甘蔗茉莉酸甲基转移酶基因ScJMT的克隆与表达分析
发布时间：2021-11-27 07:40
茉莉酸类物质作为植物体内的內源调节激素,对植物生长发育以及植物对逆境胁迫的响应起着重要作用。茉莉酸甲基转移酶（jasmonic acid carboxyl methyltransferase, JMT）是茉莉酸甲酯合成途径中最后催化茉莉酸合成茉莉酸甲酯的关键酶,控制着植物体内茉莉酸类物质的转化进而影响植物对生物胁迫和非生物胁迫的抵抗能力。本研究基于甘蔗（Saccharum spp. hybrids）转录组数据库,克隆出了甘蔗茉莉酸甲基转移酶ScJMT基因ORF全长序列（GenBank No. MK784565）,对该基因进行生物信息学分析并通过qRT-PCR检测不同组织和不同胁迫处理下该基因的表达水平。生物信息学分析结果显示,ScJMT基因开放阅读框为1 110 bp,编码369个氨基酸,等电点为5.28,不稳定系数为56.76,平均疏水性值为-0.135,预测ScJMT基因编码的蛋白为不稳定酸性亲水蛋白。α-螺旋结构和无规则卷曲预测是其二级结构和三级结构主要元件,含有Methyltransf7超家族的Methyltransf7保守结构域。系...
【文章来源】：农业生物技术学报. 2020,28(11)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
Sc JMT基因在甘蔗不同组织中的表达特异性分析
现有研究证明，JMT基因广泛参与了植物各类对非生物胁迫的防御反应。安汶铠等(2017)沉默棉花Gh JMT基因发现棉花对干旱胁迫的抵抗能力显著降低；而在PEG胁迫下，棉花叶片中Gh JMT的表达量在处理后的6～12 h显著上调(杨艺,张富春,2015);Choi等(2003)通过构建的过表达At JMT基因的转基因拟南芥，发现在高盐环境下种子的发芽率显著高于野生对照型，且转基因植株对冷害、旱害和病原菌等逆境的抵抗能力明显提高。本研究发现Sc JMT在PEG、Na Cl和ABA胁迫下均提高表达，且对PEG胁迫反应最迅速，处理6 h后表达量迅速上升，约为对照的45.53倍。上述结果表明甘蔗的Sc JMT基因可能在逆境胁迫下通过提高自身的表达量来激活JA的生物合成，从而提升抗逆能力。这与孙凯文等(2019)和Dammann等(1997)的研究结果相似，其发现外源ABA能够激活JA通路上的基因表达进而提高内源性JA的表达水平。本研究发现喷施Me JA的甘蔗在12和24 h后Sc JMT基因的表达水平与对照没有明显差异，这可能与茉莉酸通路上的信号传导速度相关。大量研究表明，茉莉酸通路对外界环境刺激极为敏感，通常在1～2 h的刺激下就能够响应(Baldwin et al.,1997;Robert,John,1995)。因此未来可能需要通过进一步缩短检测时间从而进一步确定该基因对Me JA的相应情况。大量研究结果表明，植物的茉莉酸通路在应对各种生物胁迫中发挥着重要的作用。近年来发现茉莉酸甲酯在植物抗虫方面的作用显著。通过外源增施茉莉酸甲酯，显著提高了水稻(吴莹莹,2008)、棉花(马广民等,2018)和长白落叶松(姜礅等,2016)等植物抵抗褐飞虱(Nilaparvata lugens)、棉蚜(Aphis gossypii)、斜纹夜蛾(Spodoptera litura)和舞毒蛾(Lymantria dispar)的能力。因此，作为茉莉酸甲酯形成的关键基因，JMT可以将茉莉酸甲基化形成茉莉酸甲酯，从而改变茉莉酸的代谢水平，也可能通过直接影响茉莉酸途径中关键酶基因的表达来影响茉莉酸及相关代谢物的表达水平，从而提高植物对生物胁迫的抗性(Qi et al.,2016)。本研究发现，甘蔗被粘虫(M.separata)取食后Sc JMT基因呈现2倍的上调，因此推测甘蔗通过上调Sc JMT基因，激活茉莉酸通路相关代谢途径，从而提高自身抗虫能力。类似的研究结果也在水稻、棉花中有相关报道，二化螟(Chilo suppressalis)和褐飞虱(Nilaparvata lugens)取食均能显著诱导水稻Os JMT1的表达(韩秀,2012)，井维霞(2017)发现棉花在棉铃虫取食下Gh JMT的表达量极大提高。而通过过表达JMT基因的转基因植株，还表现出了降低昆虫取食的特性，例如过表达Sm JMT的丹参植株在棉铃虫取食下叶片损伤程度是野生型的1/2。因此本研究结果，为甘蔗抗虫基因的挖掘提供了一个方向。
本研究克隆了一个Sc JMT基因全长序列，通过数据库比对预测该基因翻译的蛋白结构域中包含了一个Methyltransf＿7超家族的Methyltransf＿7结构域，属于SABATH甲基转移酶家族。该基因家族酶通常以植物体内激素类物质或者信号分子为底物，形成甲酯类物质。黄铭坤等(2011)研究发现大部分甲酯类物质都与植物的气味合成相关，且对植物生长发育及抵御外界不利环境具有重要作用。进一步通过序列比对分析，显示JMT在不同植物中序列差异较大，甘蔗Sc JMT的序列与其他禾本科植物的序列相似性从最高的90.4%低至48.4%。而系统进化树结果显示，单子叶植物和双子叶植物的JMT蛋白亲缘关系较远，分别聚集在不同的大簇上。上述结果表明不同植物的JMT蛋白可能在功能上保守，而在序列上具有较大的差异。进一步对Sc JMT基因的组织表达检测发现，基因在甘蔗根茎叶中均有表达，仅茎部表达量最高，但是与根和叶片相比没有表现出明显的表达差异(图4)。而在模式植物拟南芥(A.thaliana)中，At JMT仅在成熟植株的莲座、茎生叶、花中有表达，而在根和茎中不表达(Seo et al.,2001)；同样，蕙兰(Cymbidium faberi)的Cf JMT在特异性在花中的表达量最高(Xu et al.,2019)。因此，开花植物的JMT基因可能与花器官的形态建成和气味合成有重要作用。由于目前生长上所用的栽培种甘蔗均是不开花品种，该结果提示甘蔗的Sc JMT基因与甘蔗气味合成没有直接关系，因此没有表现出特别的表达偏好。
本文编号：3521834
【文章来源】：农业生物技术学报. 2020,28(11)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
Sc JMT基因在甘蔗不同组织中的表达特异性分析
现有研究证明，JMT基因广泛参与了植物各类对非生物胁迫的防御反应。安汶铠等(2017)沉默棉花Gh JMT基因发现棉花对干旱胁迫的抵抗能力显著降低；而在PEG胁迫下，棉花叶片中Gh JMT的表达量在处理后的6～12 h显著上调(杨艺,张富春,2015);Choi等(2003)通过构建的过表达At JMT基因的转基因拟南芥，发现在高盐环境下种子的发芽率显著高于野生对照型，且转基因植株对冷害、旱害和病原菌等逆境的抵抗能力明显提高。本研究发现Sc JMT在PEG、Na Cl和ABA胁迫下均提高表达，且对PEG胁迫反应最迅速，处理6 h后表达量迅速上升，约为对照的45.53倍。上述结果表明甘蔗的Sc JMT基因可能在逆境胁迫下通过提高自身的表达量来激活JA的生物合成，从而提升抗逆能力。这与孙凯文等(2019)和Dammann等(1997)的研究结果相似，其发现外源ABA能够激活JA通路上的基因表达进而提高内源性JA的表达水平。本研究发现喷施Me JA的甘蔗在12和24 h后Sc JMT基因的表达水平与对照没有明显差异，这可能与茉莉酸通路上的信号传导速度相关。大量研究表明，茉莉酸通路对外界环境刺激极为敏感，通常在1～2 h的刺激下就能够响应(Baldwin et al.,1997;Robert,John,1995)。因此未来可能需要通过进一步缩短检测时间从而进一步确定该基因对Me JA的相应情况。大量研究结果表明，植物的茉莉酸通路在应对各种生物胁迫中发挥着重要的作用。近年来发现茉莉酸甲酯在植物抗虫方面的作用显著。通过外源增施茉莉酸甲酯，显著提高了水稻(吴莹莹,2008)、棉花(马广民等,2018)和长白落叶松(姜礅等,2016)等植物抵抗褐飞虱(Nilaparvata lugens)、棉蚜(Aphis gossypii)、斜纹夜蛾(Spodoptera litura)和舞毒蛾(Lymantria dispar)的能力。因此，作为茉莉酸甲酯形成的关键基因，JMT可以将茉莉酸甲基化形成茉莉酸甲酯，从而改变茉莉酸的代谢水平，也可能通过直接影响茉莉酸途径中关键酶基因的表达来影响茉莉酸及相关代谢物的表达水平，从而提高植物对生物胁迫的抗性(Qi et al.,2016)。本研究发现，甘蔗被粘虫(M.separata)取食后Sc JMT基因呈现2倍的上调，因此推测甘蔗通过上调Sc JMT基因，激活茉莉酸通路相关代谢途径，从而提高自身抗虫能力。类似的研究结果也在水稻、棉花中有相关报道，二化螟(Chilo suppressalis)和褐飞虱(Nilaparvata lugens)取食均能显著诱导水稻Os JMT1的表达(韩秀,2012)，井维霞(2017)发现棉花在棉铃虫取食下Gh JMT的表达量极大提高。而通过过表达JMT基因的转基因植株，还表现出了降低昆虫取食的特性，例如过表达Sm JMT的丹参植株在棉铃虫取食下叶片损伤程度是野生型的1/2。因此本研究结果，为甘蔗抗虫基因的挖掘提供了一个方向。
本研究克隆了一个Sc JMT基因全长序列，通过数据库比对预测该基因翻译的蛋白结构域中包含了一个Methyltransf＿7超家族的Methyltransf＿7结构域，属于SABATH甲基转移酶家族。该基因家族酶通常以植物体内激素类物质或者信号分子为底物，形成甲酯类物质。黄铭坤等(2011)研究发现大部分甲酯类物质都与植物的气味合成相关，且对植物生长发育及抵御外界不利环境具有重要作用。进一步通过序列比对分析，显示JMT在不同植物中序列差异较大，甘蔗Sc JMT的序列与其他禾本科植物的序列相似性从最高的90.4%低至48.4%。而系统进化树结果显示，单子叶植物和双子叶植物的JMT蛋白亲缘关系较远，分别聚集在不同的大簇上。上述结果表明不同植物的JMT蛋白可能在功能上保守，而在序列上具有较大的差异。进一步对Sc JMT基因的组织表达检测发现，基因在甘蔗根茎叶中均有表达，仅茎部表达量最高，但是与根和叶片相比没有表现出明显的表达差异(图4)。而在模式植物拟南芥(A.thaliana)中，At JMT仅在成熟植株的莲座、茎生叶、花中有表达，而在根和茎中不表达(Seo et al.,2001)；同样，蕙兰(Cymbidium faberi)的Cf JMT在特异性在花中的表达量最高(Xu et al.,2019)。因此，开花植物的JMT基因可能与花器官的形态建成和气味合成有重要作用。由于目前生长上所用的栽培种甘蔗均是不开花品种，该结果提示甘蔗的Sc JMT基因与甘蔗气味合成没有直接关系，因此没有表现出特别的表达偏好。
本文编号：3521834
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