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拒盐型牧草小花碱茅PutHKT2;1基因表达模式分析



全 文 :29卷09期
Vol.29,No.09
草 业 科 学
PRATACULTURAL SCIENCE
1379-1383
09/2012
拒盐型牧草小花碱茅PutHKT2;1
基因表达模式分析
李 剑,张金林
(兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室,甘肃 兰州730020)
摘要:本研究以拒盐型盐生牧草小花碱茅(Puccinellia tenuiflora)为材料,采用RT-PCR方法对小花碱茅PutH-
KT2;1基因表达模式进行研究,以期阐明其在盐胁迫下拒 Na+的分子机制。结果表明,PutHKT2;1基因表达
存在组织特异性,主要在根中表达,地上部表达量相对较低;K+ 饥饿处理条件下,在根中的表达量最高;在1
mmol·L-1 K+或无K+条件下,根中PutHKT2;1表达量随着盐浓度的增大而减少。由此推断,PutHKT2;1蛋
白主要在根部发挥作用,主要用于控制Na+吸收,增强K+选择性吸收能力,从而维持地上部较高的K+/Na+,提
高其耐盐性。
关键词:小花碱茅;PutHKT2;1;表达模式分析;耐盐性
中图分类号:S543+.903;Q943.2   文献标识码:A   文章编号:1001-0629(2012)09-1379-05

  小花碱茅(Puccinellia tenuiflora)为禾本科碱
茅属多年生草本植物,主要分布于我国东北和西北
地区,能够在盐碱地正常生长,草质柔软,适口性好,
是一种能够改良盐碱地的优良牧草[1-2]。研究发现,
生长于盐渍生境下的小花碱茅具有很强的拒 Na+
能力,以保持其体内低的 Na+ 浓度,增强其耐盐
性[3-4]。Wang等[5]研究发现,小花碱茅根部对K+/
Na+选择吸收能力很强,大约是小麦(Triticum aes-
tivum)的2倍。Wang等[6]采用22 Na+同位素示踪
技术证明小花碱茅耐盐的主要生理机制是其根系能
控制Na+内流,对K+有强的选择性,从而提高体内
K+/Na+,而其耐盐的分子机制尚不清楚。生长于
盐渍生境中的植物,其体内存在多种与耐盐相关的
转运蛋白,其中高亲和性K+转运蛋白HKT是目前
研究的热点。HKT蛋白是广泛存在于植物和一些
原核生物中的一类超级蛋白家族[7-8]。根据异源表
达系统中转运特性的差异,通常将 HKT蛋白分为
两大类:第一类以拟南芥(Arabidopsis thaliana)
AtHKT1;1研究最多,通常为 Na+ 专一转运蛋
白[9-11];第二类以水稻(Oryza sativa)OsHKT2;1
和小麦 TaHKT2;1为代表,TaHKT2;1为 K+-
Na+ 共转运蛋白[12-13],而 OsHKT2;1是例外,为
Na+转运蛋白[14-16]。HKT蛋白的离子转运特性与
其结构密切相关,目前公认的8次跨膜结构模
型[17],及拥有8个跨膜螺旋和中间的4个P环,已
经在拟南芥、水稻等植物中得到证实[18-19]。研究发
现,在 HKT蛋白的P环或离P环很近的区域上存
在与K+、Na+选择性吸收相关的多个位点[18],且关
于第1个P环过滤器位置的甘氨酸或丝氨酸残基
与离子选择性密切相关,具有甘氨酸残基的 HKT
通常为K+-Na+共转运蛋白,而具有丝氨酸残基的
通常为Na+转运蛋白[20],小花碱茅PutHKT2;1第
1个P环处为甘氨酸,因此推测可能为 K+-Na+共
转运蛋白。
Na+是盐渍化土壤中的主要毒害离子,抑制
K+吸收,引起渗透胁迫和离子胁迫,严重威胁植物
的正常生长[8,21]。植物可以通过限制根部 Na+ 吸
收,减小 Na+向地上部转运,通过再循环途径卸载
地上部过多的Na+,将Na+区域化到地上部的特殊
部位并积累或将 Na+分泌到体外等诸多过程减轻
① 收稿日期:2011-07-12  接受日期:2011-08-19
基金项目:国家自然科学基金项目(31172256);教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-11-0217);兰州市科技发展计划项目(2010-
1-39);中央高校基本科研业务费专项资金项目(lzujbky-2010-2)
作者简介:李剑(1985-),男,河南济源人,在读硕士生,主要从事牧草逆境生理与分子生物学研究。E-mail:lijian2009@lzu.edu.cn
通信作者:张金林 E-mail:jlzhang@lzu.edu.cn
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盐渍胁迫[22]。HKT蛋白在这些过程中发挥重要作
用,能够减轻胁迫对植物的损害[8,19,23-25]。
1 材料与方法
1.1 材料处理 小花碱茅种子于2010年采自甘
肃省张掖市临泽县白寨村盐碱地。挑选颗粒饱满的
种子均匀地撒在筛网上,暗培养至发芽后转移至培
养室中,浇灌 Hoagland营养液。培养4周后,将幼
苗移栽入样品处理盒中,适应2d后施以各种处理。
K+饥饿处理时,将 KNO3 从营养液中移除,NO3-
用NH4NO3 补齐。处理24h后,分别取100mg幼
根和地上部,经无菌水冲洗后,置于干净滤纸上吸干
水分,快速放入1.5mL离心管中,经液氮速冻后转
移至-70℃冰箱中保存或直接用于总RNA提取。
培养室昼夜温度为 28 ℃/22 ℃,光照周期 16
h·d-1,光照强度约为600μmol·m
-2·s-1,空气
相对湿度为60%~80%。Hoagland营养液组分:1
mmol·L-1 KNO3,1 mmol·L-1 NH4H2PO4,0.5
mmol· L-1  MgSO4 ·7H2O,0.5 mmol· L-1
Ca(NO3)2· 4H2O,92 μmol · L
-1  H3BO3,18
μmol·L
-1 MnCl2·4H2O,1.6μmol·L
-1 ZnSO4·7
H2O,0.6μmol·L
-1 CuSO4·5H2O,0.7μmol·L
-1
(NH4)6Mo7O24·4H2O,59μmol·L
-1 Fe-citrate。
1.2主要试剂 总RNA提取试剂盒(上海生工生
物工程有限公司),cDNA第一链合成试剂盒(大连
宝生物工程有限公司),普通PCR扩增试剂盒(上海
生工生物工程有限公司),UNIQ-10PCR产物回收
试剂盒(上海生工生物工程有限公司),pMD19-T
Simple克隆载体(大连宝生物工程有限公司),DNA
ladder(北京天根生化科技有限公司),大肠杆菌感
受态细胞(北京天根生化科技有限公司),Esche-
richia coli.DH5a菌株由兰州大学草类逆境生理与
基因工程实验室保存。
1.3研究方法
1.3.1总RNA提取 总RNA的提取依照总RNA
提取试剂盒说明书进行。用1.0%甲醛变性凝胶电
泳鉴定其完整性,用核酸蛋白检测仪 NanoDrop
1000检测其纯度和浓度。
1.3.2 PutHKT2;1基因表达片段的扩增 反转录
过程依据cDNA 第一链合成试剂盒说明书进行。
根据PutHKT2;1全长cDNA序列,利用生物软件
(DNAMAN和Primer Premier 5.0)设计一对特异
性引物P1 和P2,目的片段长度为497bp。引物由
上海生工生物工程有限公司合成。P1:5′-TGCA-
CAGCCTCAGTCGAATCAGTAG-3′;P2:5′-AT-
TCCTCTTAAACTCTGCAGAACTC-3′。PCR 反
应体系:10× PCR Buffer 5μL,25mmol·L
-1
MgCl22.5μL,2 mmol·L
-1 dNTP 5μL,10
μmol·L
-1 P1 和P2 各1μL,Taq DNA polymerase
(5U·μL
-1)0.5μL,cDNA 2μL,加无菌水至总体
积50μL。反应程序:94℃2min;94℃变性30s、
57℃退火30s、72℃延伸40s,30个循环;最后72
℃延伸10min。PCR产物的回收和纯化依据胶回
收试剂盒操作说明书进行,将回收到的PCR产物连
接到 pMD19-T Simple 载体上,转化大肠 杆 菌
DH5α感受态细胞,之后在含有氨苄青霉素的 LB
固体培养基上进行蓝白斑筛选,将阳性克隆送上海
生工生物工程有限公司测序。
1.3.3 PutHKT2;1基因表达模式分析 将4周龄
小花碱茅在①1mmol·L-1 K+和0mmol·L-1 Na+;
②0 mmol·L-1 K+ 和 0 mmol·L-1 Na+;③1
mmol·L-1 K+和25mmol·L-1 Na+;④0mmol·L-1
K+和25mmol·L-1 Na+;⑤1mmol·L-1 K+和300
mmol·L-1 Na+;⑥0mmol·L-1 K+和300mmol·L-1
Na+6种不同条件下处理24h后收获,分别提取总
RNA,立即反转录为cDNA于-20℃保存,用于表达模
式分析。内参基因Actin参照王生银等[26]所扩增到片
段,P3:5′-GTGGTCGTACAACTGGTATTGTG-3′;P4:5′-
GCACCTCCAATCCAGACACTG-3′,片段长度598bp。
PCR反应体系:10×PCR Bufer 5μL,25mmol·L
-1
MgCl23μL,2mmol·L
-1 dNTP 5μL,10μmol·L
-1 P3
1μL,P41μL,Taq DNA polymerase(5U·μL
-1)0.5μL,
cDNA 2μL,加无菌水至总体积50μL。反应程序:94℃
2min;94℃变性30s、56℃退火30s、72℃延伸45s,30
个循环;最后72℃延伸10min。以Actin基因为内参,
分析PutHKT2;1基因在不同处理下的表达情况。
2 结果与分析
2.1总RNA的提取与检测 从小花碱茅根和
地上部提取总RNA,甲醛变性胶显示提取的RNA
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完整性较好;经NanoDrop 1000核酸蛋白检测仪测
得OD260nm/OD280nm都在1.8~2.0,表明RNA纯度
较高,很少有DNA和蛋白质污染,可用于下一步试
验。
2.2 PutHKT2;1基因表达片段的克隆 以
cDNA为模板,用特异性引物P1 和P2 扩增出1条
497bp长的条带(图1)。测序结果表明,所克隆到
的片段为PutHKT2;1 基因片段目的片段上下均
没有弥散,且没有引物二聚体生成。表明引物特异
性非常高,完全满足后续表达模式分析实验。
图1 PutHKT2;1基因表达片段的克隆
Fig.1 Cloning of expression fragment of PutHKT2;1
注:M为 Marker;1为基因片段PCR产物。
Note:M,Marker;1,PCR production.
2.3 PutHKT2;1基因在不同处理下的表达
 PutHKT2;1基因受 K+饥饿诱导,可以在小花
碱茅根中和地上部表达。在6种处理条件下,根中
的表 达 量 都 比 地 上 部 高,说 明 PutHKT2;1
基因表达存在组织特异性(图2、图3)。根中K+饥
图2 PutHKT2;1在根中的表达模式图
Fig.2 PutHKT2;1 expression pattern in the root
注:1,1 mmol·L-1 K+ & 0 mmol·L-1  Na+;2,0
mmol·L-1 K+ &0mmol·L-1 Na+;3,1mmol·L-1 K+
& 25 mmol·L-1  Na+;4,0 mmol· L-1  K+ & 25
mmol·L-1 Na+;5,1mmol·L-1 K+ &300mmol·L-1
Na+;6,0mmol·L-1 K+ &300mmol·L-1 Na+.下同。
The same below.
图3 PutHKT2;1在地上部的表达模式图
Fig.3 PutHKT2;1 expression pattern in the shoot
饿处理时,表达量最高,且明显高于其他处理下的表
达量,在1mmol·L-1 K+ 或无 K+ 条件下,根中
PutHKT2;1表达量随着盐浓度的增大而减少。在
不同处理条件下,地上部表达量相对较低,且变化幅
度不大。
3 讨论与结论
高亲和性K+转运蛋白HKT2;1能够控制根部
Na+吸收,增强对K+的选择吸收能力,从而维持地
上部高的K+/Na+,从而提高植株的耐盐性[8]。小
麦PutHKT2;1基因首次被克隆后[12],人们相继在
水稻、大麦(Hordeum vulgar)和芦苇(Phragmites
australis)等 植 物 中 也 发 现 了 HKT2;1 基
因[14,27-28]。基因的表达模式分析与其生理功能密不
可分。小麦TaHKT2;1 基因主要在根皮层细胞、
叶和茎中表达,说明高亲和性 K+吸收可以在多种
植物组织中进行;TaHKT2;1 在根的皮层细胞中
表达,暗示皮层细胞具有很高的吸收 K+ 的活性;
TaHKT2;1可以在叶维管组织的细胞层表达,说
明TaHKT2;1能够参与地上部中K+的转运[12-13]。
Laurie等[29]将反义的TaHKT2;1转入小麦后,转
基因植株耐盐性增强,认为TaHKT2;1在整株水平
上的生理功能是介导Na+的吸收,说明皮层细胞不
仅能够吸K+,对Na+也有较高的吸收活性。Horie
等[15]研究发现,水稻OsHKT2;1 基因主要在根部
皮层和内皮层中表达,在叶维管束中也有表达,受低
K+条件诱导,在无 K+时表达丰度最高,但同时加
入Na+后,表达量急剧下调;进一步研究发现,水稻
OsHKT2;1在整株水平上的生理功能是,在缺 K+
时,能够介导根部吸收有益Na+,部分代替K+的生
理功能,这与OsHKT2;1 基因在根部的表达量最
高密切联系。另有研究也发现,水稻OsHKT2;1能
够介导根部对 Na+的高亲和性吸收[16]。本研究发
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现,小花碱茅PutHKT2;1 主要在根中表达,地上
部表达量较少,推测PutHKT2;1可能主要介导根
部对离子的吸收;在无 K+ 无 Na+ 条件下,根中
PutHKT2;1表达量最高,说明PutHKT2;1有可
能参 与 根 部 对 K+ 的 高 亲 和 性 吸 收。在 1
mmol·L-1 K+或无K+条件下,根中PutHKT2;1
表达量随着盐浓度的增大而减少,在低盐浓度且
K+饥饿时,PutHKT2;1可能参与小花碱茅根部
Na+吸收,PutHKT2;1表达量较大;当盐浓度增大
后,小花碱茅不再吸入过多的 Na+ 进入体内,
PutHKT2;1 表达量降低,因此推测PutHKT2;1
能够控制小花碱茅根部 Na+吸收。下一步试验将
对PutHKT2;1基因进行亚细胞定位,进一步探索
小花碱茅PutHKT2;1的生理功能。
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Expression pattern analysis of a high-affinity K+transporter gene PutHKT2;1
from halophyte Puccinellia tenuiflora
LI Jian,ZHANG Jin-Lin
(Colege of Pastoral Agricultural Science and Technology,Lanzhou University;
State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems,Lanzhou 730020,China)
Abstract:The HKT transporters from higher plants function as relatively K+-Na+transporters,playing
vital roles in salt tolerance.We analyzed the expression pattern of PutHKT2;1 from Puccinellia tenui-
flora by RT-PCR method.The results showed that the expression of PutHKT2;1 was induced dramatic-
aly in roots under K+-starvation stress for 24h,but its expression was only slightly regulated by al stres-
ses in shoots,therefore,the expression of PutHKT2;1had tissue specificity.Under 1mmol·L-1 K+or
K+-starvation stress,PutHKT2;1 expression gradualy decreased with salt concentration increase.PutH-
KT2;1may play an important role in roots,which may control Na+ uptake,strengthen the selectivity of
K+over Na+and enhance salt tolerance.
Key words:Puccinellia tenuiflora;PutHKT2;1;expression pattern analysis;salt tolerance
Corresponding author:ZHANG Jin-Lin E-mail:jlzhang@lzu.edu.cn
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