甘蔗茉莉酸甲基轉(zhuǎn)移酶基因ScJMT的克隆與表達(dá)分析
發(fā)布時間：2021-11-27 07:40
茉莉酸類物質(zhì)作為植物體內(nèi)的內(nèi)源調(diào)節(jié)激素,對植物生長發(fā)育以及植物對逆境脅迫的響應(yīng)起著重要作用。茉莉酸甲基轉(zhuǎn)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(guān)鍵酶,控制著植物體內(nèi)茉莉酸類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化進(jìn)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(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫,克隆出了甘蔗茉莉酸甲基轉(zhuǎn)移酶ScJMT基因ORF全長序列（GenBank No. MK784565）,對該基因進(jìn)行生物信息學(xué)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(dá)水平。生物信息學(xué)分析結(jié)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(shù)為56.76,平均疏水性值為-0.135,預(yù)測ScJMT基因編碼的蛋白為不穩(wěn)定酸性親水蛋白。α-螺旋結(jié)構(gòu)和無規(guī)則卷曲預(yù)測是其二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)主要元件,含有Methyltransf7超家族的Methyltransf7保守結(jié)構(gòu)域。系...
【文章來源】：農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報. 2020,28(11)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
Sc JMT基因在甘蔗不同組織中的表達(dá)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(yīng)。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(dá)量在處理后的6～12 h顯著上調(diào)(楊藝,張富春,2015);Choi等(2003)通過構(gòu)建的過表達(dá)At JMT基因的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)，且對PEG脅迫反應(yīng)最迅速，處理6 h后表達(dá)量迅速上升，約為對照的45.53倍。上述結(jié)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(dá)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(jié)果相似，其發(fā)現(xiàn)外源ABA能夠激活JA通路上的基因表達(dá)進(jìn)而提高內(nèi)源性JA的表達(dá)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(dá)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(dǎo)速度相關(guān)。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(yīng)(Baldwin et al.,1997;Robert,John,1995)。因此未來可能需要通過進(jìn)一步縮短檢測時間從而進(jìn)一步確定該基因?qū)e JA的相應(yīng)情況。大量研究結(jié)果表明，植物的茉莉酸通路在應(yīng)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(guān)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(guān)鍵酶基因的表達(dá)來影響茉莉酸及相關(guān)代謝物的表達(dá)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(diào)，因此推測甘蔗通過上調(diào)Sc JMT基因，激活茉莉酸通路相關(guān)代謝途徑，從而提高自身抗蟲能力。類似的研究結(jié)果也在水稻、棉花中有相關(guān)報道，二化螟(Chilo suppressalis)和褐飛虱(Nilaparvata lugens)取食均能顯著誘導(dǎo)水稻Os JMT1的表達(dá)(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(dá)量極大提高。而通過過表達(dá)JMT基因的轉(zhuǎn)基因植株，還表現(xiàn)出了降低昆蟲取食的特性，例如過表達(dá)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(jié)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(shù)據(jù)庫比對預(yù)測該基因翻譯的蛋白結(jié)構(gòu)域中包含了一個Methyltransf＿7超家族的Methyltransf＿7結(jié)構(gòu)域，屬于SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族。該基因家族酶通常以植物體內(nèi)激素類物質(zhì)或者信號分子為底物，形成甲酯類物質(zhì)。黃銘坤等(2011)研究發(fā)現(xiàn)大部分甲酯類物質(zhì)都與植物的氣味合成相關(guān)，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(jìn)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(jìn)化樹結(jié)果顯示，單子葉植物和雙子葉植物的JMT蛋白親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，分別聚集在不同的大簇上。上述結(jié)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(jìn)一步對Sc JMT基因的組織表達(dá)檢測發(fā)現(xiàn)，基因在甘蔗根莖葉中均有表達(dá)，僅莖部表達(dá)量最高，但是與根和葉片相比沒有表現(xiàn)出明顯的表達(dá)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(dá)，而在根和莖中不表達(dá)(Seo et al.,2001)；同樣，蕙蘭(Cymbidium faberi)的Cf JMT在特異性在花中的表達(dá)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(jié)果提示甘蔗的Sc JMT基因與甘蔗氣味合成沒有直接關(guān)系，因此沒有表現(xiàn)出特別的表達(dá)偏好。
本文編號：3521834
【文章來源】：農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報. 2020,28(11)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
Sc JMT基因在甘蔗不同組織中的表達(dá)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(yīng)。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(dá)量在處理后的6～12 h顯著上調(diào)(楊藝,張富春,2015);Choi等(2003)通過構(gòu)建的過表達(dá)At JMT基因的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)，且對PEG脅迫反應(yīng)最迅速，處理6 h后表達(dá)量迅速上升，約為對照的45.53倍。上述結(jié)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(dá)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(jié)果相似，其發(fā)現(xiàn)外源ABA能夠激活JA通路上的基因表達(dá)進(jìn)而提高內(nèi)源性JA的表達(dá)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(dá)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(dǎo)速度相關(guān)。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(yīng)(Baldwin et al.,1997;Robert,John,1995)。因此未來可能需要通過進(jìn)一步縮短檢測時間從而進(jìn)一步確定該基因?qū)e JA的相應(yīng)情況。大量研究結(jié)果表明，植物的茉莉酸通路在應(yīng)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(guān)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(guān)鍵酶基因的表達(dá)來影響茉莉酸及相關(guān)代謝物的表達(dá)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(diào)，因此推測甘蔗通過上調(diào)Sc JMT基因，激活茉莉酸通路相關(guān)代謝途徑，從而提高自身抗蟲能力。類似的研究結(jié)果也在水稻、棉花中有相關(guān)報道，二化螟(Chilo suppressalis)和褐飛虱(Nilaparvata lugens)取食均能顯著誘導(dǎo)水稻Os JMT1的表達(dá)(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(dá)量極大提高。而通過過表達(dá)JMT基因的轉(zhuǎn)基因植株，還表現(xiàn)出了降低昆蟲取食的特性，例如過表達(dá)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(jié)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(shù)據(jù)庫比對預(yù)測該基因翻譯的蛋白結(jié)構(gòu)域中包含了一個Methyltransf＿7超家族的Methyltransf＿7結(jié)構(gòu)域，屬于SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族。該基因家族酶通常以植物體內(nèi)激素類物質(zhì)或者信號分子為底物，形成甲酯類物質(zhì)。黃銘坤等(2011)研究發(fā)現(xiàn)大部分甲酯類物質(zhì)都與植物的氣味合成相關(guān)，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(jìn)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(jìn)化樹結(jié)果顯示，單子葉植物和雙子葉植物的JMT蛋白親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，分別聚集在不同的大簇上。上述結(jié)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(jìn)一步對Sc JMT基因的組織表達(dá)檢測發(fā)現(xiàn)，基因在甘蔗根莖葉中均有表達(dá)，僅莖部表達(dá)量最高，但是與根和葉片相比沒有表現(xiàn)出明顯的表達(dá)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(dá)，而在根和莖中不表達(dá)(Seo et al.,2001)；同樣，蕙蘭(Cymbidium faberi)的Cf JMT在特異性在花中的表達(dá)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(jié)果提示甘蔗的Sc JMT基因與甘蔗氣味合成沒有直接關(guān)系，因此沒有表現(xiàn)出特別的表達(dá)偏好。
本文編號：3521834
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