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梅花Prunus mume是中国十大传统名花,在中国有3 000多年栽培历史,江南地区花期为2月左右[1]。梅花适应性较强,耐高温、较耐低温和干旱。在年均气温为16~23 ℃的地区生长最好,根系不耐−8 ℃以下的低温[2-3]。梅花适栽范围介于自然分布区和历史分布区之间,北界为西藏经四川至甘肃天水,陕西宝鸡、西安,河南洛阳,最后到山东烟台,通过海岸线与自然分布区相接,以长江流域为集中赏梅地带[2, 4]。在华北、东北和西北等北方地区不能露地越冬,在江南地区,春季的极端低温(低于−3 ℃)则会对花(蕾)造成伤害,极大地影响观赏价值。因此,抗寒育种一直是梅花育种的重要方向[4-6]。WRKY转录因子是一类主要存在于植物中的锌指型转录因子,在植物响应生物胁迫与非生物胁迫的过程中起着重要作用。根据WRKY结构域数量和锌指结构特征,WRKY家族可分为3类:I类包含2个WRKY结构域和1个CX4−5CX22−23 HXH (C2H2)型锌指结构;Ⅱ类包含1个WRKY结构域和1个CX4−5CX22−23HXH (C2H2)型锌指结构;Ⅲ类包含1个WRKY结构域和1个CX7CX23HXC (C2HC)型锌指结构[7]。WRKY家族参与了广泛的生物过程,包括种子萌发、植物发育和植物激素信号传递等[8]。研究表明:WRKYs最重要的功能之一是参与防御非生物胁迫[9],可显著提高小麦Triticicum aestivum[10]、水稻Oryza sativa[11]等的耐寒性和香蕉Musa acuminate[12]、棉花Gossypium hirsutum[13]等的抗旱性。近年来,随着梅花基因组正式公布[14],关于梅花抗寒和抗旱基因的挖掘和研究逐渐展开,这为深入研究梅花抗寒、抗旱等机制提供了重要的基础。梅花中共鉴定出58个WRKY成员,PmWRKYs在梅花的不同组织(根、茎、叶、花和果实)中有不同程度的表达,其中17个PmWRKYs可能是调控梅花抗寒性的潜在转录因子[15]。本研究以梅花品种‘骨红朱砂’‘Guhong Zhusha’为材料,采用反转录PCR(RT-PCR)技术克隆获得了2个PmWRKY2转录因子,通过生物信息学分析和同源基因序列比对,检测PmWRKY2基因在不同非生物胁迫下的表达模式,以期为后续开展WRKY转录因子在梅花抗寒和抗旱方面的作用机制研究奠定基础。
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梅花‘骨红朱砂’来自浙江农林大学梅花种质资源圃。采集生长势一致,无病虫害的1年生枝条,插于加入清水的培养瓶中,参照PENG等方法[16]处理,湿度为50%,光周期为16 h/8 h。低温(2 ℃)处理组取样时间为0(ck)、1、2、4、6、12、24、48、72 h。采用200 mmol·L−1的甘露醇溶液模拟干旱处理,取样时间为0(ck)、3、6、12、24、36、48 h。采用100 μmol·L−1脱落酸(ABA)处理,取样时间为0(ck)、3、6、12、24、36、48 h。所有新鲜样品采集后立即用液氮速冻,保存于−80 ℃,3次生物学重复。
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RNA的提取采用购自天津诺禾致源公司的UltraClean Polysaccharide and Phenol Plant RNA Purification Kit,方法参照试剂盒的提取说明书。cDNA的合成根据TAKARA PrimeScript™ RT Master Mix (Perfect Real Time)说明书在冰上进行。
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通过梅花基因组和表达谱数据获得PmWRKY2-1和PmWRKY2-2序列,利用Prime 5.0设计特异性引物(表1),以‘骨红朱砂’叶片cDNA为模板,利用r-Taq DNA聚合酶进行PCR扩增。扩增条件为:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,54 ℃退火30 s,72 ℃延伸3 min,35个循环;72 ℃延伸10 min。PCR扩增产物经切胶回收试剂盒回收后连接到pMD18-T载体(Takara公司,大连)中,转化大肠埃希菌Escherichia coli DH5α感受态细胞后挑取阳性克隆,经PCR验证后送往杭州有康科技有限公司测序。
用途 引物名称 序列(5′→3′) 基因克隆 PmWRKY2-1F ATGGCTGGCATCGATGA PmWRKY2-1R CTACATCTGTGGTCCAAG PmWRKY2-2F ATGGGATTTTTAAGAACC PmWRKY2-2R CTAGTACGATTGATGACTGCTTC 实时荧光定量PCR QPmWRKY2-1F GTCCCCTTATCTGACAATACCTC QPmWRKY2-1R AAAGCGAATGAAGTATTTATGTCCT QPmWRKY2-2F TCCGTTGCTTCCTCCCAATGATGAC QPmWRKY2-2R CAAAATCTATTGGTTGTTGCTCC QPmEF1αS CGGATTCAATGTTAAGAATGTTGC QPmEF1αA AGAACTGGAGCATATCCGTTACC Table 1. Primers used in Gene clone and Quantitative real-time PCR
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采用在线软件BLAST (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi) 进行基因序列比对分析,用ORF finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)在线分析开放阅读框,运用ProtParam 在线软件(http://web.expasy.org/protparam/)预测编码蛋白质的分子量、理论等电点;利用 SOPMA 在线工具(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/secpred_sopma.pl)分析PmWRKY2蛋白质的二级结构组成;利用WOLFPSORT在线软件(https://psort.hgc.jp/cgi-bin/runpsort.pl)预测基因的亚细胞定位;利用 DNAMAN 9.0软件对梅花PmWRKY2蛋白质与其他物种WRKY蛋白质进行比对分析;使用ClutsalX-v1.83程序进行多序列比对,然后将比对结果输入到MEGA 6.0软件中,利用邻接法(neighbor-joining, NJ)构建系统发育树,Bootstrap值取1 000次。
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以不同处理的叶片为模板,反转录为cDNA,并进行实时荧光定量PCR。利用Prime 5.0设计PmWRKY2-1和PmWRKY2-2的特异性引物,以梅花PmEF1α为内参基因。反应体系为SYBR Premix Ex Taq 酶(Takara,大连)10.0 μL,cDNA 2.0 μL,上下游引物(10 μm·L−1)各0.8 μL,双蒸水 6.4 μL,每个样品设置3次重复。反应程序为两步法:95 ℃预变性30 s,95 ℃变性5 s,60 ℃复性30 s,共40个循环;然后以95 ℃持续5 s,60 ℃持续1 min,95 ℃持续15 s作为溶解曲线分析程序,最后根据
$ {2^{ - \Delta \Delta {C_{\rm{t}}}}} $ 法计算目的基因的相对表达量。