甘蔗茉莉酸甲基轉移酶基因ScJMT的克隆與表達分析
發(fā)布時間：2021-11-27 07:40
茉莉酸類物質作為植物體內的內源調節(jié)激素,對植物生長發(fā)育以及植物對逆境脅迫的響應起著重要作用。茉莉酸甲基轉移酶（jasmonic acid carboxyl methyltransferase, JMT）是茉莉酸甲酯合成途徑中最后催化茉莉酸合成茉莉酸甲酯的關鍵酶,控制著植物體內茉莉酸類物質的轉化進而影響植物對生物脅迫和非生物脅迫的抵抗能力。本研究基于甘蔗（Saccharum spp. hybrids）轉錄組數據庫,克隆出了甘蔗茉莉酸甲基轉移酶ScJMT基因ORF全長序列（GenBank No. MK784565）,對該基因進行生物信息學分析并通過qRT-PCR檢測不同組織和不同脅迫處理下該基因的表達水平。生物信息學分析結果顯示,ScJMT基因開放閱讀框為1 110 bp,編碼369個氨基酸,等電點為5.28,不穩(wěn)定系數為56.76,平均疏水性值為-0.135,預測ScJMT基因編碼的蛋白為不穩(wěn)定酸性親水蛋白。α-螺旋結構和無規(guī)則卷曲預測是其二級結構和三級結構主要元件,含有Methyltransf7超家族的Methyltransf7保守結構域。系...
【文章來源】：農業(yè)生物技術學報. 2020,28(11)北大核心CSCD
【文章頁數】：11 頁
【部分圖文】：
Sc JMT基因在甘蔗不同組織中的表達特異性分析
現(xiàn)有研究證明，JMT基因廣泛參與了植物各類對非生物脅迫的防御反應。安汶鎧等(2017)沉默棉花Gh JMT基因發(fā)現(xiàn)棉花對干旱脅迫的抵抗能力顯著降低；而在PEG脅迫下，棉花葉片中Gh JMT的表達量在處理后的6～12 h顯著上調(楊藝,張富春,2015);Choi等(2003)通過構建的過表達At JMT基因的轉基因擬南芥，發(fā)現(xiàn)在高鹽環(huán)境下種子的發(fā)芽率顯著高于野生對照型，且轉基因植株對冷害、旱害和病原菌等逆境的抵抗能力明顯提高。本研究發(fā)現(xiàn)Sc JMT在PEG、Na Cl和ABA脅迫下均提高表達，且對PEG脅迫反應最迅速，處理6 h后表達量迅速上升，約為對照的45.53倍。上述結果表明甘蔗的Sc JMT基因可能在逆境脅迫下通過提高自身的表達量來激活JA的生物合成，從而提升抗逆能力。這與孫凱文等(2019)和Dammann等(1997)的研究結果相似，其發(fā)現(xiàn)外源ABA能夠激活JA通路上的基因表達進而提高內源性JA的表達水平。本研究發(fā)現(xiàn)噴施Me JA的甘蔗在12和24 h后Sc JMT基因的表達水平與對照沒有明顯差異，這可能與茉莉酸通路上的信號傳導速度相關。大量研究表明，茉莉酸通路對外界環(huán)境刺激極為敏感，通常在1～2 h的刺激下就能夠響應(Baldwin et al.,1997;Robert,John,1995)。因此未來可能需要通過進一步縮短檢測時間從而進一步確定該基因對Me JA的相應情況。大量研究結果表明，植物的茉莉酸通路在應對各種生物脅迫中發(fā)揮著重要的作用。近年來發(fā)現(xiàn)茉莉酸甲酯在植物抗蟲方面的作用顯著。通過外源增施茉莉酸甲酯，顯著提高了水稻(吳瑩瑩,2008)、棉花(馬廣民等,2018)和長白落葉松(姜礅等,2016)等植物抵抗褐飛虱(Nilaparvata lugens)、棉蚜(Aphis gossypii)、斜紋夜蛾(Spodoptera litura)和舞毒蛾(Lymantria dispar)的能力。因此，作為茉莉酸甲酯形成的關鍵基因，JMT可以將茉莉酸甲基化形成茉莉酸甲酯，從而改變茉莉酸的代謝水平，也可能通過直接影響茉莉酸途徑中關鍵酶基因的表達來影響茉莉酸及相關代謝物的表達水平，從而提高植物對生物脅迫的抗性(Qi et al.,2016)。本研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗被粘蟲(M.separata)取食后Sc JMT基因呈現(xiàn)2倍的上調，因此推測甘蔗通過上調Sc JMT基因，激活茉莉酸通路相關代謝途徑，從而提高自身抗蟲能力。類似的研究結果也在水稻、棉花中有相關報道，二化螟(Chilo suppressalis)和褐飛虱(Nilaparvata lugens)取食均能顯著誘導水稻Os JMT1的表達(韓秀,2012)，井維霞(2017)發(fā)現(xiàn)棉花在棉鈴蟲取食下Gh JMT的表達量極大提高。而通過過表達JMT基因的轉基因植株，還表現(xiàn)出了降低昆蟲取食的特性，例如過表達Sm JMT的丹參植株在棉鈴蟲取食下葉片損傷程度是野生型的1/2。因此本研究結果，為甘蔗抗蟲基因的挖掘提供了一個方向。
本研究克隆了一個Sc JMT基因全長序列，通過數據庫比對預測該基因翻譯的蛋白結構域中包含了一個Methyltransf＿7超家族的Methyltransf＿7結構域，屬于SABATH甲基轉移酶家族。該基因家族酶通常以植物體內激素類物質或者信號分子為底物，形成甲酯類物質。黃銘坤等(2011)研究發(fā)現(xiàn)大部分甲酯類物質都與植物的氣味合成相關，且對植物生長發(fā)育及抵御外界不利環(huán)境具有重要作用。進一步通過序列比對分析，顯示JMT在不同植物中序列差異較大，甘蔗Sc JMT的序列與其他禾本科植物的序列相似性從最高的90.4%低至48.4%。而系統(tǒng)進化樹結果顯示，單子葉植物和雙子葉植物的JMT蛋白親緣關系較遠，分別聚集在不同的大簇上。上述結果表明不同植物的JMT蛋白可能在功能上保守，而在序列上具有較大的差異。進一步對Sc JMT基因的組織表達檢測發(fā)現(xiàn)，基因在甘蔗根莖葉中均有表達，僅莖部表達量最高，但是與根和葉片相比沒有表現(xiàn)出明顯的表達差異(圖4)。而在模式植物擬南芥(A.thaliana)中，At JMT僅在成熟植株的蓮座、莖生葉、花中有表達，而在根和莖中不表達(Seo et al.,2001)；同樣，蕙蘭(Cymbidium faberi)的Cf JMT在特異性在花中的表達量最高(Xu et al.,2019)。因此，開花植物的JMT基因可能與花器官的形態(tài)建成和氣味合成有重要作用。由于目前生長上所用的栽培種甘蔗均是不開花品種，該結果提示甘蔗的Sc JMT基因與甘蔗氣味合成沒有直接關系，因此沒有表現(xiàn)出特別的表達偏好。
本文編號：3521834
【文章來源】：農業(yè)生物技術學報. 2020,28(11)北大核心CSCD
【文章頁數】：11 頁
【部分圖文】：
Sc JMT基因在甘蔗不同組織中的表達特異性分析
現(xiàn)有研究證明，JMT基因廣泛參與了植物各類對非生物脅迫的防御反應。安汶鎧等(2017)沉默棉花Gh JMT基因發(fā)現(xiàn)棉花對干旱脅迫的抵抗能力顯著降低；而在PEG脅迫下，棉花葉片中Gh JMT的表達量在處理后的6～12 h顯著上調(楊藝,張富春,2015);Choi等(2003)通過構建的過表達At JMT基因的轉基因擬南芥，發(fā)現(xiàn)在高鹽環(huán)境下種子的發(fā)芽率顯著高于野生對照型，且轉基因植株對冷害、旱害和病原菌等逆境的抵抗能力明顯提高。本研究發(fā)現(xiàn)Sc JMT在PEG、Na Cl和ABA脅迫下均提高表達，且對PEG脅迫反應最迅速，處理6 h后表達量迅速上升，約為對照的45.53倍。上述結果表明甘蔗的Sc JMT基因可能在逆境脅迫下通過提高自身的表達量來激活JA的生物合成，從而提升抗逆能力。這與孫凱文等(2019)和Dammann等(1997)的研究結果相似，其發(fā)現(xiàn)外源ABA能夠激活JA通路上的基因表達進而提高內源性JA的表達水平。本研究發(fā)現(xiàn)噴施Me JA的甘蔗在12和24 h后Sc JMT基因的表達水平與對照沒有明顯差異，這可能與茉莉酸通路上的信號傳導速度相關。大量研究表明，茉莉酸通路對外界環(huán)境刺激極為敏感，通常在1～2 h的刺激下就能夠響應(Baldwin et al.,1997;Robert,John,1995)。因此未來可能需要通過進一步縮短檢測時間從而進一步確定該基因對Me JA的相應情況。大量研究結果表明，植物的茉莉酸通路在應對各種生物脅迫中發(fā)揮著重要的作用。近年來發(fā)現(xiàn)茉莉酸甲酯在植物抗蟲方面的作用顯著。通過外源增施茉莉酸甲酯，顯著提高了水稻(吳瑩瑩,2008)、棉花(馬廣民等,2018)和長白落葉松(姜礅等,2016)等植物抵抗褐飛虱(Nilaparvata lugens)、棉蚜(Aphis gossypii)、斜紋夜蛾(Spodoptera litura)和舞毒蛾(Lymantria dispar)的能力。因此，作為茉莉酸甲酯形成的關鍵基因，JMT可以將茉莉酸甲基化形成茉莉酸甲酯，從而改變茉莉酸的代謝水平，也可能通過直接影響茉莉酸途徑中關鍵酶基因的表達來影響茉莉酸及相關代謝物的表達水平，從而提高植物對生物脅迫的抗性(Qi et al.,2016)。本研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗被粘蟲(M.separata)取食后Sc JMT基因呈現(xiàn)2倍的上調，因此推測甘蔗通過上調Sc JMT基因，激活茉莉酸通路相關代謝途徑，從而提高自身抗蟲能力。類似的研究結果也在水稻、棉花中有相關報道，二化螟(Chilo suppressalis)和褐飛虱(Nilaparvata lugens)取食均能顯著誘導水稻Os JMT1的表達(韓秀,2012)，井維霞(2017)發(fā)現(xiàn)棉花在棉鈴蟲取食下Gh JMT的表達量極大提高。而通過過表達JMT基因的轉基因植株，還表現(xiàn)出了降低昆蟲取食的特性，例如過表達Sm JMT的丹參植株在棉鈴蟲取食下葉片損傷程度是野生型的1/2。因此本研究結果，為甘蔗抗蟲基因的挖掘提供了一個方向。
本研究克隆了一個Sc JMT基因全長序列，通過數據庫比對預測該基因翻譯的蛋白結構域中包含了一個Methyltransf＿7超家族的Methyltransf＿7結構域，屬于SABATH甲基轉移酶家族。該基因家族酶通常以植物體內激素類物質或者信號分子為底物，形成甲酯類物質。黃銘坤等(2011)研究發(fā)現(xiàn)大部分甲酯類物質都與植物的氣味合成相關，且對植物生長發(fā)育及抵御外界不利環(huán)境具有重要作用。進一步通過序列比對分析，顯示JMT在不同植物中序列差異較大，甘蔗Sc JMT的序列與其他禾本科植物的序列相似性從最高的90.4%低至48.4%。而系統(tǒng)進化樹結果顯示，單子葉植物和雙子葉植物的JMT蛋白親緣關系較遠，分別聚集在不同的大簇上。上述結果表明不同植物的JMT蛋白可能在功能上保守，而在序列上具有較大的差異。進一步對Sc JMT基因的組織表達檢測發(fā)現(xiàn)，基因在甘蔗根莖葉中均有表達，僅莖部表達量最高，但是與根和葉片相比沒有表現(xiàn)出明顯的表達差異(圖4)。而在模式植物擬南芥(A.thaliana)中，At JMT僅在成熟植株的蓮座、莖生葉、花中有表達，而在根和莖中不表達(Seo et al.,2001)；同樣，蕙蘭(Cymbidium faberi)的Cf JMT在特異性在花中的表達量最高(Xu et al.,2019)。因此，開花植物的JMT基因可能與花器官的形態(tài)建成和氣味合成有重要作用。由于目前生長上所用的栽培種甘蔗均是不開花品種，該結果提示甘蔗的Sc JMT基因與甘蔗氣味合成沒有直接關系，因此沒有表現(xiàn)出特別的表達偏好。
本文編號：3521834
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