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Activity of Serine/Threonine Protein Phosphatase Type-2C (PP2C) and Its Relationships to Drought Tolerance in Maize

玉米2C型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(PP2C)活性与耐旱性的关系



全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(5): 899−903 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家自然科学基金项目(30571172, 30671309); Rockefeller 基金项目(2004 FS 047); 教育部长江学者和创新团队发展计划项目
(IRT0453)
作者简介: 何亮(1983−), 男, 生物化学与分子生物学专业硕士研究生。
*
通讯作者(Corresponding author): 李晚忱, 教授, 主要从事玉米遗传育种与生物技术研究。E-mail: aumdyms@sicau.edu.cn
Received(收稿日期): 2007-10-08; Accepted(接受日期): 2007-12-07.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00899
玉米 2C型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(PP2C)活性与耐旱性的关系
何 亮 李富华 沙莉娜 付凤玲 李晚忱*
(四川农业大学玉米研究所 / 西南作物遗传资源与遗传改良教育部重点实验室, 四川雅安 625014)
摘 要: 在先期研究的基础上, 结合运用电子克隆和反转录 PCR 技术克隆玉米 PP2C 基因的全长 cDNA 序列, 再分
别应用实时荧光定量 PCR和非放射性标记法, 测定干旱胁迫条件下耐旱性不同的自交系 PP2C基因的 mRNA表达差
异和酶活性差异, 以探讨 PP2C酶活性与玉米耐旱性的关系。结果表明, 我们克隆的全长 cDNA序列为玉米 PP2C基
因家族的新成员, 开放阅读框长 1 164 bp, 编码 388个氨基酸残基。将这一基因命名为 ZmPP2Ca, GenBank注册号为
EF195257。在干旱胁迫条件下, 该基因在耐旱自交系中下调表达, 使 PP2C酶活性降低; 在不耐旱自交系中上调表达,
使 PP2C 酶活性升高。ZmPP2Ca 基因的差异表达以及由此引起的 PP2C 酶活性差异, 可能与干旱胁迫条件下玉米细
胞的信号传导有关。
关键词: 玉米; 丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶; PP2C; 耐旱性
Activity of Serine/Threonine Protein Phosphatase Type-2C (PP2C) and Its
Relationships to Drought Tolerance in Maize
HE Liang, LI Fu-Hua, SHA Li-Na, FU Feng-Ling, and LI Wan-Chen*
(Maize Research Institute / Education Ministry Key Laboratory of Crop Genetic Resources and Improvement, Sichuan Agricultural University,
Ya’an 625014, Sichuan, China)
Abstract: Based on the previous study, we cloned the full length cDNA sequence of serine/threonine protein phosphatase 2C
(PP2C) by electronic cloning and reverse transcription PCR, assayed its expression difference and enzyme activity among differ-
ent inbred lines under drought stress by fluorescence quantitative real-time PCR and non-radioactive labeled method respectively,
and analysed the relationships between the enzyme activity and drought tolerance in maize. The result indicated that the full
length cDNA sequence we cloned is a new member of PP2C gene family in maize, and its open reading frame of 1 164 bp en-
codes 388 amino acid residues. This gene was denominated as ZmPP2Ca and registered at GenBank (accession number:
EF195257). Under drought stress, its down-regulated expression decreased enzyme activity of PP2C in drought-tolerant inbred
lines, and its up-regulated expression increased enzyme activity of PP2C in drought-sensitive inbred lines. The differential expres-
sion of gene ZmPP2Ca and difference of PP2C activity are speculated to be implicated in signal transduction in maize cells under
drought stress.
Keywords: Maize; Serine/threonine protein phosphatase; PP2C; Drought tolerance
由蛋白质激酶和蛋白质磷酸酶协同催化的蛋白质可
逆磷酸化 , 是植物体内信号传导和生理代谢的重要调节
途径[1-7]。有关蛋白质激酶在植物逆境胁迫信号传导中的
作用已有较多的研究, 干旱和高盐等逆境胁迫可诱导多种
蛋白质激酶的上调表达[3-4,8-12], 而对催化其可逆反应的蛋白
磷酸酶与干旱胁迫关系的报道却不多, 且不一致 [5-7,13-22]。
丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶是催化蛋白质去磷酸化的主要
酶类之一[24], 在拟南芥和山毛榉(Fagus sylvatica)等植物
上发现与脱落酸调控的抗逆信号转导有关[5-7,14,16-20]。关于
玉米 2C 型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(PP2C)基因的研究
报道很少, 仅 Broz等[22]克隆了其 cDNA序列, 徐云峰等[21]
用 Northern 杂交检测基因差异表达, 以及我们在先期研
究中用差异显示反转录 PCR 技术 , 从玉米耐旱自交系
“81565”中克隆出与极端耐旱植物鼠尾草 (Sporobolus
900 作 物 学 报 第 34卷

stapfianus) PP2C 基因同源的 cDNA 片段, 证实其在干旱
胁迫条件下减量表达[22]。
本研究先结合运用电子克隆和反转录 PCR(RT-PCR)
技术克隆玉米 PP2C基因的全长 cDNA序列, 再分别应用
实时荧光定量 PCR(FQ-PCR)和非放射性标记法, 测定干
旱胁迫条件下耐旱性不同的自交系 PP2C 基因的 mRNA
表达差异和酶活性差异, 以探讨 PP2C 酶活性与玉米耐旱
性的关系。
1 材料和方法
1.1 试验材料
在严格控制灌水的条件下, 对西南生态区推广玉米
杂交种亲本或新选育的 57个自交系进行耐旱性鉴定[25-26],
从中筛选出“81565”、“87-1”、“R09”3 个耐旱性较强的自
交系和“200B”、“丹 340”、“ES40”3 个耐旱较弱的自交系
用于本研究。
1.2 PP2C基因全长 cDNA序列的克隆
用我们前期克隆的PP2C基因同源 cDNA片段序列[22]
作探针, 在 GenBank 的 dbEST 数据库(http://www.ncbi.
nlm.nih.gov)中搜索下载同源 EST 序列 (E< 10−10), 用
DNASTAR软件 Seqman程序(http://www.dnastar.com)进行
比对和拼接 , 再以拼接基序为信息探针对数据库进行继
续搜索和拼接。如此往复, 直至拼接基序不再增长为止。
然后 , 根据最后拼接的基序设计特异引物 , 以自交系
“81565”的总 RNA 为模板, 用 RT-PCR 扩增 PP2C 基因的
cDNA序列。最后, 用 NCBI网站(http://www.ncbi.nlm.nih.
gov)的 ORF Finder 程序分析开放阅读框, 并由此推导该
cDNA 编码蛋白的氨基酸序列 , 在 NCBI 网站的
SWISSPORT 数据库作序列比对 , 用 SMART 软件
(http://smart.embl-geidelberg.de)分析其功能结构域。
1.3 PEG模拟干旱处理
试验材料种植在容积 0.1 m3 的花盆中, 每自交系 3
盆, 三叶期后每盆定苗 4 株, 正常管理至九叶期, 用 16%
聚乙二醇(PEG)处理, 模拟强度为−0.5 MPa的干旱胁迫[27]。
处理后第 0、3、6、12、24和 48 h取第 8片叶, 液氮速冻,
−70℃冰箱保存备用。
1.4 mRNA表达量测定
取上述模拟干旱处理叶片样品 , 用 Trizol 试剂盒
(Invitrogen)提取总 RNA, 加 DNA酶Ⅰ去除 DNA污染, 用
1%非变性琼脂糖凝胶电泳检测完整性, 紫外分光光度计
检测浓度与纯度。
以总 RNA为模板, 用 RT reagent试剂盒(TaKaRa公
司)反转录合成 cDNA第一链。用 TE buffer将合成产物稀
释 5倍, 用作 FQ-PCR模板。用组成型表达的玉米磷酸苷
油醛脱氢酶基因 GAPDH(X07156)作内参基因, 矫正不同
样品初始模板量及不同离心管间反转录效率差异。用
Premier 5.0软件(http://www.onlinedown.net)设计目标基因
(5′-GGATGCTCACCGAGACA-3′/5′-CCGAATCGCTTAGG
AAA-3′)和内参基因特异性引物(5′-ACTTCGGCATTGTTG
AGG-3′/5′-AAGTCGGTAGAAACCAGAT-3′), 由 Invitrogen
公司合成。在 FQ-PCR之前, 先进行普通 PCR扩增, 1%非
变性琼脂糖凝胶电泳分离, 回收克隆, 送 Invitrogen 公司
测序, 以检测引物的特异性。
FQ-PCR 分析用 Bio-rad 公司 iQ SYBR Green Su-
permix试剂盒, 在 DNA Engine Opticon 2荧光定量 PCR
仪(MJ Research)上进行。该试剂盒包括 dNTPs、Taq酶和
Mg2+, 用双链特异结合荧光染料 SYBR GreenⅠ显示产物
扩增量。在 25 μL反应体系中, 加入 SYBR Green Supermix
12.5 μL、稀释后的 cDNA 3 μL、上下游引物(2.5 μmol L−1)
各 3 μL。反应程序为 95 3 min; 94 40 s, 56 40 s, 72℃ ℃ ℃ ℃
延伸 40 s, 80℃ 1 s检测荧光, 循环 40次; 72℃ 5 min; 然
后将温度降至 49 , ℃ 再以每步 0.2 1 s℃ 升高至 95 , ℃ 检
测扩增产物熔点曲线。
采用双标准曲线法相对定量, 根据质粒分子量和分
光光度计检测浓度, 将插入目标基因 PP2C 和内参基因
GAPDH序列的重组 pMD19-T质粒, 用 TE buffer稀释成
1×108、1×107、1×106、1×105、1×104、1×103和 1×102(copies
μL−1)7 个梯度浓度, 每浓度重复检测 3 次, 根据梯度浓度与
3 次检测值(CT)平均值之间对应关系, 绘制目的基因 PP2C
和内参基因 GAPDH 标准曲线, 目的基因相对表达量=目的
基因表达量×内参基因对照表达量(0 h) /内参基因表达量。
1.5 PP2C酶活性测定
取上述模拟干旱处理叶片样品 0.5 g, 加液氮研磨成
粉状, 加 3 mL PP2C 酶抽提液, 再次快速研磨后转入 10
mL离心管, 4℃下 100 000×g离心 1 h。取上清液 250 μL
过 SephadexG-25 柱, 去除酶液中的自由磷。4℃下 600×g
离心 5 min, 以 50 mL离心管收集酶液。
将 PP2C 酶作用底物——丝氨酸/苏氨酸磷肽稀释为
50 μmol L−1浓度, 在 6个酶标孔中依次加入 0、2、4、10、
20和 40 μL, 再加入反应缓冲液补足 50 μL, 25℃反应 15
min, 加钼酸盐染料溶液 50 μL 终止反应, 20 min 后在
EL×800UV型酶标仪上读取 630 nm吸光值。根据磷肽浓
度与吸光值的对应关系绘制标准曲线。
在 96孔酶标板中加入 5 μL丝氨酸/苏氨酸磷肽和 10
μL反应缓冲液混匀, 25℃静置 3 min, 加样品酶液 35 μL,
每样品 3次重复, 按上述方法反应读取 630 nm吸光值, 根
据标准曲线计算样品 PP2C酶活性(1U=1 μmol min−1)。
2 结果与分析
2.1 PP2C基因全长 cDNA序列
我们先期研究中克隆的 PP2C 基因同源 cDNA 片段
只有 726 bp[22]。通过 3轮搜索、比对和拼接, 将该序列延
伸为长 1 731 bp的基序。根据这一基序设计 2对特异引物
(P1: 5′-CCGAGACCAAGACCACCA-3′ / P2: 5′-TGGTCA
ACCAGGAGCGTC-3′和 P3: 5′-GAGCGGTGAAGAGGGG
TTA-3′ / P4: 5′-CAAGGTATGGCGCAAAGCTAC-3′), 以
第 5期 何 亮等: 玉米 2C型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(PP2C)活性与耐旱性的关系 901


总 RNA 为模板, 反转录扩增 PP2C 基因 cDNA 序列 69~
1 114 bp和 760~1 715 bp片段。由这两个片段拼接成一个
长 1 646 bp的 cDNA序列, 与电子克隆拼接的 1 731 bp基
序完全同源(图 1)。

图 1 自交系“81565”ZmPP2Ca基因 cDNA序列及其推导氨基酸序列
Fig. 1 cDNA sequence and its putative amino acid sequence of gene ZmPP2Ca from inbred line 81565

根据这一序列分析的开放阅读框长 1 164 bp, 编码
388 个氨基酸残基, 与 SWISSPORT 数据库中鼠、人、酵
母 PP2C 蛋白的相似性为 34%, 与拟南芥 PP2C 蛋白脱落
酸敏感型 1(ABI1)和敏感型 2(ABI2)的相似性为 35%。开
放阅读框起始密码子(ATG)上游−27 bp处有一终止密码子
(TAG, 图 1 中方框表示), 3′端有 poly(A)尾。根据 Kozak
规则[28], 说明此开放阅读框即是 PP2C基因的全长 cDNA
序列。SMART 软件分析表明, 推导氨基酸序列 N端有一
125 个氨基酸残基组成的扩展区, C 端有一 255 个氨基酸
残基组成的 PP2C 类催化结构域, 其中包括与二价金属离
子结合的 MED、DGH、DG、D 残基(图 1 中以下划线表
示)和与磷酸盐离子结合的 R 残基(图 1 中以双下划线表
示), 这些都是 PP2C酶的保守序列[24]。上述分析说明, 我
们克隆的开放阅读框即是 2C 型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸
酶的编码序列。然而, 此开放阅读框与 Broz 等[24]和徐云
峰等[21]分别从玉米中克隆的其他两个 2C 型丝氨酸/苏氨
酸 蛋 白 磷 酸 酶 基 因 ZmPP2(AF213455) 和 ZmPP2C
(AY621066)比对, 核苷酸序列没有相似性, 推导氨基酸序
列的相似性仅为 20.6%和 26.3%, 但在同源的氨基酸残基
中包含 2C型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶家族催化区域的 7
个保守元件, 所以将其鉴定为玉米 PP2C基因家族的新成
员, 命名为 ZmPP2Ca, GenBank注册号为 EF195257。
2.2 ZmPP2Ca基因在干旱胁迫条件下的差异表达
1%非变性琼脂糖凝胶电泳分离普通 PCR 扩增产物,
分别得到一条长 366 bp和 358 bp的特异带, 克隆测序结
果分别与目的基因 ZmPP2Ca 和内参基因 GAPDH 序列相
同, 证明所设计的两对引物特异性高, 可用于 FQ-PCR 检
测。在模板浓度较高的情况下, ZmPP2Ca和 GAPDH基因
的熔点曲线都只有一个峰, 也表明 FQ-PCR过程无非特异
性扩增(图略)。对标准曲线的相关回归分析表明, 决定系
数 R2>0.99, 斜率在−0.28 ~ −0.33之间, 说明对 ZmPP2Ca
和 GAPDH基因所作的标准曲线可信度高, 可满足基因表
达定量检测要求(图略)。
方差分析表明, 在干旱胁迫下 ZmPP2Ca基因在不同
自交系之间的表达量存在极显著差异(F = 142.8**)。多重
比较结果(表 1), 强耐旱自交系“81565”在干旱处理所有时
间段, PP2C 相对表达量均极显著低于正常浇水对照。耐
旱自交系“R09”和“N87-1”在干旱处理 3、6、24和 48 h中,
PP2C表达量显著或极显著低于对照, 尽管在干旱处理 12
h 表达量略高 , 但是与对照差异不显著。不耐旱自交系
“200B”在干旱处理所有时间段中, PP2C 表达量均高于对
照, 除 6 h 以外, 其他各时间段与对照差异均极显著。不
耐旱自交系“ES40”, 除干旱处理 12 h和 48 h差异不显著
外, 在 3、6和 24 h的表达量均极显著高于对照。不耐旱
自交系“丹 340”, 除 12 h以外其他时间段表达量均高于对
照, 在 6、24和 48 h达到极显著差异。再从相对表达量在
干旱胁迫条件下变异极差看, 3 个耐旱自交系变异幅度不
大, 极差小于 1, 强耐旱自交系“81565”只有 0.35, 而 3 个
不耐旱自交系变异幅度较大 , 极差超过 1, “200B”达
到 6.13。
902 作 物 学 报 第 34卷

表 1 干旱胁迫下 ZmPP2Ca基因在不同自交系中的相对表达量
Table 1 Comparative expression amount of gene ZmPP2Ca among different inbred lines under drought stress (copies μL−1)
干旱处理时间 Time of drought treatment 自交系
Inbred line 0 h (CK) 3 h 6 h 12 h 24 h 48 h
极差
Max difference
81565 1±0.24 0.41±0.15** 0.16±0.36** 0.51±0.11** 0.33±0.12** 0.50±0.27** 0.35
R09 1±0.17 0.68±0.14* 0.45±0.03** 1.10±0.02 0.76±0.12* 0.67±0.06* 0.65
N87-1 1±0.04 0.71±0.13* 0.32±0.26** 1.24±0.15 0.50±0.24** 0.36±0.10** 0.92
200B 1±0.19 2.22±0.14** 1.13±0.21 7.26±0.05** 3.06±0.22** 2.58±0.36** 6.13
ES40 1±1.23 2.06±0.50** 1.59±0.38** 0.88±0.18 1.64±0.15** 1.25±0.48 1.18
丹 340 Dan 340 1±0.18 0.61±0.11* 1.77±0.35** 1.05±0.03 1.27±0.24** 1.64±0.51** 1.16
表中数据为平均值±标准差。*和**表示在 0.05和 0.01水平上差异显著。
Data in the table are mean ± SD. * and ** denote significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

由上述分析可知, 在干旱胁迫条件下, ZmPP2Ca 基
因在耐旱自交系中呈下调表达, 且变异幅度较小; 而在不
耐旱自交系中呈上调表达, 且变异幅度较大。再从不同胁
迫时间段来看, PP2C基因在耐旱自交系中的表达 6 h时降
到最低水平, 12 h时后恢复, 在不耐旱自交系中表达持续
较高。由此说明, PP2C 基因的差异表达处于玉米干旱胁
迫应答的上游, 是一个较为关键的基因。
2.3 干旱胁迫条件下不同自交系的 PP2C酶活性
方差分析表明, PP2C 酶活性在不同自交系间的差异
达极显著水平(F=209.1**)。多重比较结果(表 2), 强耐旱
自交系“81565”的 PP2C酶活性, 在干旱处理 6 h时略高但
与对照无显著差异 , 其余各时间段均显著或极显著低于
对照。耐旱自交系“R09”的 PP2C酶活性, 在干旱处理 6 h
时极显著高于对照, 其余各时间段均极显著低于对照。耐
旱自交系“N87-1”的 PP2C 酶活性变化较复杂, 随干旱处
理时间呈“高—低—高—低”的波动 , 差异均达极显著水
平 , 但总体呈下降趋势。不耐旱自交系“200B”和“ES40”
的 PP2C 酶活性, 在干旱处理初期显著低于对照, 先后于
24 h和 48 h显著升高。不耐旱自交系“丹 340”的 PP2C酶
活性, 在干旱处理的所有时间段均显著高于对照。

表 2 干旱胁迫下不同自交系 PP2C酶活性
Table 2 PP2C activity among different inbred lines under drought stress (10−5 U)
干旱处理时间 Time of drought treatment 自交系
Inbred line 0 h (CK) 6 h 12 h 24 h 48 h
81565 6.74±0.05 6.67±0.08 5.21±0.16** 5.97±0.11* 5.10±0.11**
R09 7.58±0.15 8.90±0.18** 6.46±0.28** 4.50±0.35** 2.27±0.19**
N87-1 7.38±0.06 9.22±0.24** 4.50±0.19** 9.81±0.31** 4.00±0.08**
200B 6.86±0.20 5.29±0.37** 5.69±0.25** 10.50±0.31** 7.91±0.21**
ES40 6.76±0.10 4.66±0.07** 6.36±0.07 5.78±0.15* 8.78±0.44**
丹 340 Dan 340 6.24±0.20 8.78±0.07** 6.79±0.30* 6.82±0.26* 7.92±0.30**
表中数据为平均值±标准差。*和**表示在 0.05和 0.01水平上差异显著。
Data in the table are mean ± SD. * and ** denote significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

在干旱胁迫条件下 , 不同自交系 PP2C 酶活性与
PP2C 基因的相对表达量呈大致相同的变化趋势, 只是酶
活性的变化时间段较晚 , 波动较大 , 不如基因相对表达
量的变化趋势规律, 可能是 PP2C家族其他同源基因的表
达产物对活性检测有干扰。
3 讨论
在拟南芥上研究证实, PP2C基因在转录水平上受ABA
诱导, PP2C酶催化可逆磷酸化作用, 在 ABA和促分裂原蛋
白活化激酶等信号传导途径中充当负调控因子[5-6,14,20]。本
研究发现, 在干旱胁迫条件下, ZmPP2Ca 基因在耐旱自
交系中呈下调表达, 在不耐旱自交系中呈上调表达(表 1
和表 2), 与 Neale等[15]对鼠尾草 PP2C基因和徐云峰等[21]
对玉米 ZmPP2C 基因的检测结果一致。Tahtiharju 和
Palva[17]在拟南芥上发现, 低温胁迫也可抑制 PP2C 酶活
性。但是Lorenzo等[18]在山毛榉上检测认为, 干旱对PP2C
基因的转录和表达没有影响。Vranova等[16]在烟草上的检
测结果更与通常情况不同, PP2C 基因在干旱胁迫下上调
表达, 又在氧化损伤和高温胁迫下下调表达。Yupasins等[13]
在高盐胁迫下 , 发现蛋白激酶的活性提高 , 而蛋白磷酸
酶的活性被抑制。
综上所述, 由蛋白质激酶和蛋白质磷酸酶协同催化
的蛋白质可逆磷酸化可能参与植物在干旱胁迫条件下的
信号传导 , 但它们是从不同方向催化同一可逆反应 , 各
自又包括较多的同工酶, 涉及胁迫信号传导的复杂体系,
而且不同的基因型可能还有不同的应答机制, 所以基因
第 5期 何 亮等: 玉米 2C型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(PP2C)活性与耐旱性的关系 903


的差异表达和酶活性变化不尽相同。ZmPP2Ca 基因的差
异表达以及由此引起的 PP2C酶活性差异, 可能与干旱胁
迫条件下玉米细胞的信号传导有关。
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