30 s,72℃ 90 s,34个循环;72℃ 10 min。回收PCR产物,并由上海生工技术有限公司测序。
使用GSDS(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)分析基因结构,用ProtParam (http://web.expasy.org/ protparam/)在线软件分析蛋白的基本理化性质,用ClustalW2[17]比对同源序列并分析保守结构域[18],使用N-J法构建基于DWF4蛋白序列的系统发育进化树。
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从NCBI的数据库(Short Read Archive)中下载毛竹7个不同组织的转录组数据[19],利用PeDWF4基因的表达值绘制基因表达热图(http://www.chibi.ubc.ca/matrix2png/)。
使用引物PeDWF4-F1和PeDWF4-R1对毛竹根、茎、完全展叶片、未完全展开叶片、叶鞘和笋6个组织中表达量进行分析,同时以毛竹PeActin基因为内参进行表达量分析[20]。
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根据PeDWF4基因的特异序列设计定量引物(PeDWF4-qF和PeDWF4-qR),利用qTOWER2.2(Analytik Jena, 德国)PCR仪进行定量分析PCR,每个反应4次重复。反应体系为:LightCycler® 480 SYBR Green I Master Mix(Roche, 美国)5.0 μL,正、反向引物各0.2 μL,cDNA 0.8 μL,ddH2O 3.8 μL。反应程序:95℃ 6 min;95℃ 10 s,63℃ 12 s,共45个循环。同时以毛竹PeNTB作为内参基因[21],引物为PeNTB-F和PeNTB-R(表 1)。3次生物学实验后,利用2-ΔΔCT法[22]分析基因的表达规律。