(1.厦门大学环境与生态学院,福建 厦门 361102; 2.四川农业大学生命科学学院,四川 雅安 625014)
(1.College of the Environment & Ecology,Xiamen University,Xiamen 361102,China; 2.College of Life Science,Sichuan Agriculture University,Ya'an 625014,China)
Avicennia marina; heavy metal tolerance; Cd; Nramp
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201611048
备注
白骨壤(Avicennia marina(Forsk.)Vierh.)作为红树林的先锋植物,广泛分布于我国南海沿岸,是一种研究红树植物重金属污染物耐受性分子机制很好的材料.以抑制消减杂交获得的白骨壤重金属耐受性相关基因AmNramp3片段为基础,设计基因特异性引物,利用cDNA末端快速扩增(RACE)技术克隆了其全长,长度为1 958 bp; 通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测了AmNramp3在重金属镉胁迫时白骨壤叶、茎和根中的表达情况,其表达量在叶中高于根和茎中,但在茎和根中有快速的响应.利用生物信息学方法预测并分析了该基因的开放阅读框,位置位于1~1 527 bp,编码508个氨基酸; 进而预测并分析了AmNramp3蛋白的结构,发现其氨基酸序列中不含有信号肽,说明其不是分泌蛋白; 但其具有很复杂的跨膜结构,是一种跨膜蛋白.综上,AmNramp3基因编码一种跨膜蛋白,在重金属镉胁迫下表达量快速变化,可能与镉的跨膜运输密切相关,这为后续分析该基因发挥功能的分子机制奠定了基础.
The halophytic Avicennia marina(Forsk.)Vierh. is one of the pioneer mangroves along the southern coast of China,which is a good material for understanding molecular mechanisms behind heavy metal pollutant tolerance in mangrove plants.In this study,based on the result of suppressive subtractive hybridization using rapid amplification of cDNA ends(RACE)technology,AmNramp3 gene was cloned using gene specific primers,with the full-length cDNA of 1 958 bp.We analyzed the expression of the AmNramp3 gene in leaf,stem and root after Cd treatment based on the quantative real-time PCR(qRT-PCR),and found the expression level in leaf was higher than in stem and root,while exhibited rapid response in stem and root.Additionally,the open reading frame(ORF)of the AmNramp3 gene was predicted and analyzed using bioinformatics,and results show that it is located in 1 bp to 1 527 bp and encodes 508 amino acids.Then the structure of the AmNramp3 protein was predicted and analyzed,and results show that the protein has no signal peptide,indicating that it is not a secretory protein.However,the AmNramp3 protein has a complex transmembrane structure,indicating that it is a transmembrane protein.Therefore,our analysis predicts that AmNramp3 encodes a transmembrane protein and the expression is rapidly changed under Cd stress,which is possibly related to the transmembrane transport function of heavy metal cadmium.This is helpful for us to understand the molecular mechanism of the AmNramp3 gene function in terms of heavy metal tolerance.
引言
红树林由各种类型中等高度的树木和灌木组成,通常位于热带、亚热带和温带沿海系统[1].红树林生态系统的海岸湿地是迁徙鸟类、动物和浅海底河口甲壳类动物的重要栖息地[2-3].因为红树林沉积物中有机物含量高、pH值低,并且有较多的细颗粒,所以很容易积累重金属[4].镉在自然环境中是一种毒性很强的重金属,即使在非常低的浓度下,仍然对植物有着很强的毒性[5-6].尽管红树林生态系统受到河流和污水排放的影响,但它们仍对重金属污染物表现出很强的耐受性[7-8].白骨壤(Avicennia marina (Forsk.)Vierh.)作为红树林的先锋植物[9],广泛分布于我国南海沿岸,相比其他红树林物种表现出更强的重金属耐受性[10].重金属污染物的胁迫会导致白骨壤产生一系列复杂的生理响应反应,但是对其分子机制了解并不多.因此,需要更详细的分子生物学研究以阐明白骨壤对重金属污染物的耐受性机制.
本研究依据前期工作基础(文章暂未发表),以抑制消减杂交技术[11]筛选出若干白骨壤重金属污染物耐受性相关基因,发现一个与重金属转运功能有重要联系的基因,其编码蛋白的氨基酸序列与GenBank中可可(Theobroma cacao)的Nramp3蛋白同源性高达99%,故将其命名为AmNramp3.Nramp基因家族首先在动物中被发现,该基因家族与动物病原菌入侵所产生的抗性相关[12].后来植物中的Nramp基因家族成员也被陆续克隆,并分别在水稻(Oryzs sativa)[13]、拟南芥(Arabidopsis thaliana)[14]、柑橘(Citrus reti-culata)[15]等植物中详细研究了其功能,发现Nramp基因家族在金属离子Fe、Mn、Cd、Cu、Co、Zn、Ni的转运中起着重要作用[16],但是在红树植物中尚未见相关报道.本研究以白骨壤为材料,利用cDNA末端快速扩增(RACE)技术克隆了AmNramp3基因的cDNA全长,并通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)方法检测了其在重金属镉胁迫时白骨壤叶、茎和根中的表达情况; 进而利用生物信息学方法预测并分析了该基因的开放阅读框(ORF),及其编码蛋白的氨基酸一级结构、蛋白质二级结构、信号肽位点、跨膜结构、疏水性和亚细胞定位.
1 材料与方法
2 结果与分析
2.1 总RNA的提取及检测对CTAB法提取的白骨壤叶片总RNA进行浓度、纯度和完整性检测,使用NanoDrop 2000紫外分光光度计测得2份白骨壤叶片样品总RNA质量浓度分别为806和752 ng/μL,260和280 nm吸光度比值分别为1.99和2.00; 1%(质量分数)琼脂糖凝胶电泳图谱(图1)显示28S rRNA和18S rRNA主带清晰,无明显降解,说明CTAB法提取的白骨壤叶片总RNA完整性很好,可以进行后续RACE实验.
M. DL2000 DNA分子质量标准; 1和2分别
对应2份总RNA样品.
2.2 AmNramp3基因的cDNA全长克隆将上述2份总RNA样品分别反转录成5'-和3'-RACE用的cDNA第一链,再以AmNramp3基因的特异性引物GSP1(5'-CCGCCCTCGCCATCTCTTTCGTG-3')、GSP2(5'-TAAACAACGCACCGCTCCCTTCCG-3')、NGSP1(5'-GCAGCACTATAACTGGCACCTACGC-3')和NGSP2(5'-AACCGCAAGTTCAGAAAACCTCCC-3')进行RACE,5'-和3'-RACE分别得到长度约1 kb和2 kb的片段(图2).
图2 AmNramp3的5'-RACE(a)和3'-RACE(b)扩增结果
Fig.2 Amplification results of 5'-RACE(a)and 3'-RACE(b)for AmNramp35'-RACE和3'-RACE获得的片段经琼脂糖凝胶电泳回收后与pMD18-T载体连接,连接产物转化大肠杆菌(Escherichia coli)DH5α感受态细胞,随机挑取10个克隆进行菌落PCR鉴定,阳性克隆送Invitrogen公司用M13F和M13R引物进行双向测序,5'-RACE片段测定8个克隆,3'-RACE片段测定5个克隆,重复测定以保证测序结果的准确性.去掉载体和引物序列后,5'-RACE产物长度为712 bp,3'-RACE产物长度为1 648 bp,经拼接获得一条长度为1 958 bp的片段,即为AmNramp3基因的cDNA全长(图3).
2.3 AmNramp3基因在镉胁迫下的表达qRT-PCR检测镉胁迫下AmNramp3基因在白骨壤叶、茎和根中的表达变化,结果如图4所示:叶和根中不同胁迫处理天数的AmNramp3基因表达量均存在显著差异(p<0.05); 茎中除0 d与7 d的表达量之间没有显著差异(p>0.05)外,其他均有显著差异(p<0.05).AmNramp3基因在镉胁迫下的叶中表达量表现为先缓慢上升后下降,在茎中则先迅速下降而后又迅速恢复到正常水平,而在根中则表现为先迅速下降后缓慢恢复,说明该基因在茎和根中对于镉胁迫有快速的响应.
L,S,R分别代表叶、茎、根; 0,1,3,7对应于胁迫处理天数.
2.4 AmNramp3蛋白的生物信息学分析拼接得到AmNramp3的cDNA全长序列用ORF finder进行ORF查找,结果显示ORF位于1~1 527 bp,编码508个氨基酸.氨基酸一级结构分析结果显示其中有115个极性氨基酸(N、C、Q、S、T、Y),246个疏水氨基酸(A、I、L、F、W、V),41个强酸性氨基酸(D、E),31个强碱性氨基酸(K、R),其分子质量为55.43 ku,理论等电点为5.065.AmNramp3蛋白功能结构域包含51~429位氨基酸,为典型的Nramp结构域(图5).
将AmNramp3的蛋白全长序列在NCBI数据库网站进行Blastx比对,发现AmNramp3与GenBank中可可的Nramp3蛋白(XP_007047433.1)同源性高达99%,相似度为81%.将NCBI数据库中部分具有代表性物种的Nramp3蛋白序列与AmNramp3进行系统进化分析,包括:杨树(Populus trichocarpa,XM_006380609.1)、烟草(Nicotiana tabacum,NM_001325280.1)、番茄(Solanum lycopersicum,NM_001246841.1)、杜梨(Pyrus betulifolia,KT962097.1)、豆梨(P. calleryana,KT962098.1)、苜蓿(Medicago truncatula,XM_003611600.2)、大豆(Glycine max,AY169405.1)、桑树(Morus notabilis,XM_010088976.1)和东南景天(Sedum alfredii,KP684939.1).结果显示:AmNramp3与茄科植物烟草和番茄同源性较高,聚成同一分支; 杨树、桑树与东南景天聚成同一分支; 苜蓿与大豆也处于其分支之外; 而与2个蔷薇科梨属植物杜梨和豆梨关系最远(图6).红树科与茄科同为菊亚纲植物,与原始花被亚纲的梨属植物相距较远,相同科目的生物有共同的祖先,该进化树也从核酸水平印证了生物分类学的结果.
通过SOPMA预测AmNramp3蛋白的二级结构,该序列中α-螺旋占45.47%,延伸片段占25.00%,β-转角占8.07%,随机卷曲占21.46%(图7(a)); 使用SWISS-MODEL 工具模拟得到AmNramp3蛋白的空间结构(图7(b)).
运用SignalP 4.0工具的Neural Networks方法对AmNramp3氨基酸序列进行信号肽分析,未发现潜在信号肽(图8(a)),说明AmNramp3发挥功能作用的位点不在细胞外.使用ExPASy中的ProtScale程序分析AmNramp3蛋白的疏水性,纵坐标中正值为疏水,负值为亲水,可见AmNramp3蛋白含有多个分散的疏水区域(图8(b)).使用TMHMM进行蛋白的跨膜结构预测,结果表明AmNramp3蛋白具有很复杂的跨膜结构,表现为膜外-膜-膜内交替(图8(c)).
图7 AmNramp3蛋白二级结构(a)与空间结构(b)预测
Fig.7 Predicted secondary structure(a)and superposed structure(b)of AmNramp3 protein图8 AmNramp3蛋白信号肽(a)、疏水区域(b)、跨膜区域(c)分析
Fig.8 Analyses of signal peptide(a),hydrophobicity(b)and transmembrane domain(c)of AmNramp3 protein进而釆用PSORT进行蛋白亚细胞定位预测,结果表明AmNramp3蛋白可能定位于细胞质膜(certainty值为0.6)、叶绿体内囊体膜(certainty值为0.475)、高尔基体(certainty值为0.4)和内质网膜上(certainty值为0.3).
3 讨论与结论
目前,在NCBI数据库中能搜索到的红树植物白骨壤基因研究报道只有上百篇文献,相较于模式植物水稻的上万篇报道差距很大,可见红树植物的分子生物学研究还停留在初级阶段.现阶段单一手段的研究方式限制越来越大,跨学科甚至多学科结合的研究方法已经被越来越多的科研工作者认可.在严重玲课题组前期生态学研究[19-20]的基础上,本研究使用分子生物学以及生物信息学的方法研究了白骨壤重金属耐受性相关基因AmNramp3.AmNramp3基因编码一种金属转运蛋白,负责液泡内的重金属的跨膜运[21],这可能与白骨壤的泌盐作用相关.本研究中进行qRT-PCR分析时,AmNramp3基因在叶片中的表达量比根和茎中的高,很可能是因为镉通过根向地上部分运输时主要经过维管束,属于质外体运输,跨膜运输较少; 而当镉到达叶片后,白骨壤作为一种泌盐植物,盐腺发达,镉需从维管束通过叶片细胞转运到盐腺,进而分泌出体外,这都需要大量的跨膜转运蛋白发挥作用.
本研究基于前期筛选从重金属耐受性植物白骨壤中获得AmNramp3基因片段并克隆了其cDNA全长,对其在镉胁迫下的表达情况进行了检测,全面预测并分析了其蛋白结构、定位及功能,为后续研究该基因发挥功能的分子机制奠定了基础.
1.1 材 料白骨壤的种苗采自福建省云霄县漳江口国家级红树林自然保护区(23°55'N,117°26'E)的白骨壤林.挑选外观饱满且无明显病虫害的种苗进行栽培.种苗经过0.1%(质量分数)高锰酸钾溶液浸泡0.5 h后用清水洗净栽培于洁净海沙中.在Hoagland营养液(7.0 mmol/L KNO3,2.0 mmol/L KH2PO4,2.0 mmol/L MgSO4,46 μmol/L H3BO3,0.32 μmol/L CuSO4,0.76 μmol/L ZnSO4,9.2 μmol/L MnSO4,0.5 μmol/L(NH4)6Mo7O2,20 μmol/L Fe-乙二胺四乙酸(EDTA),20 mmol/L FeSO4,5.0 mmol/L Ca(NO3)2,pH 6.0)[17]中添加质量分数为1%的NaCl培养,每周更换营养液,培养9个月用于后续实验.
1.2 试 剂SMARTer RACE cDNA扩增试剂盒与Advantage 2 Polymerase Mix购自Clontech公司; PrimeScript 反转录试剂盒(含基因组DNA清除剂)、DNase Ⅰ购自TaKaRa公司; FastStart Universal SYBR Green Master(附ROX荧光染料)购自Roche公司; 其他生化试剂均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司.
1.3 方 法1.3.1 总RNA提取取0.1 g新鲜叶片液氮研磨至粉末状,加入65 ℃预热的含有1 mL 十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)提取液(2%(质量分数)CTAB,100 mmol/L pH 8.0 Tris-HCl,20 mmol/L pH 8.0 EDTA,2 mol/L NaCl,2%(质量分数)交联聚乙烯吡咯烷酮(PVPP))[18]的2 mL离心管中,65 ℃水浴加热20 min,间歇摇动; 依次用等体积的水饱和酚/三氯甲烷/异戊醇(体积比25:24:1)和等体积的三氯甲烷/异戊醇(体积比24:1)各抽提一次,上层水相加入1/3体积的8 mol/L LiCl,-80 ℃沉淀30 min,75%(体积分数,下同)乙醇洗涤2次以后溶于50 μL 焦炭酸乙二酯(DEPC)处理过的H2O; 使用DNase Ⅰ处理后再用三氯甲烷/异戊醇(体积比24:1)抽提一次,2倍体积乙醇-80 ℃沉淀30 min,75%乙醇洗涤2次后溶于50 μL DEPC处理过的H2O,-80 ℃保存备用.
1.3.2 基因特异性引物设计使用Primer Premier 5.0软件,以抑制消减杂交获得的AmNramp3基因片段为基础设计引物,满足以下几个条件:1)长度23~28 nt; 2)GC含量50%~70%; 3)不与通用引物(UPM)3'-端互补; 4)针对目的基因具较高特异性.
1.3.3 5'-与3'-RACERACE用cDNA第一链的合成使用SMARTer RACE cDNA扩增试剂盒,按照操作手册完成.使用Advantage 2 Polymerase Mix完成AmNramp3基因的5'-与3'-RACE,反应体系如下:
1)5'-RACE:5'-RACE-Ready cDNA 2.5 μL,UPM(10×)5 μL,基因特异性引物1(GSP1,10 μmol/L)1 μL,PCR级H2O 34.5 μL,10×Advantage 2 PCR缓冲液5.0 μL,dNTP Mix(10 mmol/L)1.0 μL,50×Advantage 2 Polymerase Mix 1.0 μL;
2)3'-RACE:3'-RACE-Ready cDNA 2.5 μL,UPM(10×)5 μL,GSP2(10 μmol/L)1 μL,PCR级H2O 34.5 μL,10×Advantage 2 PCR缓冲液5.0 μL,dNTP Mix(10 mmol/L)1.0 μL,50×Advantage 2 Polymerase Mix 1.0 μL.
Touchdown PCR反应程序:5个循环(94 ℃,30 s; 72 ℃,3 min); 5个循环(94℃,30 s; 70 ℃,30 s; 72 ℃,3 min); 27个循环(94 ℃,30 s; 68 ℃,30 s; 72 ℃,3 min).
1.3.4 qRT-PCR表达分析材料选取2 mg/L CdCl2胁迫处理0,1,3,7 d的白骨壤叶、茎和根,总RNA提取同步骤1.3.1.以抑制消减杂交获得的AmNramp3基因片段为基础设计引物,上游引物5'-TTGGGATGATAGCACAGC-3',下游引物5'-GCACTATAACTGGCACCTAC-3',目标产物长度预期为120 bp; 内参基因选择AmActin,上游引物5'-AGATGGCAGAAGCTGAGGA-3',下游引物5'-CCATGCCAACCATCACACC-3'[18].qRT-PCR反应的cDNA模板使用PrimeScript反转录试剂盒(含基因组DNA清除剂)进行合成,使用FastStart Universal SYBR Green Master(附ROX荧光染料)试剂,在ABI 7500 qRT-PCR仪上进行,数据经ABI 7500 System软件处理后于Microsoft Excel中进行统计作图.差异显著性分析使用SPSS 16.0软件完成,p< 0.05认为有显著差异.
1.3.5 生物信息学分析获得的3'-和5'-RACE片段经Invitrogen公司测序,使用Lasergene 7.0(http:∥www.dnastar.com)的SeqMan软件进行序列拼接,输出为一条完整的全长序列.拼接好的全长序列使用NCBI数据库网站的ORF Finder(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)查找可能的ORF.使用Lasergene 7.0的EditSeq软件完成氨基酸一级结构预测; 使用SOPMA(https:∥npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma.html)和SWISS-MODEL(http:∥swissmodel.expasy.org/)分别进行蛋白的二级结构和空间结构预测; 使用SignalP 4.0 Server(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)进行信号肽预测; 使用TMHMM Server v. 2.0(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)进行蛋白的跨膜结构分析; 使用ExPASy的ProtScale(http:∥web.expasy.org/protscale/)程序进行蛋白的疏水性分析; 使用PSORT(http:∥psort.hgc.jp/form.html)进行蛋白的亚细胞定位预测.以NCBI数据库网站的同源比对结果为基础,使用Lasergene 7.0的MegAlign软件,用Jotun Hein Method算法构建系统进化树.
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