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磷(P)是植物生长发育所必需的大量营养元素,对细胞组成、能量生成、新陈代谢和信号转导等关键细胞功能都具有重要作用[1]。由于土壤中磷的质量分数及流动性非常低,无机磷成为全球作物生产力的常见限制因素[2],缺磷是作物生产力损失的主要原因之一,因此,提高磷素利用效率对可持续粮食生产至关重要。为了提高磷的利用率,植物通过复杂的反应体系以改善从环境中获取磷素的途径,并在植物内循环中加以利用[3]。单纯地增加磷的吸收只能使磷从环境中输出,因此提高磷从衰老器官向幼嫩器官和发育器官的再利用效率是提高作物磷素利用效率的一个重要发展方向[4]。在许多植物中,磷脂降解是磷再活化的主要驱动因素[5]。
甘油磷酸二酯磷酸二酯酶(GDPD)将甘油磷酸二酯水解为甘油-3-磷酸和相应的醇,是甘油磷酸二酯代谢途径中的重要成员。这类基因被认为在磷酸盐稳态中发挥重要作用[6]。在原核生物和真核生物中都存在GDPD,它在各种生理过程中都发挥着重要作用[7],因此该蛋白具有生化和生物功能多样性。在哺乳动物中,GDPD与G蛋白信号转导、磷酸肌醇代谢、渗透保护、运动神经元分化、细胞骨架组织、成骨细胞分化和成肌分化有关[8]。第1个GDPD编码基因在大肠埃希菌Escherichia coli中被鉴定,它积极参与甘油和甘油-3-磷酸的摄取和代谢,因此在碳水化合物代谢和磷脂生物合成中发挥重要作用[9]。有关植物中GDPD的内容相对较少[10]。GDPD首先在磷饥饿胡萝卜Daucus carota var. sativa、美国梧桐Platanus occidentalis和拟南芥Arabidopsis thaliana细胞悬浮培养物的液泡和细胞壁中被发现[10−11]。细胞膜以磷脂的形式占细胞有机磷的三分之一,因此,在缺磷条件下从膜磷脂中再活化磷可以成为提高磷利用效率的重要策略[12]。
中国的棉花Gossypium栽种始于宋元时期,通过引进新的品种打开了一种区域化、大面积的棉花种植模式[13],此后不断引入种质资源、培育棉花品种,逐步改善了棉花的纤维品质,提高了中国棉花的生产率及效益。1978—2019年中国棉花种植面积逐年减少,中国农业部要求致力提高单产、品质,增加效益[14]。因此必须不断优化棉花品种,提升棉花品质,而缺磷是作物生产力损失的主要原因之一。本研究以陆地棉‘新陆早19’ Gossypium hirsutum ‘Xinluzao 19’为试验材料,克隆了GhGDPD1基因。采用生物信息学工具分析其编码蛋白理化性质,并对其进行表达特性分析,旨在为深入解析棉花GhGDPD1基因的生物学功能提供科学参考,并为培育磷高效利用的棉花新品种提供基因资源。
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采用前期研究筛选出的磷高效陆地棉品种‘新陆早19’为试验材料,在河南科技大学农学院(34°59′N,112°42′E)进行大田种植,选取长势一致的‘新陆早19’植株采集根、茎、叶、花组织,用于分析GhGDPD1基因在4个组织中的表达状况。
将‘新陆早19’种子播种于含干净湿润细沙的塑料盆内,28 ℃恒温培养箱(光照14 h、黑暗10 h)培养至棉苗三叶期,选择长势良好且一致的幼苗移至水培盆中,用 1/2 Hoagland 营养液培养1周后分为2个处理水平,即适磷处理(SP: 1.00 mmol·L−1)和低磷处理(LP: 0.01 mmol·L−1),磷源为磷酸二氢钾(KH2PO4)。为保证K+的浓度一致,以1.0 mmol·L−1为标准,低磷营养液中以氯化钾(KCl)补齐K+,其他营养成分含有2.0 mmol·L−1 Ca(NO3)2·4H2O、2.5 mmol·L−1KNO3、0.5 mmol·L−1NH4NO3、1.4 mmol·L−1MgSO4·7H2O、1.0×10−3 mmol·L−1 ZnSO4·7H2O、1.0×10−3 mmol·L−1MnSO4·H2O、1.0×10−4 mmol·L−1CuSO4·5H2O、 1.0×10−2 mmol·L−1H3BO3、0.5×10−5 mmol·L−1 (NH4)6MO7O24·4H2O、0.1 mmol·L−1EDTA-FeNa[15]。分别处理0、4、12、24、72 h后,选取3株生长一致的‘新陆早19’植株,并混合取其根部组织,然后迅速置于液氮中,−80 ℃保存备用。每日调节营养液 ,使pH保持在 6.5 左右,每3 d更换1次营养液。
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根据前期陆地棉根部低磷胁迫基因表达谱芯片差异表达基因序列进行分析,在美国国家生物技术信息中心(NCBI)网站的EST数据库中检索差异表达基因序列,得到该基因的相似序列。将所得相似性序列(覆盖率>50%,相似度>90%)使用DNASTAR的Seqman进行拼接得到重叠群(conting),将所得序列继续检索与拼接直至没有新的相似序列出现,所得即为结果序列重叠群,利用ORFfinder在线平台查找开放阅读框,进行目标基因GhGDPD1的克隆与分析。
根据ORFfinder在线平台查找的开放阅读框,使用Primer 5.0软件设计引物,由生工生物工程有限公司合成(表1)。
表 1 试验所用引物信息
Table 1. Primers used in the study
引物 引物序列(5′→3′) 引物 引物序列(5′→3′) Sense primer ATTTTTCCCTCTCTTACTCTATCCC GhActin-F ATCCTCCGTCTTGACCTTG Anti-sense primer GTAGGGACAAGTTAGTGGTGTATCA GhActin-R TGTCCGTCAGGCAACTCAT 通用引物M13F TGTAAAACGACGGCCAGT GhGDPD1-F TTCTCTGTCTCTCTACTCGTCTCGT 通用引物M13R CAGGAAACAGCTATGACC GhGDPD1-R TCTATGCCCTATTACCAAAAACTTC -
取液氮速冻整株‘新陆早19’植株在研钵中迅速研磨成粉末转移至离心管,利用CTAB法提取‘新陆早19’的基因组DNA,向其中添加200 μL的TE缓冲液溶解后置于−20 ℃下保存备用。
以‘新陆早19’的基因组DNA为模板设计如下PCR扩增反应体系(20.0 μL)。冰上操作:2×M5 HiPer plus Taq HiFi PCR mix (with blue dye) 10.0 μL,Sense primer (10.0 μmol·L−1) 0.5 μL,Anti-sense primer (10.0 μmol·L−1) 0.5 μL,Template DNA 0.5 μL,Nuclease-free ddH2O 8.5 μL。反应程序为:95 ℃ 3 min;94 ℃ 25 s,55 ℃ 25 s,72 ℃ 50 s,35个循环;72 ℃ 5 min;−4 ℃低温保存。120 V,25 min,质量分数为1%琼脂糖凝胶电泳检测。
将目的DNA片段进行胶回收纯化后连接pTOPO-T载体,具体体系为(5.0 μL):M5 HiPer pTOPO-TA Vector 0.5 μL,10×Enhancer 0.5 μL,纯化后的PCR产物 1.8 μL,灭菌水 2.2 μL。取5.0 μL连接产物转化50.0 μL大肠埃希菌Escherichia coli DH5ɑ感受态细胞,将菌液涂布在含氨苄青霉素的LB固体培养基上,37 ℃培养过夜。随机挑取单菌落,扩大培养4 h。以所得菌液作模板进行菌液PCR反应,体系如下(20.0 μL):2× M5 HiPer plus Taq HiFi PCR mix (with blue dye) 10.0 μL,通用引物M13F 0.5 μL,通用引物M13R 0.5 μL,Template DNA 0.5 μL,Nuclease-free ddH2O 8.5 μL。反应程序为:95 ℃ 3 min;94 ℃ 25 s,55 ℃ 25 s,72 ℃ 50 s,35个循环;72 ℃ 5 min;−4 ℃低温保存。检测符合后送至生工生物工程有限公司测序。
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取液氮速冻整株‘新陆早19’植株在研钵中迅速充分研磨成粉末,后续步骤依照所用试剂盒说明书进行,150 V,15 min,质量分数为1%琼脂糖凝胶电泳检测。参考试剂盒说明书完成cDNA的合成,−20 ℃保存备用。
以‘新陆早19’的cDNA为模板设计如下PCR扩增反应体系(20.0 μL)。冰上操作:2×M5 HiPer plus Taq HiFi PCR mix (with blue dye) 10.0 μL,Sense primer (10.0 μmol·L−1) 0.5 μL,Anti-sense primer (10.0 μmol·L−1) 0.5 μL,cDNA 1.0 μL,Nuclease-free ddH2O 8.0 μL。PCR反应程序为:95 ℃ 3 min;94 ℃ 25 s,56 ℃ 25 s,72 ℃ 45 s,35个循环;72 ℃ 5 min;−4 ℃低温保存。120 V,25 min,质量分数为1%琼脂糖凝胶电泳检测。
将目的DNA片段进行胶回收纯化后连接pTOPO-T载体,体系如下(5.0 μL):M5 HiPer pTOPO-TA Vector 0.5 μL,10×Enhancer 0.5 μL,纯化后的PCR产物 1.5 μL,灭菌水 2.5 μL。加入50.0 μL大肠埃希菌DH5ɑ感受态细胞转化,挑菌进行菌液PCR反应。电泳检测符合后送至生工生物工程有限公司进行测序。
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使用在线平台及软件对基因进行生物信息学分析,预测分析基因的结构、性质等。
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利用半定量RT-PCR技术,分析GhGDPD1基因在根、茎、叶、花4个组织中的表达状况。以‘新陆早19’各组织的cDNA为模板,GhActin作内参基因,所用引物见表1。设计如下PCR扩增反应体系(20.0 μL)。冰上操作:2×M5 HiPer plus Taq HiFi PCR mix (with blue dye) 10.0 μL,Sense primer (10.0 μmol·L−1) 0.5 μL,Anti-sense primer (10.0 μmol·L−1) 0.5 μL,cDNA 1.0 μL,Nuclease-free ddH2O 8.0 μL。PCR反应程序为:95 ℃ 3 min;94 ℃ 25 s,60 ℃ 25 s,72 ℃ 10 s,35个循环;72 ℃ 5 min;−4 ℃低温保存。120 V,25 min,质量分数为1%琼脂糖凝胶电泳检测。
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采用RT-qPCR技术检测GhGDPD1基因在不同组织中及低磷胁迫处理下的表达模式。以GhActin作为内参基因,所用引物见表1。采用SYBR® Green Pro Taq HS预混型qPCR试剂盒进行荧光定量,使用的荧光定量PCR仪器型号是CFX96,数据分析采用2−ΔΔCt法。
Cloning and expression analysis of low phosphorus stress response gene GhGDPD1 in Gossypium hirsutum
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摘要:
目的 基于前期陆地棉‘新陆早 19’Gossypium hirsutum‘Xinluzao 19’根部低磷胁迫基因表达谱芯片差异表达序列数据分析,挖掘相关基因,并对其克隆与表达分析。 方法 克隆陆地棉‘新陆早 19’GhGDPD1基因并进行基因组DNA与cDNA测序分析,借助生物信息学方法分析GhGDPD1的基因结构和进化关系;采用半定量RT-PCR技术与实时荧光定量PCR (RT-qPCR)的方法检测该基因于根、茎、叶、花等4个组织的基因表达量的变化以及低磷胁迫下的表达模式。 结果 成功克隆GhGDPD1基因,开放阅读框序列长度为1 149 bp,共编码382个氨基酸,属于GDPD家族,其中存在一个保守结构域,名为GDPD_GDE5_like_1_plant。半定量RT-PCR和RT-qPCR试验结果均显示:GhGDPD1基因主要表达于根,中量表达于花和茎,微量表达于叶。该基因在受到低磷胁迫的刺激后,立即会对低磷胁迫做出应答,胁迫4 h相对表达量达到最高值。 结论 首次成功克隆到陆地棉‘新陆早 19’GhGDPD1基因,获得了GhGDPD1基因的组织表达以及低磷胁迫下的表达模式,为深入解析棉花GhGDPD1基因的生物学功能以及培育棉花磷高效利用新种质提供科学参考。图7表1参18 Abstract:Objective Based on the analysis of differential expression sequence data of genome-wide expression profile of Gossypium hirsutum‘Xinluzao 19’ seedlings under low phosphorus stress in our previous research, this study aims to explore the related genes, and to clone and analyze their expression, so as to provide a scientific reference for further research on the biological functions of GhGDPD1 gene and the cultivation of new cotton germplasm with the efficient utilization of phosphorus. Method GhGDPD1 gene was cloned from ‘Xinluzao 19’. Genomic DNA and cDNA sequence of the gene were performed, and the genetic structure and evolutionary relationship of GhGDPD1 were analyzed by bioinformatics method. Semi-quantitative RT-PCR and fluorescence quantitative PCR (RT-qPCR) were used to detect the changes of gene expression in root, stem, leaf and flower tissues, as well as the expression pattern under low phosphorus stress. Result The GhGDPD1 gene was cloned, with an open reading frame sequence length of 1 149 bp, encoding 382 amino acids. This gene sequence belonged to the GDPD family, with a conservative structure domain named GDPD_GDE5_like_1_plant. Semi-quantitative RT-PCR and RT-qPCR showed that GhGDPD1 gene was mainly expressed in roots, moderately expressed in flowers and stems, and slightly expressed in leaves. After being stimulated by low phosphorus stress, the gene would immediately respond to low phosphorus stress and its expression level reached the highest value after 4 hours of stress. Conclusion The GhGDPD1 gene of ‘Xinluzao 19’ is successfully cloned for the first time. The tissue expression of GhGDPD1 and its expression pattern under low phosphorus stress are obtained. [Ch, 7 fig. 1 tab. 18 ref.] -
表 1 试验所用引物信息
Table 1. Primers used in the study
引物 引物序列(5′→3′) 引物 引物序列(5′→3′) Sense primer ATTTTTCCCTCTCTTACTCTATCCC GhActin-F ATCCTCCGTCTTGACCTTG Anti-sense primer GTAGGGACAAGTTAGTGGTGTATCA GhActin-R TGTCCGTCAGGCAACTCAT 通用引物M13F TGTAAAACGACGGCCAGT GhGDPD1-F TTCTCTGTCTCTCTACTCGTCTCGT 通用引物M13R CAGGAAACAGCTATGACC GhGDPD1-R TCTATGCCCTATTACCAAAAACTTC -
[1] DISSANAYAKA D M S B, PLAXTON W C, LAMBERS H, et al. Molecular mechanisms underpinning phosphorus-use efficiency in rice [J]. Plant,Cell &Environment, 2018, 41(7): 1483 − 1496. [2] HINSINGER P. Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root-induced chemical changes: a review [J]. Plant and Soil, 2001, 237(2): 173 − 195. [3] KYLA S, WILLIAM P. Molecular mechanisms of phosphorus metabolism and transport during leaf senescence [J]. Plants, 2015, 4(4): 773 − 798. [4] VENEKLAAS E J, LAMBERS H, BRAGG J, et al. Opportunities for improving phosphorus-use efficiency in crop plants [J]. New Phytologist, 2012, 195(2): 306 − 320. [5] PLAXTON W, TRAN H T. Metabolic adaptations of phosphate-starved plants [J]. Plant Physiology, 2011, 156(3): 1006 − 1015. [6] MEHRA P, GIRI J. Rice and chickpea GDPDs are preferentially influenced by low phosphate and CaGDPD1 encodes an active glycerophosphodiester phosphodiesterase enzyme [J]. Plant Cell Reports, 2016, 35(8): 1699 − 1717. [7] ZHENG Bin, CHEN Dan, FARQUHAR M G. MIR16, a putative membrane glycerophosphodiester phosphodiesterase, interacts with RGS16 [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2000, 97(8): 3999 − 4004. [8] CORDA D, MOSCA M G, OHSHIMA N, et al. The emerging physiological roles of the glycerophosphodiesterase family [J]. The FEBS Journal, 2014, 281(4): 998 − 1016. [9] LEMIEUX M J, HUANG Yafei, WANG Daneng. Glycerol-3-phosphate transporter of Escherichia coli: structure, function and regulation [J]. Research in Microbiology, 2004, 155(8): 623 − 629. [10] 王欣. 拟南芥AtGDPD5基因在低磷环境下功能的研究[D]. 哈尔滨: 东北农业大学, 2011. WANG Xin. Studies on the Function of Arabidopsis AtGDPD5 Gene in Low Phosphorus Environment [D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2011. [11] van der REST B, BOISSON A M, GOUT E, et al. Glycerophosphocholine metabolism in higher plant cells. evidence of a new glyceryl-phosphodiester phosphodiesterase [J]. Plant Physiology, 2002, 130(1): 244 − 255. [12] MEHRA P, PANDEY B K, VERMA L, et al. A novel glycerophosphodiester phosphodiesterase improves phosphate deficiency tolerance in rice [J]. Plant,Cell &Environment, 2019, 42(4): 1167 − 1179. [13] 王桂峰, 张杰, 王安琪. 全国棉花生产格局时景下山东省棉花生产保护区支撑体系构建[J]. 山东农业科学, 2020, 52(5): 130 − 135. WANG Guifeng, ZHANG Jie, WANG Anqi. Construction of support system for cotton production protection reserve in Shandong Province under national cotton production pattern [J]. Shandong Agricultural Sciences, 2020, 52(5): 130 − 135. [14] 王桂峰, 徐勤青, 王安琪. 近二十年全国及山东植棉变化与山东省棉花生产保护区支撑体系构建思考[J]. 棉花科学, 2020, 42(1): 3 − 13. WANG Guifeng, XU Qinqing, WANG Anqi. Changes of cotton planting in China and Shandong Province in recent 20 years and the construction of supporting system of cotton production protection area in Shandong Province [J]. Cotton Sciences, 2020, 42(1): 3 − 13. [15] 张敏, 盛建东, 白灯莎·买买提艾力, 等. 不同磷效率棉花根系形态和磷酸酶活性对供磷强度的响应[J]. 棉花学报, 2017, 29(3): 283 − 291. ZHANG Min, SHENG Jiandong, Baidengsha Maimaitiaili, et al. Response of root morphology and phosphatase activity of cotton to phosphorus supply [J]. Cotton Science, 2017, 29(3): 283 − 291. [16] PAZ-ARES J, PUGA M I, ROJAS-TRIANA M, et al. Plant adaptation to low phosphorus availability: core signaling, crosstalks, and applied implications [J]. Molecular Plant, 2022, 15(1): 104 − 124. [17] CHENG Yuxiang, ZHOU Wenbin, SHEERY N I E, et al. Characterization of the Arabidopsis glycerophosphodiester phosphodiesterase (GDPD) family reveals a role of the plastid-localized AtGDPD1 in maintaining cellular phosphate homeostasis under phosphate starvation [J]. The Plant Journal, 2011, 66(5): 781 − 795. [18] CHENG Lingyun, BUCCIARELLI B, LIU Junqi, et al. White lupin cluster root acclimation to phosphorus deficiency and root hair development involve unique glycerophosphodiester phosphodiesterases [J]. Plant Physiology, 2011, 156(3): 1131 − 1148. -
链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20220624