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小立碗藓细胞重新编程过程中染色体重塑观察



全 文 :书北京农学院学报 2015,30 (2):1-4
Journal of Beijing University of Agriculture
http://bnxb.cbpt.cnki.net
doi:10.13473/cnki.issn.1002-3186.2015.0010
  收稿日期:2014-10-08
  基金项目:国家自然科学基金面上项目 (31371243)
  第一作者:蔺迎月,女,研究方向:植物分子生物学
  通信作者:王晓琴,女,副教授,研究方向:植物发育生物学,E-mail:wangxq@bua.edu.cn
小立碗藓细胞重新编程过程中染色体重塑观察
蔺迎月,吴斯俊,王晓琴
(农业部都市农业 (北方)重点实验室;北京农学院 生物科学与工程学院,北京102206)
摘 要:小立碗藓 (Physcomitrella patens)是研究植物发育的理想模式植物,也是目前发现的具有高频率同源
重组特性的植物,其再生能力很强。此研究以生长7d的小立碗藓原丝体、培养0d的原生质体和再生2d的原
生质体为材料,旨在了解小立碗藓细胞重新编程过程中染色体结构的动态变化。透射电镜观察发现原丝体染色
体结构浓缩程度高;而当原丝体脱去细胞壁成原生质体状态时,异染色质开始解凝,染色体结构变得较为松散;
原生质体再生2d时其染色体松散程度次之。通过进一步荧光定量PCR分析染色体重塑相关基因SWI/SNF的表
达水平,发现这些基因在原生质体中表达量最高。
关键词:小立碗藓;重新编程;透射电镜;染色体结构;荧光定量PCR
中图分类号:Q 291 文章编号:1002-3186(2015)02-0001-04 文献标志码:A 网络出版时间:2015-01-05 14:31
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2156.S.20150105.1625.036.html
Chromosome remodeling during cel reprogramming in the
moss Physcomitrella patens
LIN Yingyue,WU Sijun,WANG Xiaoqin
(Key Laboratory of Urban Agriculture(North)Ministry of Agriculture,Colege of Biological Science and Engineering,
Beijing University of Agriculture,Beijing 102206,China)
Abstract:Physcomitrella patens is an ideal model to study plant development.It is the only multicelular eukaryote that shows
a high rate of homologous recombination,and has a strong ability to regenerate.Here,using P.patens,we have applied chro-
mosome analysis for protonemata,protoplasts made therefrom,and protoplasts regenerated for 2days.By devoid of cel wals,
chromatin decondensation in protoplasts had ensued.Protoplasts regenerated for 2days showed lightly chromatin decondensati-
on.The mRNA expressions of SWI/SNF complexes,which are essential component of the chromatin remodeling,were ana-
lyzed by quantitative PCR.It showed that these genes were up-regulated in protoplasts.
Keywords:Physcomitrella patens;protoplasts;TEM;chromosome;quantitative PCR
  近年来,越来越多的学者以小立碗藓为材料从
事功能基因组学、发育生物学、植物生理及系统进化
等方面的研究并取得了新进展。小立碗藓是一种低
等的苔藓植物,也是目前发现的具有高频率同源重
组特性的植物[1-3]。其生命周期短,生活史主要包括
单倍体的配子体世代和二倍体的孢子体世代。其
中,孢子体世代非常短暂,而单倍体的配子体时期占
整个生活史的大部分。在自然情况下,孢子萌发形
成初级的绿丝体,绿丝体逐渐分支,形成新的绿丝
体,其中有一部分绿丝体开始向轴丝体转换,而此时
的绿丝体和轴丝体统称为原丝体,之后轴丝体进一
步长出芽,最后经过细胞分化最终形成具有配子托
和假根的茎叶体,此后颈卵器和精子器在有水的情
况下,雌雄配子融合形成二倍体的孢子,完成整个生
活史。对于小立碗藓无论是原生质体,还是植物组
织的片段,或是萌发的孢子,都可以形成原丝体,是
2  北 京 农 学 院 学 报 第30卷
一种再生能力很强的植物。然而,小立碗藓再生机
制的研究报道较少。
  Wang(2014)[4]等研究发现,小立碗藓细胞脱去
细胞壁形成原生质体及其再生2d时,DNA 甲基
化、组蛋白修饰、染色体重塑、转录和激素调节等相
关蛋白被磷酸化,并指出了小立碗藓细胞重新编程
的分子机制。但小立碗藓获得全能性过程中染色体
结构是如何变化的研究少见报道。为了揭示小立碗
藓细胞重新编程过程中染色体结构的动态变化,此
研究以生长7d的小立碗藓原丝体、培养0d的原生
质体和再生2d的原生质体为材料,运用透射电镜
观察小立碗藓原生质体获得全能性过程中染色体结
构的变化,并采用荧光定量PCR分析了染色体重塑
相关基因的表达水平。
1 材料与方法
1.1 试验材料及培养条件
  野生型的小立碗藓“Gransden2004”由首都师
范大学何奕騉教授实验室提供。
  将生长在固体BCDA培养基[5]中的小立碗藓
置于25℃环境下培养,光强度为55μmol/s/m
2,光
周期为16h光照/8h黑暗。待原丝体生长7d,用
0.5%崩溃酶(Sigma公司)酶解40min制成0d的
原生质体,8.0%甘露醇洗涤3次后,用含有8.0%
甘露醇液体BCDA培养基培养原生质体2d,用500
g离心力离心5min收集培养0d的原生质体和2d
的原生质体。鲜样用2.5%戊二醛固定,用于透射
电镜观察,或液氮速冻保存于-80℃冰箱待用。
1.2 主要试剂
  BCDA完全培养基,D-甘露醇,2.5%戊二醛,0.1
mol/L磷酸缓冲液,崩溃酶(购自Sigma公司),反转
录试剂盒(购自北京全式金公司),SYBR Premix Ex
Taq TM实时荧光PCR染料(购自Takara公司)。
1.3 设备仪器
  飞利浦EM-420电子显微镜,iQ5实时荧光定
量PCR仪。
1.4 透射电镜观察
  将新鲜组织立即固定于含有2.5%戊二醛的
0.1mol/L磷酸缓冲液(pH7.0)中,然后在4℃保
存3h。固定的组织用0.1mol/L磷酸缓冲液进行
漂洗,后固定在1%的 OsO4溶液中,在4℃保存5
h,通过环氧丙烷提升乙醇脱水的质量,并包埋在
LX122的环氧树脂中。切片在饱和含水硝酸双氧
铀后染色5min后在柠檬酸铅中染色5min。用飞
利浦EM-420电子显微镜对标本进行观察。
1.5 Real-time PCR(实时荧光定量PCR)
  (1)RNA 提取:TRIzol(Invitrogen)法提取总
RNA。取小立碗藓材料0.1g,加液氮研磨成粉末,
加入1mLTRIzol,充分混匀,冰浴10min,加入0.2
mL氯仿,混匀,冰浴5min,4℃,12 000r/min离心
15min,取上清液加入等体积异丙醇,混匀,冰浴5
min,4℃,12 000r/min离心10min,沉淀用预冷的
75%乙醇清洗2次,冻干,加入30μL无核酸酶水溶
解检测RNA浓度,-30℃保存待用。
  (2)反转录RNA成第一条链cDNA:配制20μL
反转录体系,取2mL的无酶离心管依次加入0.1μL的
mRNA、10μL的2×TSⅡ反应混液、1μL的gDNA Re-
mover、1μL的AnchoredOligo(dT)20(0.5μg/μL)、1μL
的TransScriptⅡRT Enzyme,最后用RNase-free Water
定容到20μL。选取小立碗藓Actin基因作内参。
  (3)配制总共20μL的反应体系,取2mL的无
酶离心管依次加入1μL的cDNA、10μL的SYBR
荧光染料、1μL的Primer-F、1μL的Primer-R,再
加入7μL的ddH2O定容到20μL。
  (4)设置反应条件:将RNA置于95℃的水浴
锅中预变性30s,再将RNA放置PCR仪中设置95
℃变性15s,58℃退火30s,72℃延伸20s,并且设
置变性、退火、延伸三个过程循环40次,最后72℃
延伸10min。
  (5)结果计算:目标基因Real-time PCR重复3
次,其相对表达水平使用比较周期阈值方法计算[6]。
2 结果分析
2.1 透射电镜分析
  此研究用培养7d的小立碗藓原丝体、培养0
d的原生质体及培养2d的原生质体细胞,进行透
射电镜观察。如图1所示,A图为培养7d的原丝
体,细胞核较小,染色质十分紧密,处于压缩状态;
B图为培养0d的原生质体,此时的细胞核较培养
7d的原丝体的细胞核要大,且为清晰的圆形,染
色质较之前明显变得松散,出现解旋重塑现象;C
图为培养2d的原生质体,细胞开始出现极性生
长,其细胞核比原丝体的核大,比0d原生质体的
核较小,染色质较 A图变得松散,较B图变得聚
集。比较ABC三张图片可明显发现,细胞核大小
方面,培养0d的小立碗藓原生质体细胞核最大,
其次是培养2d的原生质体的细胞核,而培养7d
的原丝体的细胞核最小;染色质解凝程度方面,培
2015年第2期 蔺迎月 等:小立碗藓细胞重新编程过程中染色体重塑观察 3 
养0d的小立碗藓原生质体的染色质解凝程度最
大,其次是培养2d的原生质体,而培养7d的原
丝体的染色质最为紧密,解凝程度最小或是没有
发生解凝。
  A,培养7d的原丝体;B,培养0d的原生质体;C,培养2d的原生质体;Nu,细胞核;Ch,染色质;Bar=20μm
  A,Protonemata regenerated for 7days;B,Protoplasts regenerated for 0days;C,Protoplasts regenerated for 2days.Nu,Nucleus;Ch,
Chromatin.Bar=20μm
图1 透射电镜观察小立碗藓染色体的变化
Fig.1 Chromosome remodeling in P.patens tissues of protonemata,protoplasts,and protoplasts regenerated for 2days
2.2 染色质重塑基因表达量分析
2.2.1 RNA的提取 提取的RNA琼脂糖凝胶电
泳结果如图2所示,四条泳道分别为 Marker、野生
型7d原丝体、0d原生质体以及2d原生质体,除
Marker外,其他三条泳道可清晰的观察到28S和
18S亮纹条带,表明提取的总RNA的完整性良好。
图2 小立碗藓琼脂糖凝胶电泳的总RNA图
Fig.2 Agarose gel electrophoresis of total RNA in P.patens
2.2.2 染色质重塑基因表达量 如图3所示,小立
碗藓原生质体获得全能性过程中与细胞核染色质重
塑相关的基因表达量变化。Pp1s304_28V6.1(正向
引物 5′-TGGGATTGCGCCTTACAG,反向引物
5′-CCAGAACCACCGACAGAAA)、EDQ55014.1
(正向引物5′-AAGAGGAAAGGGCGTAGGAAC,
反向引物5′-GCTGGGTGTAAATCGCAGACT)、
EDQ76323.1(正向引物5′-CAAAGATGTGGTG-
GAGTGA,反 向 引 物 5′-TTCGCACTTGCCT-
TAGAG)、EDQ75023.1(正向引物 5′-CTTAT-
TATGGCACTGACCG,反 向 引 物 5′-GAGCCT-
CATCAAGGACAAT)为编码SWI/SNF染色质重
塑蛋白的基因,图3为这4个基因分别在7d原丝
体,0d原生质体,再生2d原生质体中的表达量变
化。结果表明,这4个基因都在0d原生质体中的
表达量最高,当原生质体再生2d时,其表达量下
降,EDQ55014.1和EDQ75023.1基因的表达量仍
远远高于原丝体。
图3 染色质重塑基因表达水平
Fig.3 mRNA expression patterns of the gene involved in
chromosome remodeling
3 讨 论
  植物原生质体指植物脱去细胞壁后被质膜包被
的裸露细胞,在适当培养条件下具有再生成完整植株
的全能性。植物原生质体一词始自 Hanstein(1880)
的研究,即指通过质壁分离,能够和细胞壁分开的那
4  北 京 农 学 院 学 报 第30卷
部分细胞物质。按照细胞全能性学说,离体的植物原
生质体和其他起源的细胞一样,在合适的离体培养条
件下,具有繁殖、分化、再生成完整植株的能力[7-8]。
染色质重塑是真核生物表观遗传调控的重要方式。
通过对染色质物理结构的调节,染色质重塑在高等动
植物干细胞的自我更新及分化,器官和个体发育以及
肿瘤发生等多种生物学过程中发挥重要作用。近年
来,高等动植物染色质重塑方面的研究已经成为表观
遗传学研究领域的热点[9-10]。此研究以生长7d的小
立碗藓原丝体、培养0d的原生质体和再生2d的原
生质体为材料,观察小立碗藓原生质体重新编程过程
中染色体结构的动态变化,发现在该过程中培养0d
的原生质体中染色质变得松散、染色质重塑、核仁变
大。前期研究发现ATP依赖的SWI/SNF(switching
defective/sucrose non-fermenting)基因调控染色质的
重塑,ATP释放能量,使得核心组蛋白八聚体在DNA
链上滑动,改变核小体间距,或将核小体移除或滑动,
或以置换组蛋白变体的方式来改变核小体的构象,使
靶基因的增强子、启动子或者DNA的复制区等暴露
出来,从而调控基因的表达、转录、复制、重组等[11]。
Pp1s304_28V6.1、EDQ55014.1、EDQ76323.1、EDQ
75023.1是4种编码SWI/SNF染色质重塑蛋白的
基因,此研究发现在小立碗藓原生质体重新编程过
程中,Pp1s304_28V6.1、EDQ55014.1、EDQ76323.1、
EDQ75023.1等4个基因在0d的原生质体中表达
量最高,此时染色质呈现最为松散的状态;当原生质
体再生2d时,其表达量下降,此时染色质松散状态
次之。此研究指出小立碗藓原生质体在细胞重新编
程过程中染色质发生重塑,小立碗藓细胞获得了全
能性。此外,小立碗藓原生质体中细胞核的变化有
待于进一步研究。
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