山梨醇与植物的生长、发育和逆境响应密切相关,例如干旱、盐渍、低温胁迫
[1]和生物胁迫
[2-3],其在蔷薇科植物的叶片中生成,通过韧皮部运输至库器官,用于储存或进一步利用
[4]。尽管韧皮部中运输的山梨醇占比较高,但大多数蔷薇科植物的果实并不积累山梨醇
[5-6]。这是因为进入果实的大部分山梨醇在山梨醇脱氢酶(sorbitol dehydrogenase,SDH)和山梨醇氧化酶(Sorbitol oxidase,SOX)的催化作用下,被转化为果糖和葡萄糖
[7]。其中SDH除了是参与山梨醇代谢的关键酶
[8],也是一种多羟基多元醇,是碳水化合物从叶片运输到其他器官的主要形式
[7],其已被证明在果实的糖代谢、生长发育以及逆境响应中发挥着重要作用
[5]。
YAMADA等
[9]首次克隆了苹果果实中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-依赖性山梨醇脱氢酶(NAD
+-dependent sorbitol dehydrogenase,NAD-SDH)基因,并验证了该基因编码蛋白的活性。迄今为止,已有NAD-SDH基因被发现存在于苹果
[10]、梨
[11]、桃
[12]及枇杷
[13]中。WANG等
[14]发现,山梨醇脱氢酶基因
MdSDH2启动子变异后会影响转录因子MdABI3的调控功能,进而影响不同苹果果实中的果糖含量。研究发现,山梨醇脱氢酶基因
MdSDH1沉默后会抑制苹果的生长
[15];苹果中存在多个
SDH基因家族成员,其在叶片和果实的不同生长时期表达模式不同
[16]。
作为蔷薇科落叶果树
[17],苹果因具有重要的经济价值和营养价值在全球范围内广泛栽培
[18-20],但其生长和产量常受到干旱、盐胁迫和低温等非生物胁迫的严重影响
[21]。前人研究发现,
SDH基因可以提高苹果树对非生物胁迫的抗性
[10],进而参与调控苹果品质。因此,挖掘苹果抗逆基因对提高苹果的产量和品质至关重要。然而,目前关于苹果
SDH基因家族的研究相对较少,尤其是其在不同非生物胁迫下的表达模式尚未探明。为此,本试验对苹果
SDH基因家族成员进行鉴定,并对其理化性质、基因结构、保守基序、系统进化关系、顺式作用元件等进行分析,同时分析
SDH基因在不同非生物胁迫下的表达水平,以期筛选和明确各成员在提高抗逆性方面的潜在功能,为进一步深入研究
SDH基因功能奠定基础。
1 材料与方法
1.1 苹果SDH基因家族成员的鉴定
通过苹果基因组数据(
https://iris:angers.inra.fr/gddh13/)获得
SDH家族基因的蛋白质序列,之后利用EMBL-EBI网站(
https://www.ebi.ac.uk/Tools/hmmer/)进行第二次筛选,确定最终的
SDH序列中只含有PF08240、PF00107结构域。
1.2 苹果SDH基因家族成员的序列和结构特征分析
利用ProtParam网站(
https://web.expasy.org/protparam/)预测苹果SDH家族成员理化性质(氨基酸数、分子质量、等电点、不稳定系数和亲水指数)。在GenScript网站(
https://www.genscript.com/wolf-psort.html)进行亚细胞定位。使用Prabi网站(
https://npsa-prabi.ibcp.fr/)对苹果
SDH基因编码蛋白家族成员的二级结构(α-螺旋、延长链、β-转角、不规则卷曲)进行分析。从NCBI(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中获取苹果
SDH基因所在的染色体位置信息,并在NCBI中查找苹果
SDH基因所在染色体的大小,最后利用TBtools绘制染色体定位图。使用搜索程序MEME(
http://meme.nbcr.ne-t/meme/cgi-bin/meme.cgi)对苹果
SDH基因编码的蛋白保守结构域进行分析。在GSDS(
http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)在线软件中将基因全长序列输入,分析苹果
SDH基因的编码序列(CDS)、非编码区(5'UTR和3'UTR)及内含子。
1.3 苹果SDH基因的进化关系分析
为了研究苹果
SDH基因的进化关系,从TAIR(
https://www.arabidopsis.org)获得13个拟南芥SDH蛋白序列,在Ensembl Plants(
http://plants.ensembl.org/index.html)网站分别获得41个葡萄SDH蛋白序列和29个水稻的SDH蛋白序列,采用MEGA 7软件对以上蛋白质序列进行了多级比对,采用邻接法构建苹果与其他作物SDH蛋白序列系统进化树。
1.4 苹果SDH基因的顺式作用元件分析
从Phytozome网站(
https://phytozome-next.jgi.doe.gov/)下载苹果的基因组序列文件和基因结构注释信息文件,在TBtools上使用gff3工具提取苹果
SDH基因起始密码子上游 2 000 bp 的序列,之后将其提交至PlantCARE(
http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/)数据库,进行基因顺式作用元件(启动子)分析,并使用TBtools进行可视化分析。
1.5 苹果SDH基因的共线性分析
首先,从EnsemblPlants数据库(
http://plants.ensembl.org/info/website/ftp/index.html)下载水稻和拟南芥的
SDH基因组序列文件和基因结构注释文件;然后,利用TBtools软件,分别比较水稻与苹果、拟南芥与苹果、葡萄与苹果的
SDH基因,获得三者之间的共线性关系。
1.6 苹果SDH基因在不同组织中表达情况分析
从美国国立生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)GEO 数据库获取苹果
SDH基因在不同组织(幼苗、种子、茎、根、叶片、果实、花)中表达的数据
[22],通过Excel软件对所获得的数据进行进一步的整理,利用TBtools软件对
SDH在不同组织中的表达水平进行分析。
1.7 非生物胁迫下苹果SDH基因的实时荧光定量PCR(RT⁃qPCR)表达分析
1.7.1 植物材料及处理
供试材料为“嘎啦”苹果试管苗,保存于甘肃农业大学园艺学院组培室。前期以单芽茎段为材料进行接种,基本培养基为MS液体培养基+30 g/L蔗糖+1.0 mg/L 6-BA+0.05 mg/L IAA,pH 5.8~6.0。培养温度25 ℃/20 ℃(光照/黑暗),光周期16 h/8 h(光照/黑暗)。培养30 d后,挑选生长状况一致且无污染的苹果试管苗作为材料,分别进行干旱胁迫处理(加入50 mL含10% PEG4000 的MS液体培养基,PEG)、盐胁迫处理(加入50 mL 200 mmol/L NaCl的MS液体培养基,NaCl))、低温处理(加入50 mL MS液体培养基后于4 ℃处理,4 ℃),以正常生长的植株作为对照(CK)。每个处理设置3组生物学重复,处理时间均为24 h。
1.7.2 RNA提取及RT⁃qPCR分析
采用植物提取试剂盒RNA plantRTR2303(中科瑞泰生物技术有限公司,北京)提取干旱、盐胁迫、低温以及CK苹果试管苗RNA。采用PrimeScript RT reagent Kit(Perfect Real Time)试剂盒(TaKaRa)并参照说明书进行cDNA 合成。以
GAPDH基因作为内参基因,进行苹果
SDH基因RT-qPCR扩增反应,RT-qPCR引物见
表1,引物设计及后期引物合成均由上海生工生物工程技术服务有限公司完成。RT-qPCR反应总体积为20 μL,包括上下游引物各1 μL,cDNA 1.5 μL,ddH
2O 6.5 μL,TB Green-Ⅱ 10 μL。RT-qPCR反应程序为:95 ℃变性30 s;95 ℃变性10 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共40个循环。试验进行3次生物学重复。采用2
-ΔΔCt法
[22]计算苹果
SDH基因的相对表达量。
1.8 数据统计与分析
使用Excel整理试验数据,并用Origin 9.0绘图,采用SPSS 20 统计分析单因素ANOVA的Duncan’s比较不同处理差异的显著水平。
2 结果与分析
2.1 苹果SDH基因家族成员的鉴定与分析
利用生物信息学方法,从苹果中鉴定到30个山梨醇脱氢酶(
SDH)基因,并根据其在染色体上的位置命名为
MdSDH01~
MdSDH30,其编码蛋白的基本特性见
表2。
表2显示,苹果
SDH基因编码的蛋白质具有324~430个氨基酸,等电点为5.61~8.27,分子质量为34 647.76~46 931.21 ku。除
MdSDH25和
MdSDH26外(不稳定系数>40),其余
SDH基因编码的蛋白质均稳定。亚细胞定位分析表明,
MdSDH基因主要分布在细胞质、细胞核、质膜和叶绿体中。
2.2 苹果SDH基因家族成员的结构特征分析
图1显示,30个苹果
SDH基因分布在9条上染色体上。其中1号染色体(Chr01)上分布了10个
SDH基因,占总基因的33.33%;其次是10号染色体(Chr10),包括7个该家族成员;其余染色体上分布的
SDH基因均较少。
表3显示,苹果SDH蛋白的二级结构主要由α-螺旋、β-转角、不规则卷曲和延长链组成,其中不规则卷曲占比最高,为 33.14%~48.80%,其次是α-螺旋(19.77%~39.69%)、延长链(17.23%~27.25%)和β-转角(5.12%~11.07%)。
对苹果
SDH基因编码蛋白的保守结构域进行分析,结果(
图2)显示,家族成员中存在10个保守结构域,命名为Motif 1~Motif 10,这些保守结构域的组成模式呈现出较高的多样性。其中Motif 3存在于所有苹果
SDH成员中,表明其在家族进化过程中具有保守性;此外,Motif 1、Motif 2和Motif 4也存在于大多数
SDH家族成员中,表明其在家族中具有保守的功能。
图3显示,30个
SDH基因长度差异较大,其中
MdSDH28最长,为12 kb;而
MdSDH10最短,为1.5 kb。
SDH家族成员均含有内含子。
MdSDH10和
MdSDH19基因只具有5'UTR,
MdSDH11、
MdSDH02和
MdSDH17只具有3'UTR;除了
MdSDH01、
MdSDH04、
MdSDH05、
MdSDH06、
MdSDH08、
MdSDH09和
MdSDH16,其余18个
SDH基因均包含5'UTR和3'UTR。
2.3 苹果SDH基因的进化关系分析
为了揭示苹果(
Malus domestica,Md)
SDH基因的进化关系,构建了苹果与拟南芥(
Arabidopsis thaliana,At)、葡萄(
Vitis vinifera,Vv)和水稻(
Oryza sativa,Os)SDH蛋白的系统发育进化树,其中苹果、拟南芥、葡萄和水稻的SDH蛋白数量分别为30,13,41和29个,结果(
图4)显示,113个SDH蛋白分为7个组(A~G)。苹果SDH蛋白分布在A、C、D、E和F 5个组中,其中F组中包含的苹果SDH蛋白数量最多(14个);A和D组次之,均包含6个苹果SDH蛋白。C组中包含3个苹果SDH蛋白;而E组中仅包含1个苹果SDH蛋白;在B和G组中均未发现苹果SDH蛋白。
2.4 苹果SDH基因家族顺式作用元件分析
为了分析苹果
SDH基因家族成员启动子区域中顺式作用元件的种类和数量,对起始密码子上游 2 000 bp 的序列进行分析,结果见
图5。
图5显示,30个苹果
SDH成员所含的顺式作用元件种类主要包含3种,分别为逆境胁迫(低温、干旱、光胁迫)元件和激素(赤霉素、生长素、水杨酸、脱落酸)元件以及防御与应激元件。表明苹果
SDH 基因家族成员可响应非生物胁迫而参与果树生长发育的调控。
2.5 苹果SDH基因共线性分析
2.5.1 种间共线性分析
图
6~8显示,苹果与拟南芥、葡萄关联性均较高,分别存在9对和8对同源基因对;而苹果与水稻之间的关联性不高,仅存在2对同源基因对,表明苹果与拟南芥、葡萄的
SDH基因家族进化关系更紧密,而与水稻较远。
2.5.2 种内共线性分析
图9显示,
MdSDH02、
MSDH05、
MdSDH09、
MdSDH14、
MdSDH15、
MdSDH17
、MdSDH18和
MdSDH27之间存在共线性关系,并且有4对串联重复基因对,其他成员之间没有共线性关系。表明苹果
SDH基因家族中有基因重复的现象,可以推测,在演化的过程中,
SDH基因可能会通过复制来对其家族成员进行扩增。
2.6 基于GEO的苹果SDH组织特异表达分析
在GEO中对30个
SDH基因组织特异性表达情况进行检索,结果表明,只有
MdSDH05、
MdSDH07、
MdSDH10、
MdSDH14、
MdSDH21、
MdSDH26和
MdSDH28在不同组织中表达水平差异显著,其余23个
SDH基因未表达。其中
MdSDH21在花、果实和根中的表达水平较高;
MdSDH07、
MdSDH10、
MdSDH14和
MdSDH26在果实中表达水平较高;
MdSDH26在种子中的表达水平较低;
MdSDH05、
MdSDH28在叶中表达水平较高(
图10)。
2.7 逆境下苹果SDH基因的RT-qPCR表达分析
图11表明,不同苹果
SDH对不同非生物胁迫的响应有明显差异,干旱胁迫处理后,30个
MdSDH基因表达均上调,其中
MdSDH05、
MdSDH10和
MdSDH15的相对表达量增幅均较高,分别是对照(CK)的20,40和100倍,这些成员可能在苹果对干旱胁迫的响应中发挥着重要作用。
盐胁迫处理后,20个苹果
SDH基因表达量出现上调,其中
MdSDH04、
MdSDH05、
MdSDH07和
MdSDH23的相对表达量增幅均较高,分别是对照的160,60,70和140倍;其余
SDH基因相对表达量明显下调。表明苹果
SDH家族基因各成员对盐胁迫的响应存在差异(
图11)。
经过低温胁迫处理后,与CK相比,
MdSDH01、
MdSDH12、
MdSDH15、
MdSDH18和
MdSDH30的相对表达量明显上调,其中
MdSDH30表达水平的增幅明显高于其他基因,是一个极显著响应低温胁迫的基因(
图11)。
30个
SDH基因中,
MdSDH01、
MdSDH12和
MdSDH20表达水平在干旱、盐和低温胁迫均表现出明显上调,表明这些基因可能在苹果对多种逆境胁迫的耐受中发挥着重要作用(
图11)。
3 讨 论
山梨醇作为一种渗透调节物质参与植物对各种生物胁迫和非生物胁迫的抵御
[23]。本研究在苹果全基因组范围中鉴定获得了30个
SDH成员,其分布在9条染色体上;系统进化分析结果显示,苹果SDH蛋白分布在5个组中。梁东等
[16]在‘嘎啦’苹果中,通过全基因组鉴定获得了12个
SDH家族成员,并将12个成员分成了A和B 2个亚组,
SDH数量远远低于本研究,这可能与基因组数据的更新、基因复制事件等有关。
本研究对苹果
SDH基因起始密码子上游2 000 bp序列中的顺式作用元件进行了预测,发现30个苹果
SDH基因所含的顺式作用元件主要响应逆境胁迫、激素、防御与应激反应。研究表明,植物SDH是山梨糖醇代谢的关键酶
[1],其通过调节多元醇水平
[24],从而影响植物对逆境如干旱、火疫病、低温和盐胁迫的抗性
[25]。本研究发现,与CK相比,
MdSDH30表达水平受低温胁迫后极显著上调,而顺式作用元件分析结果也进一步证实其含有低温响应元件;
MdSDH05
、MdSDH10和
MdSDH15表达水平受干旱胁迫后极显著上调,这与顺式作用元件的分析结果一致,即其序列中含有响应干旱胁迫的元件。
在干旱、低温胁迫下木薯
SDH基因在叶片中上调表达,并且经脱落酸(ABA)处理后其在叶片和根系中显著上调表达
[26],这表明
SDH基因可以响应多种胁迫并上调表达。前人以拟南芥过表达
SDH株系为材料进行研究发现,
SDH的表达受ABA、盐和渗透胁迫的调控,
SDH通过调控拟南芥中ABA合成和信号传导的基因表达,参与植物对盐和渗透胁迫的耐受性以及对ABA的应答
[27]。
本研究发现,30个苹果SDH基因在响应逆境胁迫时的表现各有差异。低温处理后,MdSDH30的表达量明显高于其他基因;干旱胁迫处理后,30个苹果SDH基因均上调表达;盐胁迫处理后,部分SDH基因表达量明显下调,而MdSDH04、MdSDH05、MdSDH07、MdSDH23的表达量增幅均较高。这表明苹果SDH基因家族在响应低温、干旱以及盐胁迫时发挥着重要作用。
甘肃农业大学“大学生科研训练计划(SRTP)”项目(202112010)
甘肃省高校青年博士基金项目(2025QB-045)
甘肃省重大科技专项(22ZD6NA045)
国家自然科学基金项目(32460745)