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Expression Analysis of Key Enzyme Genes of Nitrogen Synthesis from Tea Tree Leave under Different Nitrogen Level

不同氮浓度下茶树氮合成关键酶基因的表达分析


本研究以10月龄扦插九龙袍茶苗[Camellia sinensis (L.) O.Kuntze cv.Jiulongpao]为试验材料,通过沙培试验,设4个N浓度(0、60、600、6000 mmol·L-1),每周3次,处理后21周,克隆得到茶叶中氮合成转化关键酶基因:谷氨酸脱氢酶(GDH)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酰胺α-酮戊二酸氨基转移酶(GOGAT)的保守区,在GenBank登录号分别:JN602371、JN602372、JN602373;进行荧光定量PCR检测,发现缺氮下GS、GOGAT基因的表达增强;GDH基因表达显著下降。通过回归分析,GS基因表达与叶片氮含量呈负相关,而GDH与叶片氮含量呈正相关。


全 文 :  核 农 学 报  2014,28(6):0985 ~ 0989
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2013⁃08⁃20  接受日期:2014⁃01⁃08
基金项目:福建省自然科学基金项目 (2012J01098),国家茶叶产业技术体系项目 ( nycytx - 23),福建省农科院创新团队重点资助项目
(CXTD2011 - 18),福建农科院优质茶创新团队(CXTD - 1 - 1302)
作者简介:林郑和,男,副研究员,主要从事茶树生理与分子生物学研究。 E⁃mail:linzhenghe@ 126. com
通讯作者:陈常颂,男,副研究员,主要从事茶树遗传育种研究。 E⁃mail:ccs6536597@ 163. com
文章编号:1000⁃8551(2014)06⁃0985⁃05
不同氮浓度下茶树氮合成关键酶基因的表达分析
林郑和  钟秋生  陈常颂  陈志辉  游小妹
(福建省农业科学院茶叶研究所,福建 福安  355000)
摘  要:本研究以 10 月龄扦插九龙袍茶苗[Camellia sinensis (L. ) O. Kuntze cv. Jiulongpao]为试验材料,
通过沙培试验,设 4 个 N浓度(0、60、600、6000 mmol·L - 1),每周 3 次,处理后 21 周,克隆得到茶叶中氮
合成转化关键酶基因:谷氨酸脱氢酶(GDH)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酰胺 α -酮戊二酸氨基转移酶
(GOGAT)的保守区,在 GenBank 登录号分别:JN602371、JN602372、JN602373;进行荧光定量 PCR 检测,
发现缺氮下 GS、GOGAT基因的表达增强;GDH基因表达显著下降。 通过回归分析,GS基因表达与叶片
氮含量呈负相关,而 GDH与叶片氮含量呈正相关。
关键词:缺氮;基因;克隆;荧光定量 PCR
DOI:10􀆰 11869 / j. issn. 100⁃8551􀆰 2014􀆰 06. 0985
    氮是植物生长发育需求量最大的营养元素之一,
既是构成植物有机体的结构物质,也是植物生理代谢
过程中起催化作用的物质[1]。 在自然条件下,氮的吸
收主要来源于土壤,而土壤中的氮通常是有限的,因此
土壤缺氮成为世界范围内限制植物生长和发育的重要
因子之一[2]。
近年来植物氮代谢机理及其调控一直备受关
注[3]。 氮素对作物的生长发育起着关键作用,无机氮
只有转化成有机氮的形式才可以被植物体所利用[4],
在高等植物中,谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,
GS; E. C. 6􀆰 3􀆰 1􀆰 2)和谷氨酸合酶(Fd⁃ GOGAT, E.
C. 1􀆰 4􀆰 1􀆰 7;NADH⁃ GOGAT; E. C. 1􀆰 4􀆰 1􀆰 14)循环是
无机氮转化成有机氮形式的主要途径[5 - 6]。 谷氨酰胺
合成酶(glutamine synthetase,GS;E. C. 6􀆰 3􀆰 1􀆰 2)是将
无机氮转化为有机氮的第一个酶,亦是关键酶,催化不
同来源的氨与谷氨酸结合形成谷氨酰胺;而后谷氨酰
胺又在谷氨酸合成酶(glutamate synthetase,GOGAT;E.
C. 1􀆰 4􀆰 1􀆰 14)的催化下,将谷氨酰胺转移到 α - 酮戊
二酸上生成谷氨酸, 此连续反应过程被称为 “ GS⁃
GOGAT循环” [7]。
有研究表明,转 GS 基因小麦并没有提高 GS 的总
量,但某些株系中根量增大,籽粒增多,含氮量提
高[8];而特异表达烟草 GS2 基因促进了转基因烟草幼
苗的生长[4];Man 等[9]人认为,转 GS 基因的杨树,提
高了氮同化效率和生长。 随着氮代谢相关基因研究的
进一步深入,将为更加准确、及时地进行肥料运作提供
科学依据。
目前关于 GS、GDH 等相关报道大多数集中在小
麦[8]、水稻[10]、烟草[4]、甜菜[11]、橡胶树[12]、甜瓜[13]
等,而关于茶树 GS、GDH、GOGAT 等酶基因表达的研
究甚少。 本研究以福建省农科院茶叶所选育的九龙袍
(福建省审定品种,编号:闽审茶 2000002,无性系、灌
木型、中叶类、晚生种,二倍体)茶树品种为试验材料,
克隆茶树叶片 GS、GDH、GOGAT 酶基因的保守区,利
用实时荧光定量 PCR技术,分析其在不同氮处理浓度
下的表达差异,从分子水平上探讨氮素含量与 GS、
GDH、GOGAT酶基因表达的关系,为氮素吸收、转化、
利用提供依据。
1  材料与方法
1􀆰 1  试验材料
试验于 2011 - 2012 年在福建省农业科学院茶叶
研究所试验地完成。 试验所采用的品种为九龙袍
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[Camellia sinensis (L. ) O. Kuntze],选取 160 株生长
一致的 10 月龄扦插苗,盆栽于 6 L 的装满沙的花盆
中,每盆 2 株,每处理 20 盆,于自然温、光条件下培养。
营养液参照文献[14 - 16]配制,完全营养液包含 3
mmol·L - 1 NH4NO3,0􀆰 5mmol·L - 1 Ca(H2PO4) 2,1􀆰 0
mmol·L - 1K2SO4,0􀆰 5 mmol·L - 1 CaCl2,0􀆰 6 mmol·
L - 1 MgSO4, 46 μmol · L - 1 H3BO3, 9 μmol · L - 1
MnSO4, 9 μmol · L - 1 ZnSO4, 2μmol · L - 1 CuSO4,
2􀆰 6μmol·L - 1 Na2MoO4 和 30μmol· L - 1 Fe⁃EDTA。
移栽后培养 6 周,然后进行试验处理,每次每盆各处理
分别施含 0、60、600、6000mmol·L - 1 N 的 NH4NO3 营
养液约 500 mL,每周 3 次,处理后 21 周后取样。
1􀆰 2  试验方法
茶树叶片氮含量的测定:采用浓 H2SO4—H2O2 消
煮,用凯氏定氮仪(FOSS)进行测定。
GDH、GS、GOGAT 酶基因保守区的克隆引物设
计:根据 GenBank中已报道其他物种中的相关基因的
核苷酸序列,分别设计茶树叶片 GDH、GS、GOGAT 酶
基因保守区的上、下游引物,详见文献[17]。
1􀆰 3  不同浓度氮处理下 GDH、GS、GOGAT 酶基因
表达的荧光定量 PCR
1,3􀆰 1  引物设计  目的片段扩增引物,内参扩增引物
设计见表 1。
表 1  荧光定量引物设计(内参以 β- tublin)
Table 1  Primer sequences for the PCR amplification
基因
Gene
引物序列
Primer sequence
Forward primer (5′ - 3′)
引物序列
Primer sequence Reverse primer (5′ - 3′)
GOGAT TGCTTCAGGACGTTTTGGTGT CATGATGTGGAGGTGGGGATAT
GDH AAGCGGCAAATCATCCTACTGA TCGTCCCACATGAAACCTTGA
GS CCTCAGAAGCAAAGCAAGGACT AACATCAGGGTGGCTGAAAATC
β - tublin (Reference gene) CCCTTTACGACATCTGTTTCCG TGGCATCCCACATTTGCTG
1􀆰 3􀆰 2  荧光定量 PCR扩增分析  实时荧光定量 PCR
主要根据大连宝生物工程有限公司的 SYBR Premix Ex
Taq (perfect real time)说明书进行,荧光定量 PCR 扩
增标准程序:第一步:预变性 10s, 95℃ 30s,Reps:1
次;第二步:95℃ 5s,60℃ 30s,Reps:40 次。 反应结束,
在 60℃进行荧光信号采集,绘制融解曲线。 样本和内
参分别设 3 个重复,β - tublin 为内参, 以 0mmol·L - 1
N为对照(1)。
1􀆰 4  数据处理
试验数据用 DPS 数据处理系统进行差异显著性
分析(LSD法)。
2  结果与分析
2􀆰 1  不同浓度的氮处理下叶片氮含量的变化
图 1 可见,当供氮为 0 增加到 60mmol·L - 1 N时,
叶片氮含量未发生显著变化,之后随着供氮的增加,叶
片氮含量依次显著增加。
注:每一点为 4 次重复的平均值 ±标准误;
N1:0 mmol·L - 1;N2:60 mmol·L - 1;
N3:600 mmol·L - 1;N4:6000 mmol·L - 1。 下同。
Notes: Each point is mean ± standard error of 4
replicates; Nitrogen(N) concentration (mmol·L - 1):
0、60、600、6000m mol·L - 1 . The same as following.
图 1  供氮对茶树叶片氮含量的影响
Fig. 1  Effects of N supply on N contents of tea leaves
2􀆰 2  GDH、GS、GOGAT酶基因保守区的克隆
以茶树叶片(一芽二叶)总 RNA 进行逆转录合成
cDNA第一链,再以 cDNA 第一链为模板,以 GDH、
GOGAT、GS的上、下游引物,进行 PCR扩增,分别得到
一条 500、600、450bp 左右特异条带。 通过 Blast 工具
搜索 GenBank中与其同源的基因,发现搜索到的基因
分别为 GDH、GOGAT、GS 基因。 基因登入号分别为:
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  6 期 不同氮浓度下茶树氮合成关键酶基因的表达分析
Glutamate synthase ( GOGAT ): JN602371; Glutamate
dehydrogenase (GDH):JN602372;Glutamine synthetase
(GS):JN602373。 详见参考文献[17]。
图 2  供氮对茶树叶片 GDH、GS、GOGAT酶基因相对表达量的影响
Fig 2  Effects of N supply on GS、GDH、GOGAT gene relative expression content
2􀆰 3  不同浓度的氮处理下 GDH、GS、GOGAT 酶基
因的表达
以表 1 中的 GDH、GS、GOGAT引物对 4 个茶树种
质的一芽二叶进行实时荧光 PCR扩增,PCR扩增结束
后绘制融解曲线,产物融解曲线为单峰,无杂峰,表明
试验无污染,无非特异性产物。 同时 PCR扩增曲线也
显示出,每组样本的重复性较好(图 2)。 从图 2 可以
看出,GDH酶基因的表达随着供氮浓度的增加而增强
(图 2 - A),当供氮浓度为 6000 mmol·L - 1时,最大为
3􀆰 20;而 GOGAT酶基因在供氮为 0 时最大(为 1),之
后依次下降,变化幅度不大(图 2 - B);GS基因相对表
达量也在供氮为 0 时最大(为 1),之后下降,变化幅度
亦不大(图 2 - C)。 当供氮 6000mmol·L - 1时 GS基因
的表达下降到 0􀆰 46,下降了一半之多。
2􀆰 4  茶树叶片氮含量与 GS、GDH酶基因表达关系
从图 3 可见,随着叶片氮含量的增加,GS 基因的
相对表达直线下降 ( y = 1􀆰 8732 - 0􀆰 0735x, r2 =
0􀆰 9584),而 GDH 基因的相对表达却直线增加( y =
0􀆰 3086x - 2􀆰 9527,r2 = 0􀆰 8775)。
3  讨论
氮在农业生产中占有非常重要的地位,植物氮代
谢机理及其调控一直备受关注,同时,氮肥利用率低及
过量施用氮肥造成水环境污染的问题也是世界性难
题。 植物中所有的氮,无论是直接来源于硝酸盐、氨离
子、氮固定或植物代谢过程中释放的氨,都必须经过
GS催化的反应途径,1 个氮原子自土壤中吸收、同化、
再活化到最后积累为种子贮藏蛋白,需要经过多次 GS
催化的反应[18]。 本研究表明,随着供氮浓度的增加,
叶片氮含量依次增加(图 1),这与前人在苹果[19]、葡
萄[20]、云杉[21]、冬麦[22]、水稻[23]上观察到的结果相
似。
本研究表明缺氮下 GS(图 2 - C)、GOGAT(图 2 -
B)基因的表达增强;GDH 基因表达显著下降(图 2 -
A)。 有研究表明,水稻地上部分在短期缺氮胁迫下
GS、GOGAT基因的表达都大幅度增加,这与本研究结
果相似,但是随着缺氮胁迫时间延长, GDH、 GS、
GOGAT等基因的表达量均大幅下降[27]。 转 GS1 与
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图 3  茶树叶片氮含量与 GS、GDH酶基因表达关系
Fig 3  N content of tea tree leaves in relation to GS、GDH gene expression
GS2 基因水稻植株,通过杂交实验结果证实,GS1 和
GS2 基因在转基因水稻的转录水平上得到了有效表
达。 高效表达 GS增强了转基因水稻对土壤氮素缺乏
的耐性,这一结果也与本文相似。 Sun 等[10]也认为转
GS基因水稻,土壤氮素缺乏下,GS 基因高效表达,这
在甜菜叶片上也得出相类似的结果。 然而,在甜瓜[13]
中却认为在硝态氮处理下,随着氮浓度的增加,GS2 基
因的表达量增高,但是随着处理时间的延长而降低。
在铵态氮处理下,处理初期 GS2 基因的表达水平随着
氮浓度的增大而降低,而后随着氮浓度的增加而升高。
然而还有人这样认为,GS1 在耐低氮大麦基因型 BI -
04 中表达上调,而在低氮敏感大麦基因型 BI - 45 中
表现为下调表达[28]。 这可能是试验氮肥处理方式及
物种不同的原因。
4  结论
本研究表明,茶树叶片供氮含量与 GS 基因的表
达呈负线性相关(图 3 - A),与 GDH 基因的表达呈正
线性相关(图 3 - B)。 但是 GS 基因在不同组织、器官
及不同发育时期的表达调控非常复杂,而且受多重因
素的影响。 氮充足时,叶片氮含量与 GS、GDH 基因的
表达应该没有关联。
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Expression Analysis of Key Enzyme Genes of Nitrogen
Synthesis from Tea Tree Leave under Different Nitrogen Level
LIN Zheng⁃he  ZHONG Qiu⁃sheng  CHEN Chang⁃song  CHEN Zhi⁃hui  YOU Xiao⁃mei
(Tea Research Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fu’an, Fujian  355000)
Abstract:Vegetative propagated 10 - month⁃old tea [Camellia sinensis ( L. ) O. Kuntze cv. Jiulongpao] seedlings
grown in pots were fertilized three times weekly for 21 weeks with nutrient solution containing0、60、600、6000 mmol·
L - 1 nitrogen. GDH, GS, GOGAT gene fragments were cloned from tea leave. The GenBank Accession No. was
JN602371, JN602372 and JN602373 in the NCBI. Using SYBR Green I Real⁃time PCR, GDH gene remarkably
decreased the expressions under nitrogen deficiency. But GS、GOGAT gene increased the expressions under nitrogen
deficiency. Then using the method of regression analysis, it figured out the expressions of GS gene negative correlation to
nitrogen content of tea tree leave. but GDH gene positive correlation to nitrogen content of tea tree leave.
Key words:Nitrogen deficiency; Gene; Clone; Fluorescence quantitative PCR
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