全 文 :J.SHANXI AGRIC.UNIV.(Natural Science Edition)
学报(自然科学版)2013,33(4) 003042
收稿日期:2013-05-11 修回日期:2013-06-18
作者简介:谢新蕊(1986-),女(汉),山东菏泽人,在读硕士,研究方向:蔬菜遗传育种与分子生物学。
通讯作者:张志忠,副教授,硕士生导师。Tel:13809508972;E-mail:zeada2001@163.com
基金项目:福建省科技重大专项(2008NZ0002-1);福建农林大学园艺学院青年学术骨干培养基金(FAFU2012YYPY08)
甜瓜根分泌物介导自毒作用差异基因表达分析
谢新蕊,高强,奚玉培,张志忠
(福建农林大学 园艺学院,福建 福州350002)
摘 要:以甜瓜品种“新银辉”为试验材料,利用甜瓜根系分泌物胁迫处理甜瓜幼苗,通过cDNA-AFLP技术分析甜瓜
自毒作用相关基因及其表达情况。结果表明,利用63对引物组合获得约1200条TDFs(Transcription-derived frag-
ments),平均每对引物组合扩增出15~30条TDF,长度在50~700bp之间。相关基因的表达模式可分为上调、下调、
瞬时和持续表达4类。选取表达差异明显片段进行回收、测序、比对,获得42条同源性高的TDFs序列。甜瓜根系分
泌物介导的自毒作用相关差异表达基因涉及能量代谢、物质合成与运输、逆境诱导和基因调控及信号传导等过程,分
子调控机制较为复杂。
关键词:甜瓜;根系分泌物;自毒作用;差异表达转录衍生片段(TDFs);cDNA-AFLP
中图分类号:S652 文献标识码:A 文章编号:1671-8151(2013)04-0332-04
Gene Expression Profiling in Responding to Autotoxicity Mediated by Root Exudates in Melon
Xie Xinrui,Gao Qiang,Xi Yupei,Zhang Zhizhong
(College of Horticulture,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou Fujian 350002,China)
Abstract:In this research,alelopathic autotoxicity genes of'New Silverlit'melons treated with melon root exudates at
seedling stage were analyzed by the cDNA-AFLP technique.The results demonstrated that about 1200transcript-de-
rived fragments(TDFs)were obtained via cDNA-AFLP with 63primer pairs,and each of them produced 15~30TDFs
with 50~700bp in length.The related genes expression patterns of melon could be divided into four categories which
were the upward,downward,instantaneous and sustained expression.Forty two TDFs with high sequence homology
were obtained by selecting,recovering and sequencing from the obviously different fragments.The functions of homol-
ogous genes included energy metabolism,material synthesis and transportation,stress inducing,gene regulation and
signal transduction.The molecular regulation mechanism was complicated.
Key words:Melon;Root exudates;Alelopathic autotoxicity;Transcript-derived fragments(TDFs);cDNA-AFLP
甜瓜(Cucumis melo L.)是重要的世界性园艺
作物,生产栽培中连作障碍问题日益突出。连作障
碍广泛存在于蔬菜、果树、花卉和粮食作物生产
中[1],研究表明植物根系分泌产生的毒素是园艺植
物连作障碍的重要因子[2,3],是植物自毒作用[4]的
主要成因。大多数作物都存在自毒作用,如根系分
泌物中的化感自毒物质肉桂酸能加重黄瓜枯萎病
的发生率,是黄瓜连作障碍因子[5];大豆根系分泌
物可能刺激某些有害微生物的生长和繁殖,致使大
豆产生连作障碍[6];西瓜根系分泌物极大地增强了
西瓜枯萎病菌孢子的萌发和形成,与水稻间作时会
减轻西瓜枯萎病的发生[7]。甜瓜化感作用的研究
较少,主要集中在探讨其他作物水浸液或根系分泌
物对甜瓜的影响[8~10],张志忠等[11]新近研究了植
株水浸提液介导甜瓜自毒作用的差异基因表达情
况,为探讨甜瓜化感自毒作用的分子机理和相关基
因的克隆提供了理论依据。尚未有甜瓜根系分泌
物介导自毒作用分子机理的研究报道,鉴于根系分
泌物在植物自毒效应中发挥重要作用,利用根系分
泌物处理甜瓜幼苗,采用cDNA-AFLP技术分析
相关基因及其表达情况,探讨甜瓜自毒作用的分子
机制。
DOI:10.13842/j.cnki.issn1671-8151.2013.04.015
1 材料与方法
1.1 材料
甜瓜(Cucumis melo L.)品种:新银辉,购于福
州市农嘉种业股份有限公司。
1.2 方法
1.2.1 材料处理
甜瓜种子接种于1/2MS培养基,每瓶5粒,
培养温度26℃,光强2000lx,光照12h,生长至根
系布满瓶底,切除根系以上部分。培养条件同上,
生长约3w的甜瓜苗带根移栽至只有根系的培养
基中,处理0、2、4、6d取幼苗叶片用于提取RNA。
1.2.2 RNA的获取和cDNA的合成
利用试剂盒提取甜瓜叶片总RNA,第一链合成
参照Fermentas公司的 RevertAidTM First Strand
cDNA Synthesis试剂盒的说明书,取5μg RNA反
转录成cDNA。cDNA第二链的合成采用LD-PCR
进行,双链cDNA用紫外分光光度法检测。
1.2.3 cDNA-AFLP分析
经纯化的双链cDNA进行EcoRI和Mse I组
合酶切,酶切体系:cDNA 20μL,Buffer R 4μL,
EcoRI 0.5μL,Mse I 0.5μL,补水至40μL。
EcoRⅠ 预扩增和选择性扩增引物分别为:5′-
GACTGCGATCCAATTC-3′;5′-GACTGCGATC
CAATTCNN-3′;MseⅠ预扩增和选择性扩增引物
分 别 为:5′-GATGAGTCCTGAGTAA-3′;5′-
GATGAGTCCTGAGTAAAC-3′。预扩产物稀释
100倍后,用于选择性扩增。选择性扩增产物在
6%聚丙烯酰胺凝胶上50W 功率进行电泳分离,
银染法显示条带。回收具有明显差异的片段测序,
有效TDFs序列提交 NCBI进行BLAST比对,进
行相关生物信息学分析。
2 结果与分析
2.1 cDNA-AFLP分析
利用63对引物组合进行选择性扩增,平均每
对引物组合可扩增出15~30条TDFs,片段长度
在50~700bp之间。基因表达模式大致可分为:
上调、下调、瞬时和持续表达4类(图1)。
图1 部分引物组合的cDNA-AFLP图谱
Fig.1 cDNA-AFLP map of several primer pairs
注:A,上调表达;B,下调表达;C,瞬时表达;D,持续表达。
Note:A,up-regulated;B,down-regulated;C,transiently-expressed;D,constitutively-expressed.
上调表达类随着处理时间延长表达量不断增
加,此类基因可能是甜瓜主动防御体系中的重要组
分。下调表达类随着处理时间延长表达量不断减
少,在胁迫初期有少量表达,处理后期部分已检测
不到,这类可能是被自毒效应抑制的相关过程中的
基因。瞬时表达类出现在胁迫处理的某个或某几
个阶段,可能是具有特殊作用的调控因子,在植株
受到胁迫时被诱导表达,发挥作用后迅速降解。持
续表达类在所有处理中无明显变化,可能是植物基
础代谢相关基因,其表达量不受或较少到受外界因
素影响。
33333(4) 谢新蕊等:甜瓜根分泌物介导自毒作用差异基因表达分析
2.2 cDNA差异片段的回收、测序及同源性分析
选取有明显差异的片段进行纯化回收、测序。
将得到的这些TDFs序列在NCBI里进行比对,其
中42条同源性高的TDFs序列列于下表(表1)。
表1 cDNA-AFLP分析甜瓜化感自毒作用差异表达基因的同源性分析
Table 1 Homologies of alelopathy TDF sequences isolated by cDNA-AFLP analysis for melon with self-alelopathy
功能分类
Function type
克隆编号
Clones Code
推测蛋白
Putative protein
物种
Organism
相似度
Similarity/%
E值
E-value
差异条带类型
TDFs type
能量代谢
相关
TDF2A 生长素诱导的β-葡萄糖苷酶 玉米 74 3E-10 上调表达
TDF16 过渡期的内质网ATP酶 拟南芥 93 7E-16 瞬时表达
TDF21A 真核细胞肽链释放因子亚基 苜蓿 83 6E-30 瞬时表达
TDF27A β半乳糖苷酶 苜蓿 60 5E-23 下调表达
TDF31A 转酮酶家族蛋白 拟南芥 94 6E-53 瞬时表达
TDF41B β淀粉酶 苜蓿 74 3E-13 瞬时表达
TDF50A 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶亚基 野芭蕉 50 2E-05 上调表达
TDF62 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶亚基 黄瓜 84 1E-21 下调表达
物质合成
与运输相关
TDF2C 依赖ATP的SK12/DOB1蛋白 拟南芥 70 1E-33 上调表达
TDF6B 核糖体蛋白S3 黄瓜 98 2E-32 上调表达
TDF6D 核糖体蛋白S3 黄瓜 97 3E-32 上调表达
TDF13A 卤酸脱卤酶酸性磷酸酶亚族 拟南芥 61 9E-23 下调表达
TDF28A 阳离子转运体NCS1 拟南芥 68 7E-41 瞬时表达
TDF28B 细胞色素b5 烟草 81 5E-27 下调表达
TDF30A 精氨琥珀酸合成酶 拟南芥 84 5E-18 上调表达
TDF33A 乙酰羟酸还原异构酶 豌豆 89 2E-08 下调表达
TDF41A 质膜Ca2+-ATP酶 大豆 88 3E-49 瞬时表达
TDF51D 40S核糖体蛋白S18 拟南芥 87 2E-28 上调表达
TDF52A 水通道蛋白液泡膜内在蛋白 拟南芥 86 8E-38 瞬时表达
TDF52E 水通道蛋白 烟草 92 2E-05 瞬时表达
TDF61C 核糖体蛋白S3 黄瓜 96 1E-23 下调表达
逆境相关
TDF1A 依赖ATP的RNA解旋酶 苜蓿 92 1E-70 上调表达
TDF4B 热激蛋白 黄瓜 97 3E-64 上调表达
TDF19 受伤响应蛋白 拟南芥 54 1.3 上调表达
TDF25A 泛素活化酶E 苜蓿 78 3E-39 上调表达
TDF28C 铁氧还原蛋白 聚球藻属 50 1 上调表达
TDF50B 丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶 拟南芥 78 2E-18 下调表达
TDF51C 富含亮氨酸重复序列类抗病蛋白 大白菜 82 2E-26 下调表达
TDF61A 水杨酸诱导葡糖基转移酶 烟草 58 8E-16 瞬时表达
TDF61B 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 苜蓿 76 2E-09 上调表达
基因调控
与信号
传导相关
TDF4A F-box蛋白质 苜蓿 60 3E-16 上调表达
TDF7 锌指蛋白 拟南芥 53 6E-19 上调表达
TDF17A 锚蛋白 粳稻 55 1E-06 瞬时表达
TDF17B 锌指蛋白(CCCH类) 拟南芥 83 3E-32 上调表达
TDF27B SCL13(scarecrow-like protein 13-like)蛋白 黄瓜 96 2E-28 上调表达
TDF31B 核酸内切酶 西葫芦 98 4E-25 上调表达
TDF51B Ras相关小GTP结合蛋白 拟南芥 78 7E-22 下调表达
TDF52C 磷脂酶D 黄瓜 59 9E-19 瞬时表达
TDF53A AUX/IAA蛋白 黄瓜 96 2E-07 下调表达
TDF57A 锚蛋白重复蛋白 拟南芥 76 5E-25 下调表达
TDF57C 锌指Ran结合结构域蛋白 苜蓿 50 3E-04 下调表达
TDF60B 锌指蛋白(CCHC类) 拟南芥 68 4E-09 下调表达
3 讨论与结论
利用cDNA-AFLP技术分析甜瓜化感作用,
获得的和甜瓜根系分泌物自毒作用相关的差异表
达基因片段,广泛地涉及能量代谢、物质合成与运
输、逆境诱导和基因调控及信号传导等过程,说明
433 山 西 农 业 大 学 学 报(自然科学版) 2013
甜瓜化感自毒作用的分子调控机制十分复杂。实
验中获得的有效TDFs中上调表达比例最高,表明
甜瓜更多地是通过主动调控来抵抗化感自毒作用
的伤害。如β-葡萄糖苷酶(TDF2A)参与能量代
谢过程,属于水解酶类,与萜烯类有密切关系[12],
在许多植物中萜烯类都是很重要的化感物质,随着
胁迫处理时间延长,此基因表达量增加,可能和甜
瓜化感物质合成有关。水通道蛋白(TDF52A)参
与物质合成与运输,包括4个家族[13],在植物水分
运输、离子的选择透过性、渗透调节、种子萌发的吸
胀作用等许多生理过程中均起重要作用[14,15]。该
基因在胁迫6d时才表达,可能在处理后期植物通
过增强这类基因的表达进而加强对细胞膨压的主
动调节以抵抗逆境。泛素活化酶(TDF25A)参与
细胞周期调控,抗逆、抗病、衰老和信号转导等多个
过程[16~18]。泛素活化酶随胁迫处理时间延长表达
量增加,可能在甜瓜自毒作用中起重要作用。锌指
蛋白参与基因调控与信号转导等过程,和植物生长
发育调控、胁迫应答关系密切[19],多个家族的锌指
蛋白参与了甜瓜的自毒作用调节,表现出不同的表
达模式,此课题值得深入研究。
参 考 文 献
[1]高子勤,张淑香.连作障碍于根际微生态研究iv.根系分泌物及其生态效应[J].应用生态学报,1998,9(5):549-554.
[2]Yu J Q,Matsui Y.Extraction and identification of phytotoxic substances accumulated in nutrient solution for the hydroponic culture of
tomato[J].Soil Science and Plant Nutrition,1993,39(4):691-700.
[3]王芳.茄子连作障碍机理研究[D].中国农业大学,2003.
[4]喻景权,杜尧舜.蔬菜设施栽培可持续发展中的连作障碍问题[J].沈阳农业大学学报,2000,31(1):124-126.
[5]Ye S F,Yu J Q,Peng Y H,et al.Incidence of Fusarium wilt in Cucumis sativus L.is promoted by cinnamic acid,an autotoxin in root
exudates[J].Plant and Soil,2004,263(1):143-150.
[6]韩丽梅,王树起,鞠会艳,等.大豆根分泌物的鉴定及其化感作用的初步研究[J].大豆科学,2000,19(2):119-125.
[7]Wen Y H,Li X R,Wei R,et al.Alelopathic effects of root exudates from watermelon and rice plants on Fusarium oxysporumf.sp.
niveum[J].Plant Soil,2010,336(1-2):485-497.
[8]陈友根,朱世东,陶鸿,等.大蒜根系水浸液处理对连作甜瓜光合及荧光特性的影响[J].中国农学通报,2008,24(12):339-343.
[9]庄敬华,杨长成,唐树戈,等,几种设施蔬菜根系浸提液对甜瓜的化感作用[J].种子,2009,28(11):94-96.
[10]金扬秀,谢关林,孙祥良,等,大蒜轮作与瓜类枯萎病发病的关系[J].上海交通大学学报:农业科学版,2003,21(1):9-12.
[11]张志忠,孙志浩,陈文辉,等,甜瓜化感自毒作用响应基因的cDNA-AFLP分析[J].中国生态农业学报,2012,20(12):1514-1520.
[12]李远华,江昌俊,余有本.茶树β-葡萄糖苷酶基因mRNA的表达[J].南京农业大学学报,2005,28(2):103-106.
[13]Johansson I,Karlsson M,Johanson U,et al.The role of aquaporins in celular and whole plant water balance[J].Biochimica et Bio-
physica Acta(BBA)-Biomembranes,2000,1465(1-2):324-342.
[14]李仁,吴新新,李蔚,等.番茄水通道蛋白基因SlAQP的克隆与序列分析[J].中国农业科学,2012,45(2):302-310.
[15]林江波,王伟英,邹晖,等.中国水仙水通道蛋白基因cDNA克隆、序列分析与表达[J].福建农业学报,2011,26(3):371-376.
[16]许传俊,李玲.泛素/26S蛋白酶体途径与植物的生长发育[J].西北植物学报,2007,27(3):635-643.
[17]黄海杰,陈雄庭.植物泛素/26S蛋白酶体途径研究进展[J].中国生物工程杂志,2008,28(7):127-132.
[18]宋素胜,谢道昕.泛素蛋白酶体途径及其对植物生长发育的调控[J].植物学通报,2006,23(5):564-577.
[19]玉晓红,曾正明,苗雁文,等.水稻锌指蛋白基因OsZRL过表达对根系发育的影响[J].山西农业大学学报:自然科学版,2011,31
(4):343-348.
53333(4) 谢新蕊等:甜瓜根分泌物介导自毒作用差异基因表达分析