过表达榨菜BjuJAZ8增强拟南芥对盐胁迫的敏感性
doi: 10.7606/j.issn.1000-4025.20240286
蔡兆明 , 程春红 , 余红 , 王殿东
长江师范学院 现代农业与生物工程学院,重庆涪陵 408100
基金项目: 重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJQN202201407) ; 重庆市教育委员会科学技术研究重点项目(KJZD-K202301407) ; 重庆市高校创新研究群体资助计划项目(CXQT21029)
Overexpression of BjuJAZ8 from tuber mustard enhanced the sensitivity of Arabidopsis thaliana to salt stress
CAI Zhaoming , CHENG Chunhong , YU Hong , WANG Diandong
School of Advanced and Agriculture and Bioengineering, Yangtze Normal University, Fuling, Chongqing 408100 , China
摘要
【目的】 榨菜具有较高的经济价值,探讨榨菜中茉莉酸信号通路基因JAZ8在植物响应盐胁迫的功能可为培育榨菜抗逆品种提供基因资源。【方法】采用生物信息学方法分析榨菜JAZ8的基因结构、启动子顺式作用元件以及所编码蛋白的理化性质;采用分子生物学技术克隆榨菜JAZ8基因并构建其过表达载体;采用转基因技术在模式植物拟南芥中过表达榨菜JAZ8基因并分析该基因在拟南芥响应盐胁迫过程中的具体功能。【结果】榨菜JAZ8基因蛋白编码序列全长396 bp,编码131个氨基酸,含有TIFY和CCT-2结构域;该基因启动子含有响应脱落酸、水杨酸及参与防御和应激反应的顺式作用元件;转基因植株表型分析结果表明,过表达榨菜JAZ8的拟南芥植株在萌发和转绿阶段表现为对盐胁迫更加敏感的表型。【结论】过表达榨菜JAZ8可增强拟南芥对盐胁迫的敏感性。
Abstract
[Objective] Tuber mustard has high economic value. Investigating the function of the jasmonic acid signaling pathway gene JAZ8 in response to salt stress can provide genetic resources for breeding salt-resistant varieties of tuber mustard. [Methods] The gene structure, promoter cis-acting elements, and the physical and chemical properties of JAZ8 were analyzed by bioinformatics methods. JAZ8 gene was cloned and the overexpression vector was constructed. The JAZ8 gene of tuber mustard was overexpressed in the model plant Arabidopsis thaliana and the function of JAZ8 gene in Arabidopsis in response to salt stress was analyzed. [Results] The JAZ8 gene coding sequence was 396 bp, encoding 131 amino acids and containing TIFY and CCT-2 domains. The gene promoter contained cis-acting elements that respond to abscisic acid, salicylic acid, and participate in defense and stress response. Phenotypic analysis of the transgenic plants showed that Arabidopsis plants overexpressing BjuJAZ8 showed a more sensitive phenotype to salt stress during germination and greening. [Conclusion] Overexpression of JAZ8 from tuber mustard enhanced the sensitivity of Arabidopsis to salt stress.
榨菜(Brassica juncea var. tumida)是中国的特色蔬菜,为十字花科芸薹属植物,其膨大茎可鲜食也可腌制成榨菜,具有较高的营养价值和经济价值。榨菜在种植过程中经常因遭到盐碱、干旱等非生物逆境以及病虫害等生物逆境胁迫而造成减产,因此,发掘榨菜中的抗逆基因,对培育优质的榨菜抗逆品种和维持榨菜产业健康发展至关重要。
已有研究表明,茉莉酸作为植物重要激素之一,在调控植物生长发育以及响应逆境胁迫的过程中具有关键作用[1-3],如对苜蓿施加5 μmol/L的茉莉酸甲酯,可显著缓解盐胁迫对种子萌发和主根生长的抑制作用[4]。植物对茉莉酸的响应是通过一系列信号转导过程实现的,研究并利用茉莉酸信号通路相关基因,可为抗逆作物育种提供基因资源。茉莉酸信号通路中JAZ(jasmonate ZIM domain)和COI1(coronatine insensitive1)蛋白作为茉莉酸的共受体识别茉莉酸分子信号。茉莉酸诱导COI1与JAZ蛋白结合后导致JAZ蛋白被26S蛋白酶复合体降解,从而解除JAZ蛋白对下游响应茉莉酸的转录因子的抑制作用(如MYC、NAC、WRKY蛋白),进而激活茉莉酸信号通路[5-6]。由此可知,JAZ蛋白是茉莉酸信号通路中的重要负调控因子,可作为研究植物抗逆的候选蛋白。
研究组前期采用生物信息学方法对榨菜中JAZ蛋白家族的全部成员进行鉴定和分析,共鉴定到38个JAZ蛋白,分别为拟南芥JAZ1-JAZ13的同源蛋白[7]。采用荧光定量PCR方法对榨菜JAZ家族基因的表达模式检测结果显示,BjuJAZ8在根和叶中的表达水平高于在其他组织中表达水平,其中根中表达量最高,且该基因的表达水平在根肿菌侵染12~36 h后显著下调,在盐胁迫处理6~24 h显著上调,由此推测该基因可能参与榨菜对逆境胁迫的响应过程。
目前对JAZ家族基因参与植物响应逆境胁迫的过程已有一些研究。JAZ蛋白在植物响应生物逆境胁迫过程中发挥功能,据报道,在大麦中,人工喷施茉莉酸显著增强植株叶斑病抗性,而接种叶斑病致病菌禾旋孢腔菌后,JAZ基因(HORVU5Hr1G060730)在3~10 d的表达水平显著降低,说明JAZ基因参与对叶斑病的响应[8];在小麦中过表达TaJAZ1可使面包小麦对白粉病的抗性显著增强[9]。杨树中的一些PtJAZ基因,包括PtJAZ3PtJAZ6PtJAZ9PtJAZ15,在杨树叶锈病病原菌感染植株后被显著诱导表达,提示它们可能在植物对生物胁迫的响应中发挥作用[10]。此外,JAZ蛋白还参与植物对非生物逆境胁迫的响应。如在棉花中,过表达GhJAZ2可导致转基因棉花对盐胁迫的敏感性增强[11]。盐胁迫是危害程度较大的非生物逆境胁迫之一,涪陵沿江地区榨菜的栽培也受到盐胁迫的制约,故研究JAZ蛋白在榨菜响应盐胁迫中的作用具有一定的实际意义。
迄今为止,在榨菜中鲜见关于JAZ蛋白功能的相关报道,对榨菜JAZ蛋白功能进行研究可提高认识茉莉酸信号通路对榨菜生长发育调控网络。基于已有JAZ蛋白响应植物逆境胁迫的相关报道以及前期研究发现的榨菜BjuJAZ8基因在逆境胁迫处理条件下的表达特点,推测BjuJAZ8蛋白很可能参与榨菜对逆境胁迫的响应过程。为进一步验证BjuJAZ8蛋白在榨菜中的功能,本研究克隆了BjuJAZ8基因,并构建了该基因的过表达载体,利用该载体在拟南芥中过表达BjuJAZ8分析了盐胁迫条件下的表型,研究结果可为榨菜抗逆品种培育提供帮助。
1 材料和方法
1.1 试验材料
榨菜‘永安小叶’和拟南芥Col-0试验材料由长江师范学院现代农业与生物工程学院榨菜栽培生理研究室提供。
1.2 试验方法
1.2.1 生物信息学分析
用ProtParam在线工具(https://web.expasy.org/protparam/)对茎瘤芥BjuJAZ8蛋白的理化性质进行分析,指标包括:氨基酸长度、等电点、分子质量、带负电荷的残基(Asp+Glu)数量、带正电荷的残基(Arg+Lys)数量、不稳定系数、脂肪指数和亲水性平均数;用ProtScale在线工具(https://www.expasy.org/resources/protscale)进行亲/疏水性分析;利用PlantCARE软件分析启动子顺式作用元件;使用SOPMA程序完成蛋白质二级结构分析;用TMHMM-2.0在线工具(https://services.healthtech.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/)对蛋白跨膜结构域进行分析;使用NCBI在线分析工具(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)对蛋白质结构域进行预测。
1.2.2 BjuJAZ8基因扩增及连接T载体
以茎瘤芥cDNA为模板,用PCR方法对BjuJAZ8蛋白编码序列进行扩增。扩增引物序列为:BjuJAZ8-F,CCCCCGGGATGGAGAAAAACTG-CGACTT;BjuJAZ8-R,CCAAGCTTCTATCGT-CGTGATTGCTGAT。扩增反应程序:95℃预变性3 min;95℃变性30 s,54℃退火30 s,72℃延伸1 min,30个循环;最后72℃延伸5 min,16℃保存。以全式金公司琼脂糖凝胶回收试剂盒回收PCR扩增产物,方法参考全式金公司琼脂糖凝胶回收试剂盒说明书。连接反应选用全式金公司的pEASY-Blunt Simple Cloning试剂盒进行,取凝胶回收的DNA片段1 μL于200 μL离心管中,加入PEASY-Blunt Simple Cloning载体(Blunt-T)4 μL,于25℃条件下反应10 min后将连接产物转化到E. coli DH5α感受态细胞中,转化产物涂布在含有相应抗生素的LB平板上。挑取LB固体平板上的单克隆菌落进行菌落PCR反应;用无菌的10 μL吸头沾取单菌落并编号,同时将菌体加入20 μL含相应引物的PCR反应体系中作为扩增模板,进行PCR反应。将菌落PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳检测是否能扩增出目的条带,阳性单克隆送华大基因进行测序。
1.2.3 BjuJAZ8融合GFP过表达载体构建
将测序后的序列与数据库中的基因序列进行比对,对于测序正确的克隆进行质粒提取,质粒提取选用全式金公司质粒提取试剂盒进行。用Thermo公司(美国)的限制性内切酶对BjuJAZ8-T载体和目的载体pTF101-GFP进行双酶切,酶切产物放置在37℃恒温箱中酶切1 h,酶切产物进行琼脂糖凝胶电泳,凝胶回收切下的目的片段,用全式金公司(北京,中国)的T4 DNA连接酶进行连接反应,连接产物25℃反应2 h,之后转化大肠杆菌感受态细胞,转化产物涂布在含有壮观霉素的LB培养基上,待长出单克隆后采用菌落PCR技术进行阳性克隆鉴定。
1.2.4 转基因拟南芥纯合植株筛选和鉴定
将农杆菌介导的蘸花法转化后的拟南芥于6个星期后收获种子,种子存放2个星期完成后熟。将转基因后的T0代拟南芥产生的种子播种于含除草剂(10% Basta,每100 mL培养基中加入5.5 μL)的MS固体培养基中,筛选出具有Basta抗性的T1代阳性转基因植株(阳性植株可长出真叶,并且根系正常生长;阴性植株仅有子叶,并且主根较短),将阳性幼苗转移至蛭石∶营养土=2∶1的花盆中继续培养,单株收获T1代植株产生的种子并编号。取40粒后熟的T1代产生的种子播种于含除草剂的MS固体培养基中,筛选阳性∶阴性=3∶1的转基因株系,并在每个株系中各选择8颗T2代阳性幼苗分别转移至花盆中进行培养,单株收获T2代植株产生的种子并编号。分别取每个株系中的8颗T2植株的种子40粒播种于含除草剂的MS固体培养基中对纯合株系进行筛选,全部为阳性幼苗的T2代种子即为纯合株系。用qPCR方法检测转基因植株中BjuJAZ8的表达水平以确定实现该基因在拟南芥中的过表达,其引物序列为:qRT-JAZ8-F,AACAGGTTGACCCGATTACATC; qRT-JAZ8-R,TCG-TCGTGATTGCTGATGGT;选择拟南芥AtACTIN8作为内参基因,其引物序列为:AtACTIN8-F,TCAGCACTTTCCAGCAGATG; AtACTIN8-R,ATGCCTGGACCTGCTTCAT。
1.2.5 种子萌发和子叶转绿表型分析
用NaClO溶液对同期的拟南芥野生型和转基因植株种子进行消毒5 min,倒掉上清液后,用灭菌水清洗5~6遍,置于4℃冰箱中纯化2 d,春化结束后将种子点播在MS培养基和含有100 mmol/L NaCl的MS固体培养基中,置于培养室(22℃,16 h光照,8 h黑暗)进行培养,统计种子萌发和子叶转绿情况并拍照。
2 结果与分析
2.1 BjuJAZ8蛋白理化性质分析
BjuJAZ8基因由3个外显子和2个内含子构成,蛋白编码序列(CDS)全长396 bp,可编码131个氨基酸。BjuJAZ8蛋白分子质量为15.042 8 kD,等电点为9.69,不稳定系数为88.28,理论脂肪系数为62.52,总平均亲水性为-0.997,推测该蛋白质具有不稳定性和亲水性;总的带负电荷的残基(Asp+Glu)为14,总的带正电荷的残基(Arg+Lys)为20。BjuJAZ8蛋白的亲水性和疏水性分析结果表明,第67位Ile(异亮氨酸)分值最高,为1.200,说明该氨基酸疏水性最强,第127位Gln(谷氨酰胺)的分值最低,为-2.633,亲水性最强(图1,A)。BjuJAZ8蛋白二级结构预测结果表明,该蛋白中有4种类型的二级结构,分别是25.19%的α-螺旋、15.27%的β-转角、3.05%的延伸链结构以及56.49%的无规则卷曲(图1,B)。
1BjuJAZ8蛋白质理化性质分析
Fig.1Analysis of physical and chemical properties of BjuJAZ8
A. BjuJAZ8蛋白亲水性/疏水性预测;B. BjuJAZ8蛋白二级结构预测。
A. Hydrophilic/hydrophobic prediction of the BjuJAZ8 protein. B. Prediction of the secondary structure of the BjuJAZ8 protein.
2.2 BjuJAZ8蛋白结构域和跨膜结构域预测
用NCBI在线工具对BjuJAZ8蛋白结构域预测结果表明,该蛋白质存在TIFY结构域和CCT-2结构域,分别位于第37—71和第105—125氨基酸位点。TIFY结构域含有TIF(F/Y)XG基序,在JAZ-NINJA(novel interactor of JAZ)以及JAZ-JAZ形成复合体过程中发挥关键功能;CCT-2结构域在JAZ与它所调控的下游转录因子(如MYC2)结合过程中发挥功能,表明榨菜BjuJAZ8为典型的JAZ蛋白(图2,A)。
BjuJAZ8蛋白跨膜结构域预测结果表明,该蛋白不含有跨膜结构域(图2,B)。通过对BjuJAZ8蛋白的序列进行手动搜索发现,该蛋白含有“RIQATSPY”序列,该序列为转运β2蛋白识别的核定位信号R/H/K-X-(2-5)P-Y,表明BjuJAZ8蛋白可能定位于细胞核中行使其生物学功能。
2BjuJAZ8蛋白结构域(A)和跨膜结构域(B)预测
Fig.2Prediction of BjuJAZ8 protein domain (A) and transmembrane domain (B)
2.3 BjuJAZ8启动子顺式作用元件分析
用PlantCARE在线启动子预测工具对BjuJAZ8基因起始密码子上游1.5 kb序列进行分析,结果表明该基因启动子共有13种顺式作用元件,数量最多的是核心启动子元件TATA-box,共有21个,其次是启动子和增强子区域常见的顺式作用元件CAAT-box,共11个(表1)。BjuJAZ8启动子区存在参与激素调控的顺式作用元件,如响应脱落酸(ABA)的ABRE(ACGTG/CACGTG)、赤霉素响应相关的顺式作用元件TATC-box(TATCCCA)、水杨酸(SA)相关的顺式作用元件TCA-element(CCATCTTTTT)和生长素相关的元件TGA-element(AACGAC);还存在6种光响应的顺式作用元件,分别是AE-box、Box 4、G-box、GT1-motif、TCCC-motif和TCT-motif(表1);此外,BjuJAZ8基因的启动子还含有响应逆境胁迫的作用元件,如参与防御和应激反应的顺式作用元件TC-rich repeats(GTTTTCTTAC)、响应分生组织表达的顺式调控元件CAT-box(GCCACT)和响应胚乳表达的顺式调控元件GCN4_motif(TGAGTCA),见表1
1BjJAZ8启动子顺式作用元件预测
Table1Prediction of the promoter cis-acting elements of BjJAZ8 promoter
2.4 BjuJAZ8克隆及融合GFP过表达载体构建
以茎瘤芥cDNA为模板,用PCR方法对BjuJAZ8的CDS序列进行扩增,琼脂糖凝胶电泳显示,在250~500 bp之间出现1条明显的扩增产物条带,与BjuJAZ8的CDS序列长度(396 bp)一致,说明成功扩增出BjuJAZ8基因(图3,A)。将该目的条带回收后连接Blunt-T载体并转化大肠杆菌DH5α感受态细胞,菌落PCR结果显示,2号和5号单克隆菌落中可成功扩增出目的条带,说明已将BjuJAZ8的CDS序列成功连入Blunt-T载体(图3,B)。阳性单克隆菌落进行培养后送往华大基因进行测序,测序正确的单克隆进行后续实验。
通过DNAMAN对测序结果进行比对,BjuJAZ8-T-2中的BjuJAZ8序列与基因组数目库中BjuJAZ8的CDS序列一致,因此选用BjuJAZ8-T-2进行后续实验。首先提取BjuJAZ8-T-2和pTF101-GFP质粒(图4,A),用Hind Ⅲ和Sma Ⅰ分别对BjuJAZ8-T-2和pTF101-GFP质粒进行双酶切(图4,B),结果显示BjuJAZ8-T-2质粒经酶切后可切下位于250~500 bp之间的片段,大小与BjuJAZ8相符,说明已成功切下目的条带。将目的片段与pTF101-GFP酶切产物进行琼脂糖凝胶回收,回收产物在T4 DNA连接酶的作用下进行连接反应,连接产物转化DH5α感受态细胞。待长出单克隆后,挑取12个单菌落进行菌落PCR鉴定,结果显示,6-12号单克隆可扩增出明亮的目的片段条带(图4,C),表明BjuJAZ8融合GFP过表达载体构建成功。
3BjuJAZ8蛋白编码序列克隆凝胶电泳检测结果
Fig.3Gel electrophoresis detection of the BjuJAZ8 protein coding sequence
A. BjuJAZ8基因扩增产物凝胶电泳检测图(M. DL5000 marker;1.BjuJAZ8基因扩增产物条带)。B.BjuJAZ8 连接Blunt-T载体并转化大肠杆菌后菌落PCR产物凝胶电泳检测图(M.DL2000 marker;1-5.5个单菌落PCR 扩增产物凝胶电泳检测条带)。
A. Gel electrophoresis of BjuJAZ8 gene PCR products (M, DL5000 marker.1, BjuJAZ8 gene PCR product band) . B. Gel electrophoresis detection of PCR products after BjuJAZ8 was connected to Blunt-T vector and transformed into E. coli (M, DL2000 marker.1-5, 5 bands of single colony PCR products were detected by gel electrophoresis) .
4BjuJAZ8融合GFP过表达载体构建凝胶电泳检测结果
Fig.4Gel electrophoresis detection results of the BjuJAZ8 overexpression vector
A. BjuJAZ8-T-2和pTF101-GFP质粒凝胶电泳检测图(M. DL5000 marker; 1. BjuJAZ8-T-2质粒; 2.pTF101-GFP质粒)。B. BjuJAZ8-T-2和pTF101-GFP 质粒酶切产物凝胶电泳检测图(M.DL5000 marker; 1. BjuJAZ8-T-2双酶切产物条带; 2. pTF101-GFP 双酶切产物条带)。C. BjuJAZ8连接pTF101-GFP 载体并转化大肠杆菌后菌落PCR产物凝胶电泳检测图(M. DL5000 marker; 1-12.12个单菌落PCR扩增产物凝胶电泳检测条带)。
A. Gel electrophoresis detection of BjuJAZ8-T-2 and pTF101-GFP plasmids (M, DL5000 marker.1, BjuJAZ8-T-2 plasmid.2, pTF101-GFP plasmid) . B. Gel electrophoresis detection of BjuJAZ8-T-2 and pTF101-GFP plasmid digestion products (M, DL5000 marker.1, BjuJAZ8-T-2 double digestion product band.2, pTF101-GFP double digestion product band) . C. Gel electrophoresis detection of colony PCR products after BjuJAZ8 was connected to pTF101-GFP vector and transformed into E. coli (M, DL5000 marker, 1-12, 12 bands of single colony PCR amplification products detected by gel electrophoresis) .
2.5 过表达BjuJAZ8拟南芥转基因植株鉴定
为了验证是否在拟南芥转基因植株中实现了BjuJAZ8的过表达,采用qPCR方法对各转基因拟南芥株系中的BjuJAZ8的表达水平进行鉴定。结果(图5)表明,BjuJAZ8-OE-2、BjuJAZ8-OE-5、BjuJAZ8-OE-6这3个转基因株系中BjuJAZ8的表达量分别为拟南芥野生型Col-0的7 408,62 959,828倍,说明这3个转基因株系中BjuJAZ8的表达量远远高于对照,实现了该基因的过表达。
5过表达BjuJAZ8的拟南芥植株基因表达水平
Fig.5Gene expression levels in Arabidopsis overexpressing BjuJAZ8
***表示差异极显著(P<0.001)。下同。
*** indicates significant difference (P<0.001) . The same as below.
2.6 拟南芥中异源过表达BjuJAZ8后显著增强植株对盐的敏感性
为了明确BjuJAZ8在植物中的生物学功能,分析在100 mmol/L NaCl处理下过表达榨菜BjuJAZ8的拟南芥转基因植株的种子萌发和子叶转绿情况。播种后4 d萌发率结果表明,在MS培养基上,Col-0与BjuJAZ8-OE-2、BjuJAZ8-OE-5、BjuJAZ8-OE-6的种子萌发情况比较一致,没有显著差异;而在100 mmol/L NaCl处理下,相比于野生型Col-0,3个过表达BjuJAZ8的株系萌发率显著降低(图6,A、C)。类似地,播种后11 d植株转绿情况统计结果表明,相比于野生型,BjuJAZ8-OE-2、BjuJAZ8-OE-5、BjuJAZ8-OE-6 3个转基因株系转绿率显著降低(图6,B、D)。上述结果表明,在拟南芥中,榨菜BjuJAZ8过表达后显著降低拟南芥对盐胁迫的耐受性。
6过表达BjuJAZ8的拟南芥在盐胁迫条件下的表型分析
Fig.6Phenotypic analysis of Arabidopsis overexpressing BjuJAZ8 under salt stress
A.拟南芥中过表达BjuJAZ8后种子萌发表型;B.拟南芥中过表达BjuJAZ8后子叶转绿表型; C.拟南芥中过表达BjuJAZ8后种子萌发率分析;D.拟南芥中过表达BjuJAZ8后子叶转绿率分析。
A. Seed germination phenotype after overexpression of BjuJAZ8 in Arabidopsis. B. Phenotypic photos of green cotyledon after overexpression of BjuJAZ8 in Arabidopsis. C. Analysis of seed germination rate after overexpression of BjuJAZ8 in Arabidopsis. D. Analysis of green turning rate in cotyledon after overexpression of BjuJAZ8 in Arabidopsis.
3 讨论
除模式植物拟南芥外,已在多个物种中克隆出JAZ家族基因成员,如在小麦中克隆出的TaJAZ1,与拟南芥AtJAZ3同源性最高[12];在薄荷中克隆出的McJAZ8,与拟南芥AtJAZ1AtJAZ2同源性最高[13]。本研究在榨菜中克隆的BjuJAZ8与拟南芥AtJAZ8同源性最高,目前鲜见在其他物种中对AtJAZ8同源基因克隆及功能分析的相关报道。在拟南芥中共含有13个JAZ蛋白,这些蛋白在系统进化上可形成5个主要分支,分别为JAZ1/2/5/6、JAZ3/4/9、JAZ7/8/13、JAZ10、JAZ11/12。尽管在小麦、薄荷、榨菜中克隆到的JAZ蛋白在拟南芥中相对应的同源蛋白在进化树中处于不同的分支,但这些蛋白在理化性质等方面有许多共同特性。如蛋白结构域分析结果表明它们均含有TIFY结构域和包含Jas序列的CCT_2结构域,说明JAZ蛋白无论在单子叶还是双子叶植物中均广泛分布,且相对比较保守[12-13]。此外,在TaJAZ1BjuJAZ8的启动子区域均发现有与脱落酸信号相关的ABRE顺式作用元件,说明这些基因不仅在蛋白结构上较为保守,在基因表达模式上可能也存在相似性。与上述启动子元件预测结果一致的是有研究表明,JAZ蛋白确实参与茉莉酸与脱落酸的互作过程,如在姜科植物温郁金中过表达CwJAZ4CwJAZ9可通过影响脱落酸信号通路基因SNF1-Related Protein Kinases type2(SnRK2)的表达调节植株对盐胁迫的敏感性[14]
JAZ蛋白对植物响应盐胁迫过程的调节具有非常复杂的调控网络,如将野生大豆中的GsJAZ2在拟南芥中异源过表达后可增强植株对盐碱胁迫的耐受性,推测该基因通过影响细胞膜上氢离子泵(H+-Ppase)发挥功能,而SOS1的表达则不受GsJAZ2的影响[15];水稻OsJAZ9对植株响应盐胁迫的调控则可能通过影响钾离子通道蛋白发挥作用[16];苔藓PnJAZ1对拟南芥响应盐胁迫的调节过程则可能是该蛋白与脱落酸信号通路蛋白协同作用的结果[17]。本研究中发现的榨菜BjuJAZ8调控植物响应盐胁迫可能原因是BjuJAZ8通过终止茉莉酸信号发挥功能,具体机制仍有待深入研究,已有研究表明,以60 μmol/L的茉莉酸甲酯处理大戟科植物小桐子的幼苗可增强植株的耐盐性[18];对葡萄外源施用茉莉酸后,可以挽救盐敏感的葡萄细胞系生长受盐胁迫抑制的表型[19];类似地,在大豆中,通过叶面施用茉莉酸提高了盐胁迫下大豆幼苗的耐盐性[20],这些结果说明,适当浓度的茉莉酸可增加植物细胞的耐盐性。由于JAZ蛋白是茉莉酸信号通路的负调控因子,BjuJAZ8的过表达可以减弱茉莉酸信号对植物的作用效果,因而本研究结果“过表达BjuJAZ8导致转基因植株对盐的敏感性增强”与上述推测结果一致,而BjuJAZ8是否与已报道的一些JAZ蛋白一样,参与离子通道、脱落酸或乙烯等信号通路介导的调控植物抗逆的分子网络仍有待进一步验证。
4 结论
(1)榨菜BjuJAZ8基因全长396 bp,编码131个氨基酸,含有TIFY和CCT-2结构域,具有典型的JAZ蛋白特征。
(2)榨菜BjuJAZ8启动子含脱落酸、茉莉酸、赤霉素、生长素相关顺式作用元件,可能参与多种激素对榨菜生长发育及逆境胁迫响应的调控过程。
(3)过表达BjuJAZ8可增强榨菜对盐胁迫的敏感性。
1BjuJAZ8蛋白质理化性质分析
Fig.1Analysis of physical and chemical properties of BjuJAZ8
2BjuJAZ8蛋白结构域(A)和跨膜结构域(B)预测
Fig.2Prediction of BjuJAZ8 protein domain (A) and transmembrane domain (B)
3BjuJAZ8蛋白编码序列克隆凝胶电泳检测结果
Fig.3Gel electrophoresis detection of the BjuJAZ8 protein coding sequence
4BjuJAZ8融合GFP过表达载体构建凝胶电泳检测结果
Fig.4Gel electrophoresis detection results of the BjuJAZ8 overexpression vector
5过表达BjuJAZ8的拟南芥植株基因表达水平
Fig.5Gene expression levels in Arabidopsis overexpressing BjuJAZ8
6过表达BjuJAZ8的拟南芥在盐胁迫条件下的表型分析
Fig.6Phenotypic analysis of Arabidopsis overexpressing BjuJAZ8 under salt stress
1BjJAZ8启动子顺式作用元件预测
Table1Prediction of the promoter cis-acting elements of BjJAZ8 promoter
CARVALHAIS L C, SCHENK P M, DENNIS P G. Jasmonic acid signalling and the plant holobiont[J]. Current Opinion in Microbiology,2017,37:42-47.
秦梅, 田心宇, 于凯丽, 等.miR156调控菊花逆境响应与开花的表达特性研究[J]. 西北植物学报,2023,43(3):374-381. QIN M, TIAN X Y, YU K L,et al. Expression characteristics of miR156 in regulating stress responses and flowering of Chrysanthemum(Chrysanthemum morifolium)[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2023,43(3):374-381.
QIN J H, WU M, LIU H,et al. Endophyte infection and methyl jasmonate treatment increased the resistance of Achnatherum sibiricum to insect herbivores independently[J]. Toxins,2018,11(1):7.
YIN Y L, YANG T H, LI S,et al. Transcriptomic analysis reveals that methyl jasmonate confers salt tolerance in alfalfa by regulating antioxidant activity and ion homeostasis[J]. Frontiers in Plant Science,2023,14:1258498.
MONTE I, CABALLERO J, ZAMARREÑO A M,et al. JAZ is essential for ligand specificity of the COI1/JAZ co-receptor[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2022,119(49):e2212155119.
ZHOU X E, ZHANG Y G, YAO J,et al. Assembly of JAZ-JAZ and JAZ-NINJA complexes in jasmonate signaling[J]. Plant Communications,2023,4(6):100639.
CAI Z M, CHEN Y Q, LIAO J J,et al. Genome-wide identification and expression analysis of JASMONATE ZIM-DOMAIN gene family in tuber mustard(Brassica juncea var.tumida)[J]. PLoS One,2020,15(6):e0234738.
叶霈颖, 司二静, 鲁宗辉, 等. 外源茉莉酸甲酯诱导大麦叶斑病抗性研究[J]. 西北植物学报,2024,44(4):529-538. YE P Y, SI E J, LU Z H,et al. Induction of resistance to spot blotch in Hordeum vulgare L.by exogenous methyl jasmonate[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2024,44(4):529-538.
JING Y X, LIU J, LIU P,et al. Overexpression of TaJAZ1 increases powdery mildew resistance through promoting reactive oxygen species accumulation in bread wheat[J]. Scientific Reports,2019,9(1):5691.
XIA W X, YU H Y, CAO P,et al. Identification of TIFY family genes and analysis of their expression profiles in response to phytohormone treatments and Melampsora larici-populina infection in poplar[J]. Frontiers in Plant Science,2017,8:493.
SUN H, CHEN L, LI J Y,et al. The JASMONATE ZIM-DOMAIN gene family mediates JA signaling and stress response in cotton[J]. Plant & Cell Physiology,2017,58(12):2139-2154.
姚雅鑫, 刘函西, 王伟伟, 等. 小麦种子萌发基因TaJAZ1的克隆和功能研究[J]. 麦类作物学报,2023,43(9):1081-1092. YAO Y X, LIU H X, WANG W W,et al. Cloning and functional analysis of seed germination related gene TaJAZ1 in wheat(Triticum aestivum L.)[J]. Journal of Triticeae Crops,2023,43(9):1081-1092.
张桂林, 唐伟林, 康琴, 等. 薄荷茉莉酸信号抑制子McJAZ8基因的鉴定与功能分析[J]. 中国中药杂志,2024,49(3):691-701. ZHANG G L, TANG W L, KANG Q,et al. Identification and functional analysis of jasmonic acid signaling repressor McJAZ8 gene in Mentha canadensis[J]. China Journal of Chinese Materia Medica,2024,49(3):691-701.
WANG X Y, ZHU N N, YANG J S,et al. CwJAZ4/9 negatively regulates jasmonate-mediated biosynthesis of terpenoids through interacting with CwMYC2 and confers salt tolerance in Curcuma wenyujin[J]. Plant, Cell & Environment,2024,47(8):3090-3110.
ZHU D, CAI H, LUO X,et al. Over-expression of a novel JAZ family gene from Glycine soja,increases salt and alkali stress tolerance[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications,2012,426(2):273-279.
WU H, YE H Y, YAO R F,et al. OsJAZ9 acts as a transcriptional regulator in jasmonate signaling and modulates salt stress tolerance in rice[J]. Plant Science,2015,232:1-12.
LIU S H, ZHANG P Y, LI C C,et al. The moss JASMONATE ZIM-DOMAIN protein PnJAZ1 confers salinity tolerance via crosstalk with the abscisic acid signalling pathway[J]. Plant Science,2019,280:1-11.
陈运梁, 邹竹荣, 杨双龙. 外源茉莉酸甲酯对盐胁迫下小桐子幼苗渗透调节和脯氨酸代谢的影响[J]. 西北植物学报,2023,43(5):794-804. CHEN Y L, ZOU Z R, YANG S L. Effect of exogenous methyl jasmonate on osmotic adjustment capacity and proline metabolism of Jatropha curcas seedlings under salt stress[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2023,43(5):794-804.
ISMAIL A, RIEMANN M, NICK P. The jasmonate pathway mediates salt tolerance in grapevines[J]. Journal of Experimental Botany,2012,63(5):2127-2139.
SHETEIWY M S, SHAO H B, QI W C,et al. Seed priming and foliar application with jasmonic acid enhance salinity stress tolerance of soybean(Glycine max L.)seedlings[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2021,101(5):2027-2041.