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黑龙江农业科学 2018(3)19-25Heilongjiang Agricultural Scienceshttp//www.haasep.cnDOI10.11942/j.issn1002-2767.2018.03.0019生长素酰胺水解酶基因在西瓜果实发育过 程 中的表达高嫱1,田守 蔚2,张洁2,王艳 萍2,孙宏 贺2,张海 英2,许勇2(1.北京 农学院 植物科学技术学院 ,北京102206;2.北京 市农林科学院 蔬菜研究中心 /农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室 /蔬菜种质改良北京重点实验室 ,北京100097)摘 要 生长素在植物果实发育与成熟过程中发挥重要作用 ,但生长素调控西瓜果实发育与成熟的分子机制尚不 十分清楚 。以含糖量低的野生西瓜 PI296341-FR与含糖量高的栽培西瓜 97103为试 验材料 ,测定并比较了栽培与野生西瓜果实发育不同时期果实整组织游离态 IAA的含 量 。结果表明 果实游离态 IAA的含 量随西瓜果实发育而上升 ,在授粉后 18d达到 峰值 ,后期逐步下降 。含糖量高的栽培西瓜果实游离态 IAA的含 量在果实发育的各个阶段 ,均显著高于含糖量低的野生西瓜 ,说明果实游离态 IAA的积 累可能与果实成熟及含糖量积累相关 。已有研究表明生长素酰胺水解酶 (IAA-Leucine Resistant1-like Hydrolase,ILR1-like hydro-lase,ILL)通过催化结合态生长素释放游离态 生长素 ,是游离态生长素积累的限速酶 。在西瓜全基因组上对ILL基 因家族进行了系统进化树分析,通 过qRT-PCR检测了西瓜各个组织的表达情况 ,发现西瓜果肉中只有 4个 ILL基因 表达 ,并且栽培西瓜果肉中这 4个基因的表达量均显著高于野生西瓜 ,其中 ,Cla017661在栽培西瓜果肉中的表达量最高 ,且 与果实游离态 IAA的含 量变化趋势正相关 ,推测该基因对栽培西瓜游离态IAA的积累起关键作用,进而调控了西瓜果实的发育与成熟的进化 。关 键 词 生长素 ;西瓜 ;游离 ;IAA;生长素酰胺水解酶收 稿 日期 2018-01-10基金 项目 北京学者资助项目 (BSP026);国家 西甜瓜产业技术体系资助项目 (CARS-25);北京西甜瓜创新团 队资助项目 (BAIC10-2017)。第一 作者简介 高嫱 (1990-),女 ,在读 硕士 ,从事蔬菜育种与生物技术研究 。E-mail1192039757@qq.com。通讯 作者 许勇 (1965-),男 ,博士 ,研 究员 ,从事蔬菜育种研究 。E-mailxuyong@nercv.org。肉质果实的 发育与成熟是复杂而高度协调的过程 ,依赖于多个植物生长激素的协调作用[1],其中生长素在果 实发育的过程中起到了不可替代的作用 。生长素不仅对果实坐果起重要作用[2],还能通 过调控细胞分裂和细胞扩增 ,决定果实最终大小[3]。在一 些水果作物中 ,生长素含量的下降被认为是果实启动成熟的先决条件[4]。外施 生长素可以干扰许多作物的果实成熟过程[5]。植物 生长素的主要天然活性形式是吲哚乙酸 (indole-3-acetic acid,IAA),通过植物自身的色氨酸 依赖途径及色氨酸非依赖途径合成[6]。合成有 活性的游离态IAA可以 通过酯键与糖结合 ,或通过酰胺键与氨基酸或肽结合 ,成为非活性的结合态IAA,植物 体95%的生 长素以结合态形式存在[7-8]。IAA以结 合态形式存储 、运输 ,其后在生长素 酰 胺 水 解 酶 (IAA-Leucine Resistant1-likeHydrolase,ILR1-like hydrolase,ILL)作 用 下 水解产生游离态IAA,在不 同发育过程中提供具有生物活性的生长素[9]。拟南 芥的ILL蛋白 家族有7个成员 ,其中AtIAR3的主 要底物是IAA-Ala,参与 调控了拟南芥对干旱胁迫的响应[10-11]。AtILR1、AtIAR3及AtILL2基因 ,通 过调控游离态IAA的含 量进而参与调节了光照条件下下胚轴的延伸及侧根的发生 、根毛的延伸[12-13]。芜菁受到根肿菌侵 染 ,肉质 根 中 的IAA含 量 增 加 可 能 与BrIAR3和BrILL6的 表 达 量 变 化 相 关[14];MtIAR33和MtIAR34调控 了 蒺 藜 苜 蓿 根 部 受 真 菌 侵 染 时IAA含量 的增加[15]。桃ILL家族 的PpILR1基因在 桃果实成熟过程表达量上调了9倍 ,可能通过催化生长素氨基酸结合态水解的形式参与了溶质型桃果实成熟阶段的生长素的跃变过程 ,进而调控桃果实发育过程[16]。因此 ,ILL蛋白 通过调控游离态IAA的释放调控了植 物的众多发育过程 。果实发育与成熟过程与游离态IAA的含 量息息相关 。西瓜作为非呼吸跃变型果实发育研究的理想模式作物 ,生长素对其果实发育与成熟过91黑龙江农业科学 3期程的 研究尚在起步阶段 ,生长素在西瓜果实发育过程的含量变化尚未有研究报道 ,关于生长素酰胺水解酶对此过程的调控作用尚不清楚 。本研究首次报道了含糖量低的野生型西瓜与含糖量高的栽培型西瓜果实发育过程中的生长素含量变化差异 ;利用生物信息学分析方法 ,鉴定并分析西瓜全基因 组ILL家 族 成 员 的 基 本 特 征 通 过qRT-PCR检测 了西瓜ILL基因 在野生型及栽培型西瓜果实发育过程的表达差异 ,为ILL基因 家族成员的功能解析奠定了基础 。1 材 料 与方法1.1 材料以 野 生 型 种 质 “PI296341-FR”(C.lanatusvar.citroides)与早熟栽培西瓜 自交系97103(C.lanatus subsp.vulgaris)为供 试材料 。野生材料由课题组从美国引进并保存 ,授粉后约50d种子成 熟 ,但果实可溶性糖含量极低 ,无甜味 ,瓤色白且硬 ;早熟栽培种西瓜由本课题组选育并保存 ,授粉后约30d成熟 ,成熟果实含糖量 高 ,中心瓤甜 ,可溶性固形物11%左右 ,瓤 色红 ,肉质脆酥 。早熟栽培西瓜果实发育过程有4个关键期 1.未成熟 白 瓤 期 (授 粉 后10d,DAP);2.白 粉 瓤期 (18DAP);3.红 瓤 期 (26 DAP);4.过 熟期 (34DAP)[16]。以此 作为取样时间点 。1.2 方法1.2.1 果实整组织游离态IAA含量 的测定游离态IAA的含 量测定在中国农业大学生物科学院质谱 (MS)实验室进行 。分别采集 “PI296341-FR”、97103授粉 后10、18、26、34、42及50d的西瓜 果实各部位样品 。采集的样品在液氮中冷冻后 ,储存在-80℃冰箱 。测 定时将样品粉碎成细粉 ,取0.1g样 品 置 于1.5mL离 心 管 ,加 入500μL提取 液 (异丙醇∶水∶盐酸=2∶1∶0.002,v/v/v)和50μL内标 (100μg·L-1)溶液 ,涡 旋振荡10s,在4℃、300r·min-1条件 下振荡30min,加入1mL萃取 液 (氯仿溶液 ),涡旋振荡10s,在4℃、300r·min-1条件 下振荡30min,相同 温度下14 000r·min-1离心5min,两相 形成 ,转移下层液体1.2mL,室温下氮气吹干 ,用0.1mL甲醇 溶液复溶 ,14 000r·min-1离心5min后 ,取上 清液装入进样小瓶 ,上机待测 。所用液相色谱仪为Wa-ters AcquityUPLC I-Class(Waters Corpora-tion,34 Maple Street Milford,MA,01757USA),使用 色谱柱Poreshel EC-120(3.0mm100mm,3m;Agilent,Santa Clara,CA)进行 色谱分离 ,采用以下溶剂梯度分离IAA(A相 水含0.05%乙酸 ;B相 乙 腈含0.05%乙酸 )0min,10%B;6.25 min,40%B;7.5 min,90%B;10.5min,90%B;10.6min,10%B;13.5min,10%B;流速 为0.3mL·min-1,上样 量为5μL。使用高分辨质谱仪Thermo Q-Exactive high reso-lution mass spectrometer(Thermo Scientific,Waltham,MA,USA)进行 质谱分析 ,参数设置如下 Ion SourceHESI,SprayVoltage(-)3000,CapilaryTemperature320,Sheath Gas30,AuxGas10,Spare Gas5,Probe Heater Temp.350,S-Lens RF Level55,保留 时间和IAA的质 谱信息取决于标准品 。每个样本重复3次 。1.2.2 可溶 性固形物含量的测定用手持式ATC-1E糖度 计 (ATAGO,Tokyo)测定 西瓜果实中心果肉组织的可溶性固形物含量 。1.2.3 西瓜ILL家族 基因序列检索利用拟南芥基因组数据库获得ILL基因 的编码序列 ,通过检索 葫 芦 科 基 因 组 数 据 库 (http//cucurbit-genomics.org/)对西 瓜蛋白组序列进行比对 ,选取阈值小于e-5序列 ,根 据基因注释去除非ILL基因后 ,以 此序列集合在西瓜蛋白组序列内再次做BLASTP比对 检索 (e-value=1e-5),在匹 配序列中筛除非ILL序列 后列为西 瓜ILL候 选 基 因序列 。1.2.4 西瓜ILL蛋白 家族进化与结构分析从拟南芥基因组数据库中获得拟南芥ILL蛋白 家族 序 列 (AtILR1,AT3G02875;AtIAR3,AT1G51760;AtILL1,AT5G56650;AtILL2,AT5G56660;AtILL3,AT5G54140;AtILL5,AT1G51780;AtILL6,AT1G44350),并从 检索获得的转录本序列翻译出西瓜ILL蛋白 家族序列 ,用ClustalX 1.83进行 序列比对 (alignment),使用MEGA 7.0[17]软件 构建ML系统发育树 ,做500次bootstrap,其它 参数为系统默认值 。1.2.5 西瓜ILL基因在 不同组织部位的表达分析RNA提取 试剂盒购自华越洋生物公司 ;反转录试剂盒为TURBO DNA-freeTM Kit,由Invitro-gen提供 ;荧 光定量PCR试剂 盒购自TaKaRa公司 ;引物由北京天一辉远 生物科技有限公司合成 。用RNA提取 试剂盒分别提取 ,分别取97103根 、顶端 生长点 、叶片组织 ,97103和PI296341-FR授粉后10、18、26、34、42、50d的果 肉组织总RNA。使用TURBO DNA-freeTM Kit(Invitrogen)对各023期 高 嫱等生长素酰胺水解酶基因在西瓜果实发育过程中的表达样品RNA进行 纯化 。以纯化后的RNA样品 为模板 ,利用试剂盒PrimerScript 1st Strand cDNAsynthesis kit(Takara)进行 反转录 ,获得cDNA。反转 录得到的cDNA稀释10倍 ,用作 反应模板 。以西瓜Actin基因 作为内参 ,利用LightCycler480型荧 光定量PCR仪 (Roche)对基 因 (引物见表1)进行定量PCR分析 。采 用比较C-T法计 算各基因的相对表达量 。表1 荧光定量PCR扩增的引物序列Table 1 Primers used for qRT-PCR amplification基 因 登录号Gene accession No.上 游 引物Forward primer下 游 引物Reverse primerCla011242 GGTCATCTCCAAGCCTGGTCCTAT CCACCGCCTTGAAACTTTGCTATTGCla017661 GTGGACATGCTGCAATGCCTCA ACCCTTTACGAACCCGACAGTGACla018422 CTATTGGGTTTGGCGAGGGAAAGG CACCACTCCAGTCTTGGCAACAGCla010118 CCACGAGAACCCAGAACTTGCTTT GCTCCCATTCCACCAATTCCTCAATCla012630 GCTTGTGGTCACGATGCTCATGT AGCACCTCCACCTCCTTCTTCAGCla013930 TCTTCATCGCCATTCACGCCTTC TCGCAGTTCTGAGACTCCAATCCACla007792(Actin)CCTACAACTCAATTATGAAGTGTG GAAATCCACATCTGCTGGAAGGTG1.2.6 数据 分析采用Excel 2010软件 进行数据分析 。2 结 果 与分析2.1 野生西瓜与栽培 西瓜果实整组织游离态IAA的含 量变化检测 “PI296341-FR”、97103两个品种西瓜果实不 同发育时期整组织游离态IAA的含 量变化 ,结果显示 ,二者游离态IAA的含 量均呈现先升后降趋势 ,18d达到 最高值 ,而后下降 。在果实发育后期 ,野生西瓜游离态IAA的含量几乎降为零 ,而栽 培品种仍维持较高含量的游离态IAA。栽培 西瓜在授粉10d后的果实发育的各个阶段游离态IAA的含量显著高于野生西瓜 (图1)。栽培 品种97103可溶 性固形物含量在白粉瓤期(18d)以后 迅速积累 ,一直增加 ,只在过熟期略有降低 ,而野生品种PI296341-FR可溶性固形物含量一 直很低 (图2),不难推测出 ,栽培西瓜后期较高含量的游离态IAA可能 对其可溶性固形物的积累起重要的作用 。潘磊等[17]在桃果实发育中也发 现同样现象 。2.2 西瓜 生长素酰胺水解酶基因家族的全基因组鉴定与进化树分析前人的研究结果表明 ,IAA以结 合态形式存储 、运输 ,生长素酰胺水解酶 (IAA-Leucine Re-sistant1-like Hydrolase,ILR1-like hydrolase,ILL)可以 将其水解产生游离态IAA,是游 离态IAA积累 的限速酶 ,因此西瓜果实游离态IAA积累可 能与ILL基因 有关 ,有必要进一步在西瓜全基因组上鉴定分析ILL基因 家族成员 。目前在以拟南芥上已鉴定出7个ILL基因 (AtILR1,AT3G02875;AtIAR3,AT1G51760;AtILL1,AT5G56650;AtILL2,AT5G56660;AtILL3,AT5G54140;AtILL5,AT1G51780;AtILL6,AT1G44350),通过 其编码区在西瓜基因组数据库中进 行 比 对 ,在西瓜中共得到6个ILL基因 (表2)。不 同 小写 字 母 表 示 在 0.05水 平 差 异 显 著 性 (P<0.05)。下同 。Different lowercase letters mean significant difference at 0.05level.The same below.图 1不同类型西瓜果实中游离态 IAA含量 的变化Fig.1 Change of free IAA content in differenttypes of watermelon fruits图 2不同类型西瓜果实中可溶性固形物含量的变化Fig.2 Change of soluble solids content in differenttypes of watermelon fruits12黑龙江农业科学 3期表2 西瓜 基因组中ILL基因 家族的特征Table 2 Characteristics of the ILL genes familyin watermelon基 因 登录号Geneaccession No.染色 体定位ChromosomeNo.预测 的蛋白 Predictedprotein氨 基 酸长度 /aaLength分子 量 /kDMolecular weight结构 域Protein domain二聚 化结构域M20dimerisation domainCla011242 3 443 48.46 Peptidase M20 +Cla017661 10 762 84.15 Peptidase M20 -Cla018422 4 484 52.69 Peptidase M20 -Cla010118 5 389 42.42 Peptidase M20 +Cla012630 7 445 49.03 Peptidase M20 +Cla013930 8 502 55.35 Peptidase M20 ++表示存在此结构域 。+means domain exist.利用 进化树分析软件MEGA7.0对西 瓜的6个和 拟 南 芥 的7个ILL蛋 白 序 列 (AtILR1,AT3G02875;AtIAR3,AT1G51760;AtILL1,AT5G56650;AtILL2,AT5G56660;AtILL3,AT5G54140;AtILL5,AT1G51780;AtILL6,AT1G44350)进行 进化分析 。由图3可以看出 ,西瓜和拟南芥的ILL蛋白 主要分为3大类 ,西瓜中 的Cla012630、Cla011242、Cla010118、Cla013930基 因 编 码 的 蛋 白 和 拟 南 芥AT1G51760(AtIAR3)、AT1G51780(AtILL5)、AT5G56650(AtILL1)、AT5G56660(AtILL2)和AT1G44350(AtILL6)蛋白 聚为一类 ,Cla017661、Cla018422编码 的蛋白与AT3G02875(AtILR1)和AT5G54140(AtILL3)聚 为 一 类 。其 中 ,Cla017661与AT3G02875(AtILR1)亲缘 关系较近 ,可能具有相似功能 。图 3西 瓜 和拟南芥 ILL蛋白家族的系统进化树分析Fig.3 Molecular phylogenetic analysis of ILL proteinsfromCitrullus lanatus and Arabidopsis thaliana byMaximum Likelihood method2.3 西瓜ILL基因 在不同组织部位的表达分析分别提取97103授粉 后18d的根 、叶 、顶 端生长点 、果柄及果肉组织 ,利用荧光定量PCR对候选6个ILL基因 的表达情况进行分析 。以18d时Cla012630在果柄组织的表达 量作为1,从图4中可以看出 ,Cla012630和Cla13930在根 部的表达量最高 ,排在第3位的是Cla018422它的 表达 量 约 为Cla012630的50%,Cla011242、Cla017661和Cla010118表达 量较低 。与其它器官相比 ,西瓜ILL基因 家族在叶片中的表达量均相 对 较 低 。在 顶 端 生 长 点 中 ,主 要 表 达Cla017661、Cla011242基因 ,其 它ILL基因 表达量 较 低 。果柄组织中主要表达Cla011242、Cla013930基 因 ,其 次 为Cla017661、Cla012630基因 ,Cla018422与Cla010118表达 量极低 。在果肉组织中 ,Cla018422和Cla010118表达 量极低 ,几乎为0。Cla017661表达 量最高 ,高出排在第二 位 的Cla011242将 近 一 倍 ,Cla012630和Cla013930表达 量约为Cla017661的30%。图 497103中 ILL基因在西瓜不同组织的表达情况Fig.4 Expression profile of ILLs gene of 97103in different tissues223期 高 嫱等生长素酰胺水解酶基因在西瓜果实发育过程中的表达2.4 ILL基因 在野生及栽培西瓜果实发育过程中的表达差异分析分别提取PI296341-FR授粉 后10、18、26、34、42、50d和97103授粉 后10、18、26、34d的果肉 组织总RNA,对比 检测4个ILL基因 在野生与栽培西瓜品种果肉中表达差异情况 ,取相同时期97103果 皮 作 对 照 。以 授 粉 后10d时Cla012630在果 皮组织的表达量作为1。从图5中可以看出 ,除Cla013930基因 以外 ,其余3个基因 在97103果肉中的表达均显著高于在PI296341-FR果肉 及97103果皮 的表达 ,并且在野生果肉与97103果皮 的表达情况基本相同 。其中 ,Cla017661、Cla011242在97103果肉 表达量变化趋势与果实整组织游离态IAA的浓 度变化趋势类似 ,都在授粉后18d达到最高 ,在授粉后26d降低 ,又 在34d有所 上调 。这3个基因均表现出在含糖量高的组织表达量高 ,栽培西瓜的果瓤高于野生西瓜的果瓤 ,栽培西瓜的果皮 (含糖量也低 )与野生西瓜的果瓤同样表现出较低的表达量 。其中Cla017661表达 量最大 ,推测其在水解结合态生长素中发挥更大的作用 。图 5ILL基因在不同类型西瓜果实中的表达情况Fig.5 Expression profile of ILLs gene in different types of watermelon fruits3 结 论 与讨论生长 素很早就被报道参与果实发育过程 ,外施生长素会扰乱正常的果实成熟过程[5],此外 生长素对果实坐果及果实大小的调控也起到关键作用[1]。除此 以外 ,在一些报道中 ,提出了果实组织中生长素合成或信号传导与糖积累之间的联系[18-19],但生 长素如何影响糖代谢进而影响果实品质的机理还不清楚 。在烟草细胞中 ,生长素抑制了淀粉粒的发育 ,淀粉生物合成主要酶的积累受生 长 素 的 影 响[20]。下调生长素响应因子SlARF4的表 达的转基因番茄 ,在果实发育早期积累更多的淀粉 ,后期积累更多的糖[21]。西瓜 起 源 于 非 洲 ,西 瓜 祖 先 品 种 (C.colo-cynthis或C.lanatus var.citroides,或其 它 )有着白而坚硬的果肉 、厚厚的果皮 、极低的含糖量 ,味苦 ,以上性状均有利于在雨季到来之前保护种子 ,防止种子过早被传播[22]。经过 人为驯化过程 ,现代栽培西瓜和野生西瓜祖先品种在外观和成分上有着明显的不同 ,这些变化的结果就是由不成熟并苦涩的野生西瓜变成了完全成熟并甜的栽培西瓜 。目前西瓜驯化过程的关键影响因素的研究还很少 ,西瓜由不甜的野生品种驯化为可以积累糖分的栽培品种 ,涉及的关键因子有待于进一步研究 。本研究测量了野生品种 “PI296341-FR”、早熟栽 培西瓜品种97103果实 不同发育时期整组织的游离态IAA浓度 的变化情况 ,发现不同类型西瓜果实游离态IAA的浓 度变化有差异 。二者游离态IAA的含 量均呈现先升后降趋势 ,18d达到32黑龙江农业科学 3期最高 值 ,而后下降 。这可能与种子发育有关 ,种子早期形成与发育会合成大量游离态IAA,成熟后 ,游 离态IAA的含 量迅速降低[23],导致 果实整组织游离态IAA的降 低 。在果实发育中后期 ,果实整组织的游离态IAA主要 来源于果肉 ,野生西瓜游离态IAA的含 量几乎降为零 ,而栽培品种仍维持较高含量的游离态IAA。此时是栽培西瓜果肉 中可溶性固形物迅速积累期 (决定西瓜含糖量 ),游离态IAA可能 是栽培西瓜果肉糖分积累的关键因素 。总体上看 ,栽培西瓜在果实发育的各个阶段游离态IAA的含 量显著高于野生西瓜 ,这与栽培西瓜同化物积累的能力显著高于野生型相吻合 。IAA作为 重要的植物激素 ,其含量的变化对植物生长发育有重要的影响 。除了从头合成途径 ,从结合态IAA水解 释放出有活性的IAA也是其 重要来源 ,生长素酰胺水解酶ILL基因 在此过程发挥了重要的作用[24-25]。最早在拟南芥发现并 鉴定了生长素酰胺水解酶ILL基因[26],后在许 多植物中陆续发现ILL蛋白 通过调控游离态IAA的释 放调控了植物的众多发育过程 。其中 ,桃ILL家族 的PpILR1基因在 桃果实成熟过程表达量上调了9倍 ,可能通过催化生长素氨基酸结合态水解的形式参与了溶质型桃果实成熟阶段生长素 的 跃 变 过 程 ,进而调控桃果实发育过程[16]。目前ILL基因 家族的 功 能 研 究 还 十 分有限 。本研究从西瓜基因组数据库中鉴定出6个ILL家 族 成 员 ,编 码 的 氨 基 酸 长 度 在389~762aa。qRT-PCR结果 显示 ,西瓜ILL家族 基因中Cla017661、Cla011242及Cla012630在栽 培西瓜果肉中的表达量 ,明显高于野生西瓜果肉 ,且在整个果实发育时期保持相对较高水平 ,这与栽培西瓜果实整组织游离态IAA的含量较高相一致 。其 中 ,分析发现Cla017661基因 的表达量变化趋势与果实整组织游离态IAA的浓 度变化趋势一致 ,推测该基因是调控西瓜果实生长素含量的关键基因 。进化树结果显示 ,Cla017661编码 的蛋白与拟南芥ILR1亲缘 关系较近 。ILR1主要 水解IAA-Leu和IAA-Phe[11],推测Cla017661主要以IAA-Leu和IAA-Phe为底 物 ,调节西瓜果实游离态IAA的含 量 ,进而参与栽培西瓜可溶性固形物的积累 。进一步对果实差异表达的ILL家族 基因的功能开展解析 ,将会探明生长素调控西瓜果实成熟及糖分积累的分子机制 ,本项研究为此奠定了良好工作基础 。参考文献 [1]Kumar R,Khurana A,Sharma A K.Role of plant hormonesand their interplay in development and ripening of fleshyfruits[J].Journal of Experimental Botany,2014,65(16)4561-4575.[2]De Jong M,Mariani 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