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Comparative Analysis of Expression Changes of Ethylene Response Factor 6(ERF6)in Fingered Citron and Trifoliate Orange Under Cold Stress

低温胁迫下佛手和枳乙烯应答因子6(ERF6)表达变化的比较分析



全 文 :园 艺 学 报 2011,38(10):1873–1882 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期:2011–06–24;修回日期:2011–10–08
基金项目:浙江省自然科学基金项目(Y307472);浙江省科技计划项目(2008C22002)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:gwd@zjnu.cn)
低温胁迫下佛手和枳乙烯应答因子 6(ERF6)
表达变化的比较分析
曹诣斌,石 瑞,陈文荣,郭卫东*
(浙江师范大学化学与生命科学学院,浙江金华 321004)
摘 要:以柑橘属寒敏感植物佛手‘青皮’品种叶片 cDNA 为模板,通过 RT-PCR 与 RACE 扩增,
获得一个 1 160 bp 的乙烯应答因子(ethylene response factor,ERF)基因的 cDNA 序列,其基因编码区共
999 bp,含有一个保守的 AP2/EREBP 结构域,与拟南芥 AtERF6 为同源基因,命名为 CmsERF6(GenBank
登录号为 HQ698835)。4 ℃低温处理佛手和枳(柑橘属近缘种耐寒植物)植株,测定其寒胁迫生理指标(电
解质渗出率、丙二醛含量)。使用实时荧光定量 PCR,对佛手和枳叶中的 ERF6 表达含量进行测定分析,
结果表明:低温对佛手与枳的 ERF6 表达均具有诱导作用,且表达量的变化趋势存在明显的差异。尤其在
枳中,ERF6 的表达较对照组上升约 4 000 倍,且电解质外渗率的变化与 ERF6 基因表达量变化具有一致
性,说明 ERF6 基因参与低温胁迫应答。
关键词:佛手;枳;低温胁迫;ERF6
中图分类号:S 666 文献标识码:A 文章编号:0513-353X(2011)10-1873-10

Comparative Analysis of Expression Changes of Ethylene Response Factor
6(ERF6)in Fingered Citron and Trifoliate Orange Under Cold Stress
CAO Yi-bin,SHI Rui,CHEN Wen-rong,and GUO Wei-dong*
(College of Chemistry and Life Sciences,Zhejiang Normal University,Jinhua,Zhejiang 321004,China)
Abstract:Using the cDNA from the leaves of fingered citron‘Qingpi’as the template,the full cDNA
of ERF(ethylene response factor)gene(1 160 bp)was cloned by reverse transcription polymerse chain
reaction(RT-PCR)and rapid-amplification of cDNA ends(RACE). The gene was named CmsERF6,
containing an open reading frame(999 bp)and encoding a protein of 333 amino acids. The expression of
ERF6 was determined by real-time quantitative PCR in the leaves of fingered citron‘Qingpi’and trifoliate
orange. The results showed that ERF6 was expressed in both fingered citron‘Qingpi’and trifoliate orange,
but the trend of expression was apparent difference. Especially in the trifoliate orange,the expression of
ERF6 was increased by about 4 000 times than the control group. The same trend was found in changes of
relative electric conductivity and gene expression of ERF6,which indicated that ERF6 may be involved in
cold stress response pathway and may play an important role in cold tolerance.
Key words:fingered citron;trifoliate orange;cold stress;ERF6

1874 园 艺 学 报 38 卷
佛手(Citrus medica L. var. sarcodactylis Swingle)是生长在热带、亚热带地区特有的芸香科植
物枸橼的变种,果形呈指状或拳状,是一种极具应用价值的观赏果树资源,但其耐寒性差。枳
(Poncirus trifoliata Raf.)是柑橘属的近缘种,具有较强的耐寒性,常用作柑橘的砧木。前期使用抑
制消减杂交方法(SSH)对佛手寒胁迫下的差异表达基因进行筛选,获得一个表达量发生较大变化
的 EST 序列,经过序列比对后发现其属于 ERF 基因家族。
目前为止在模式植物拟南芥基因组中已发现了 147个ERF基因,并成功从油菜(庄静 等,2009)、
烟草、番茄(Zhou et al.,1997)、长春花(Menke et al.,1999)和小麦(Xu et al.,2007)等中克隆,
经研究证明 ERF 基因家族可能参与低温,干旱,抗病等反应,如拟南芥 AtERF1-5(Fujimoto et al.,
2000)、AtERF13 和 AtERF14(Onate-Sanchez & Singh,2002;Onate-Sanchez et al.,2007)、番茄 Pti4/5/6
(Gu et al.,2002)、JERF1 和 JERF3(Wang et al.,2004;Zhang et al.,2004)。其中,已证明 Pti4
的转化植株能增强植物抗病性(王亚琴 等,2010),JERF1 能明显提高烟草的耐盐性和耐低温性(李
芳,2008),JERF3 能提高烟草的干旱和低温耐性(吴丽君,2007)。
AP2/ERF 家族是低温胁迫早期诱导表达的调控基因,在寒胁迫早期应答中发挥重要作用。该转
录因子家族可分为 ERF 和 DREB/CBF 两个主要亚家族,它们都只具有 1 个 AP2-DNA 结合域。目前,
关于 AP2/ERF 家族在低温胁迫应答中的研究,主要集中于 DREB/CBF 亚族,而很少有关于 ERF 亚
族成员参与低温应答的报道(Lee et al.,2005)。本试验中以青皮佛手和枳为材料,克隆了 ERF 亚
族成员 ERF6 基因完整编码区,采用荧光定量 PCR 研究不同强度寒胁迫对其表达水平的影响,比较
在耐寒植物枳和寒敏感植物佛手中 ERF6 的基因表达差异,以期为进一步揭示 ERF 亚族转录因子在
植物抗寒机制中的作用提供依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验以浙江师范大学生化学院实验基地——浙江锦林佛手有限公司温室种植与维护的青皮佛
手(C. medica‘Qingpi’)和枳(P. trifoliata)的两年生盆栽苗为材料。2010 年选取长势一致的苗为
试材进行试验。
1.2 植物处理
将青皮佛手和枳材料从温室转移至人工控制的环境气候培养室培养 3 周,室温 20 ℃ 夜/28 ℃
日,每天光照 16 h,黑暗 8 h,光照强度 100 μmol · m-2 · s-1,相对湿度 75%。在植株等叶位均匀收集
植物叶片组织作为对照组(处理 0 h)材料后,将植株转移至光照培养箱中 4 ℃低温培养,分别培养
12、24、36、48 和 72 h,期间保持每天光照及强度与培养室一样,湿度 75%。每处理 4 株。低温处
理后分别均匀收集佛手和枳植株相同叶位的叶片作为处理组材料进行生理指标的检测和荧光定量分
析。用于荧光定量分析的叶片组织收集后立即在液氮中冷冻,并储存于–80 ℃的低温冰箱中待用。
1.3 电解质渗出率和丙二醛(MDA)含量的测定
分别在佛手和枳 4 ℃处理 0、12、24、36、48 h 后同时采取叶片(从下自第 2 叶片起,同一测
定指标取同一序号的叶片),测定电解质渗出率和丙二醛含量(曹建康 等,2007)。
1.4 佛手 ERF 基因 cDNA 全长的获得及序列分析
在前期工作中,发现一个受低温胁迫诱导的 EST 序列,与毛果杨 ERF 转录子基因(GenBank
10 期 曹诣斌等:低温胁迫下佛手和枳乙烯应答因子 6(ERF6)表达变化的比较分析 1875

登录号 XM_002332522.1)相似,通过 BLASTn 获得已知的 ERF 基因序列并进行比对,在其 5′端保
守区设计上游特异性引物(F1 和 F2);再根据佛手已知 EST 序列,设计佛手 ERF 基因的下游特异
性引物(GSP1、GSP2、GSP3、GSP4 和 GSP5),进行 RACE 扩增,RACE 引物见表 1。

表 1 ERF 基因 5′ RACE 巢式 PCR 特异引物
Table 1 Primer sequences used for 5′ RACE and nested PCR
引物与接头 Primer and adapter 序列 Sequence
ERF 基因引物(5′–3′)Primer
5′RACE 上游引物
Forword primers for 5′RACE
F1:TAAAGAGTTTGCTGGATC
F2:TGTGAAACGAAGCGGAAGA
5′RACE 下游引物
Backword primers for 5′RACE
GSP1:CAACGGGTGAGGCGATAA
GSP2:TTATCGCCTCACCCGTTG
GSP4:TAACGGCGACAGTAGGG

GSP5:TAACTGTATCCGCAGAC
GSP6:CACAGTCCCAGTCCAAC
5′RACE 接头引物(5′–3′)Adapter
QT 5′-CCAGTGAGCAGAGTGACGAGGACTCGAGCTCAAGCTTTTTTTTTTTTTTTTT-3′
QO 5′-CCAGTGAGCAGAGTGACG-3′
QI 5′-GAGGACTCGAGCTCAAGC-3′

采用 Trizol 方法提取佛手和枳叶片的总 RNA,经 PrimeScript 反转录酶(TaKaRa)逆转录得到
cDNA,通过末端脱氧核苷酸转移酶(TdT)对单链 cDNA 进行 5′加尾反应,加尾后引入锚定引物(QT)
进行锚定 PCR。以 QT 与 GSP1 进行第一轮 PCR,然后用 QO 与基因特异性引物 GSP2 进行第二轮
扩增得到双链 cDNA,以此类推,经过多次巢式 PCR 以逐渐增强特异性产物的扩增,最终获得其
cDNA 编码区全长序列。
5′RACE 加尾反应:①在 1.5 mL 离心管中配制下列混合液,总量为 20 μL:5 × PrimeScript Buffer
4 μL,单链 cDNA 13.2 μL,100 mmol dATP 1.30 μL,TDT(30 U)1.5 μL; 37 ② ℃保温 60 min;
70 ③ ℃保温 10 min,终止反应。
锚定 PCR 扩增:首先取加尾产物 1 μL,加入纯水 9 μL,作为 PCR 模板。PCR 反应体系反应体
系包括超纯水 17.30 μL,10 × PCR reaction Buffer 2.5 μL,dNTP Mixture(2.5 mmol · L-1 each)2.0 μL,
引物 11.0 μL,引物 21.0 μL,PCR 模板 1.0 μL 和 LA Taq 酶(5 U · μL-1)0.20 μL。PCR 反应参数
为 94 ℃预变性 4 min;94 ℃变性 30 s,50 ℃退火 30 s,72 ℃延伸 3 min,30 个循环。PCR 产物经
过琼脂糖凝胶电泳割胶回收,连接到 pMD19-T 载体(TaKaRa),转化至 Escherichia coli DH5α,送
上海生工生物工程有限公司进行序列测定。
应用 NCBI 数据库中 CDD(The Conserved Domain Database)分析保守结构域;应用 ClustalW
进行多序列比对;采用 Mega 4.0 构建系统发育树。
1.5 荧光定量 PCR 分析佛手与枳 ERF 基因的表达水平
RNA 的提取与第一链 cDNA 的合成同上。
依据 qRT-PCR 引物设计要求,使用 primer premier 5.0 设计 ERF 定量 PCR 特异引物(ERF gene
primer:A2:5′-AGGCGATAACGGCGACA-3′,S2:5′-AAAGCCAAGGCGGTGAA-3′),采用 β-actin
基因(β-actin primer:A2:5′-TCATACGGTCGGCAATA-3′,S2:5′-AAAGCCAAGGCGGTGAA-3′)
作为内标对不同植株间的 cDNA 模板量进行校准。熔解曲线分析表明所设计引物符合定量 PCR 特异
性扩增的要求。
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使用 ABI STEPONE 荧光定量 PCR 仪进行荧光定量 PCR 分析,采用 20 μL 反应体系:SYBRTM
Premix Ex Taq 10 μL,正、反向引物(10 μmol · L-1)各 0.4 μL,ROX Reference Dye 50 × 0.4 μL,cDNA
模板 1 μL,ddH2O 7.8 μL。反应程序为:94 ℃预变性 30 s;PCR 反应:94 5 s℃ ,50 35 s℃ ,总共
40 个循环,每个样品进行 3 次重复检测。以 β-actin 作为内参,将一个 cDNA 样品分别进行 5 倍梯
度稀释后作为标准品,来构建相对定量标准曲线,采用双标准曲线法,求得待测样品相对表达量。
1.6 统计与分析
根据 3 次独立试验所得数据计算平均值和标准偏差(STDEV),与对照比较进行 t 检验分析,并
用 Origin 软件进行绘图。
2 结果与分析
2.1 4 ℃低温处理对佛手和枳叶片寒胁迫生理指标的影响
2.1.1 电解质渗出率
由图 1 可知,随着低温胁迫时间的延长,供试佛手和枳叶片电解质渗出率均呈上升趋势。在试
验处理时间内,佛手的电解质渗出率含量一直高于枳,相对电解质渗出率上升值的种间差异达到极
显著水平(P < 0.01)。表明本试验处理下,低温胁迫对佛手植株的影响比枳更大。
图 1 佛手和枳叶片在4 ℃低温处理期间相对电解质渗出率的变化
Fig. 1 Changes in relative electric conductivity of fingered citron and trifoliate orange leaves in the period of low temperature treatment
2.1.2 MDA 含量
图 2 表明,试验处理时间 24 h 后,枳叶片丙二醛(MDA)含量保持相对稳定,而佛手叶片 MDA
图 2 佛手和枳叶片在 4 ℃低温处理期间丙二醛含量变化
Fig. 2 Changes of MDA content of fingered citron and trifoliate orange leaves in the period of low temperature treatment
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含量持续上升,其 MDA 含量一直明显高于枳处理植株(P < 0.01),再次证明本试验处理下,低温
胁迫对佛手植株的影响比枳更大。
2.2 佛手 ERF 基因的克隆与序列分析
2.2.1 佛手 ERF 基因的克隆及保守结构域的预测
克隆获得佛手 ERF,命名为 CmsERF6(GenBank 登录号为 HQ698835),cDNA 序列长 1 160 bp
(图 3),开放阅读框 999 bp,编码 333 个氨基酸(图 4),预测分子量为 36.75 kD,含有一个保守的
AP2/EREBP 结构域。


图 3 佛手 ERF 基因的克隆
A:第一轮 PCR;B:巢式 PCR(目的条带)。
Fig. 3 Cloning of fingered cirtron ERF gene
A:The first round of PCR;B:Nested PCR(target band).

图 4 佛手 ERF 基因序列及保守域分析
ERF 基因具有高度保守的 AP2 保守结构域(图中下划线区域)。
Fig. 4 Sequence analysis pattern and conserved domain of fingered cirtron ERF gene
The highly conserved region of the ERF products can be showed with AP2 conserved domain,
as indicated diagrammatically in underlined region.

与此同时,枳 ERF 基因使用佛手 ERF 的引物(F3:5′-GATCCAGCAAACTCTTTA-3′,GSP1:
5′-CAACGGGTGAGGCGATAA-3′)进行 PCR 扩增,结果显示如图 5,枳 PCR 产物与佛手大小一致,
且与佛手引物设计预计产物大小 987 bp 吻合。序列测定结果显示佛手 CmsERF6 和枳 ERF 基因的克
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隆序列比对相似性高达 99%(图 6)。












图 5 佛手和枳 ERF 基因的 PCR 扩增(F3,GSP1)
M:DL 2000 marker;1:佛手;2:枳。
Fig. 5 The electrophoresis photograph of PCR amplification of trifoliate orange using ERF specific primers of fingered citron
M:Marker;1:Fingered citron;2:Trifoliate orange.


图 6 佛手和枳 ERF6 基因的克隆序列比对
Fig. 6 Alignment of the predicted amino acid sequences of ERF6 gene in fingered citron and trifoliate orange

2.2.2 佛手 ERF 基因与拟南芥 ERFs 家族基因序列相似性分析
将佛手 ERF 基因(CmsERF6:HQ698835)与拟南芥 AtERF1 ~ AtERF15 基因的氨基酸序列用
软件 Clustalw 2 进行相似性分析,比对的序列登录号分别为:AtERFl(NP567530.4)、AtERF2
(BAA32419.1)、AtERF3(BAA32420.1)、AtERF4(BAA32421.1)、AtERF5a(BAA97157.1)、AtERF5b
(BAA32422.1)、AtERF6(NP567529.1)、AtERF7(NP188666.1)、AtERF8(NP175725.1)、AtERF9
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(NP199234.1)、AtERF10(NP171876.1)、AtERF11(NP174159.1)、AtERF12(NP174158.1)、AtERF13
(NP182011.1)、AtERF14(NP171932.1)、AtERF15(NP850162.1)。结果显示佛手 ERF 与 AtERF6
和 AtERF5 最为相似,分别具有 45%和 43%的一致性。采用 MEGA 4.1 软件,以邻近法(NJ)对佛
手与拟南芥 AtERF1 ~ AtERF15 氨基酸序列绘制进化树(图 7),根据进化树的比对结果显示,佛手
ERF 与拟南芥 AtERF6 和 AtERF5 被单独归为一类,boot strap 值达到 100,综合以上结果,认为所
克隆的佛手 ERF 是拟南芥 AtERF6 的同源基因。

图 7 佛手和拟南芥的 ERF6 氨基酸序列进化树分析
Fig. 7 Phylogenetic tree for ERF6 from fingered citron and those from Arabidopsis thaliana
2.3 不同低温处理时间对佛手和枳 ERF6 的表达水平的影响
使用设计好的 ERF 定量 PCR 特异引物 A2 和 S2 分别对佛手和枳进行 PCR 扩增,得到佛手与枳
PCR 产物大小一样且与引物设计预计产物大小 153 bp 相同(图 8)。
图 8 佛手与枳的 ERF6 特异引物的 PCR 扩增
M:DL 2000 marker;1:佛手;2:枳。
Fig. 8 The electrophoresis photograph of PCR amplification of fingered citron and
trifoliate orange using ERF6 specific primers
M:Marker;1:Fingered citron;2:Trifoliate orange.

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分别提取佛手和枳在 4 ℃处理 0、12、24、36、48 和 72 h 下的叶片总 RNA。通过实时定量 PCR
技术,采用相对标准曲线法对佛手与枳的的 ERF6 表达水平进行比较。如图 9 所示,ERF6 基因在 4 ℃
低温胁迫下在佛手与枳中都能被显著诱导表达。其中,佛手在低温处理 12 h 时诱导上调,表达量较
对照组(0 h)增加了 12 倍,随后缓慢下降,48 h 时降至对照水平(图 9,A);枳在 4 ℃处理 24 h
时较 0 h 虽有小幅的上升,但差异并不显著。而 48 h 时的相对表达量大幅度上升,较对照组(0 h)
增加了约 4 000 倍(P < 0.01),差异达到极显著水平(图 9,B)。


图 9 佛手(A)和枳(B)ERF6 基因的荧光定量 PCR 分析
Fig. 9 Fluorescence quantitative PCR of ERF6 cDNA in fingered citron(A)and trifoliate orange(B)
3 讨论
在低温下植物细胞膜受损害后透性增大,电解质渗出,引起电导率的变化,因此电解质外渗率
和 MDA 含量变化是对植物细胞膜受害程度的一个监测指标(简令成,2000;王华和王飞,2000)。
本研究中在植物生理水平对佛手和枳的抗寒性进行了比较,并在 mRNA 水平上克隆了佛手和枳低温
胁迫过程中表达量变化较大的重要转录因子 ERF6 基因,为进一步研究佛手和枳在低温胁迫过程中
ERF6 的分子调控机理打下基础。
实时荧光定量 PCR 分析表明,在低温处理过程中,佛手和枳 ERF6 表达量变化均存在显著性差
异,并与各自叶片电解质外渗率和 MDA 含量的变化趋势基本一致。其中,佛手 ERF6 对低温胁迫
的应答较为迅速,低温处理 12 h 即达到表达水平最大值(上升约 12 倍),生理数据显示低温处理
12 ~ 24 h 其电解质外渗率和 MDA 含量上升率分别达到极显著水平和显著水平,这与佛手对低温胁
迫敏感相吻合;在枳中,低温处理 36 h 期间 ERF6 水平没有显著变化,可能与枳对低温处理相对不
敏感有关,低温处理 48 h 后 ERF6 的表达量大幅度上升近 4 000 倍,同时相对电解质渗出率达到最
大值,推测 ERF6 的大量表达对于枳减轻低温伤害有重要作用。
作为 AP2/ERF 转录因子家族的两个主要亚家族,DREB/CBF 亚族和 ERF 亚族均只具有 1 个
AP2-DNA 结合域,然而由于保守域的氨基酸存在一定差异,ERF 亚族转录因子与 GCC 盒特异性结
合,主要调控乙烯应答及抗病相关的基因表达;DREB/CBF 亚族则与 CRT/DRE 顺式作用元件结合,
调控干旱、低温的基因表达(Stockinger et al.,1997)。通常认为低温、干旱、高盐和 ABA 诱导
DREB/CBF 亚族表达,而乙烯、茉莉酸和病害诱导 ERF 亚族表达。目前,关于 AP2/ERF 转录因子
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家族在低温胁迫应答中的研究主要集中于 DREB/CBF 亚家族(Zhang et al.,2008)。本研究表明,
在佛手和枳中属于 ERF 亚族的 ERF6 在低温下也被大量诱导,尤其在枳中,ERF6 受低温胁迫诱导
时强烈表达,说明 ERF 亚族可能同样参与低温胁迫应答反应。Lee 等(2005)对拟南芥 24 000 个早
期冷应答基因的基因芯片分析也证明 At4g17490(AtERF6)是低温胁迫的早期应答基因。
ERF 亚族在植物冷应激中的作用仍有待深入研究,特别是 ERF6 在寒胁迫中的抗逆机制,目前
还不明确。一种可能的途径是参与对活性氧释放的信号应答。Danon 等(2005)研究表明,单线态
氧的产生导致拟南芥乙烯途径的相关基因表达量迅速升高,其中 ERF5 和 ERF6 在乙烯突变体释放
单线态氧后迅速表达,表明 ERF5 和 ERF6 可能参与单线态氧信号传递的早期应答反应;而乙烯途
径的其他基因,如 ERF1 和 ERF2,单线态氧诱导的转录产物水平上升较晚,可能参与间接应答反应
(Danon et al.,2005)。植物遭受低温等逆境胁迫后,细胞内活性氧的产生与清除平衡被破坏,导致
单线态氧和超氧阴离子等活性氧的积累,启动膜脂过氧化,造成膜伤害,表现为 MDA 含量的提高
和细胞膜透性的加大。ERF6 迅速表达可能对阻止活性氧的过氧化,降低丙二醛等有毒物质的积累
发挥作用,使质膜受到保护。枳在低温处理 48 h 后电导率有较明显的上升,而 MDA 水平变化不大,
可能与 ERF6 表达水平大幅度上升,并参与单线态氧的应答有关。

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《中国蔬菜品种志》
本书由中国农业科学院蔬菜花卉研究所主编,已于 2002 年 9 月出版发行。全书分上、下卷,1 ~ 6 章为上卷,
包括根菜类、白菜类、芥菜类、甘蓝类、绿叶菜类及葱蒜类,计 2 263 个品种,1 347 页;7 ~ 12 章为下卷,包括瓜
类、茄果类、豆类、薯芋类、水生蔬菜类和多年生蔬菜类,计 2 550 个品种,1 177 页。入志的品种中,地方品种占
90%以上,少量在全国栽培时间较长、种植面积较大的一代杂种也选入其中。本书较全面系统而又有重点地反映了
中国丰富的蔬菜品种资源概貌、研究成果及育种水平,可供蔬菜科研、教学、生产及种子公司、农业行政单位的人
员参考。本书出版后受到读者普遍好评,现尚有少量存书,特以优惠价格 490 元(上、下卷)提供给读者(原价 980
元)。

购书者请通过邮局汇款至北京中关村南大街 12 号中国农科院蔬菜花卉所《园艺学报》编辑部,邮编 100081。