林业科学  2018, Vol. 54 Issue (3): 48-60   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20180306
0

文章信息

张鹤华, 刘嘉欣, 罗朝兵, 张凌云
Zhang Hehua, Liu Jiaxin, Luo Chaobing, Zhang Lingyun
青杄转录因子PwERF8及其启动子序列的克隆与分析
Cloning and Analysis of a Transcription Factor PwERF8 and the Promoter Sequences in Picea wilsonii
林业科学, 2018, 54(3): 48-60.
Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(3): 48-60.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20180306

文章历史

收稿日期:2017-07-27
修回日期:2017-08-29

作者相关文章

张鹤华
刘嘉欣
罗朝兵
张凌云

青杄转录因子PwERF8及其启动子序列的克隆与分析
张鹤华, 刘嘉欣, 罗朝兵, 张凌云     
北京林业大学 森林培育与保护教育部重点实验室 北京 100083
摘要:【目的】AP2/ERF是植物的转录因子家族之一,广泛参与生物胁迫和非生物胁迫过程。从青杄中克隆ERF类转录因子PwERF8及其启动子序列,研究PwERF8基因的表达特性、启动子序列功能,并进一步分析其对非生物胁迫的响应模式,为深入了解青杄的耐逆调控机制提供理论基础。【方法】通过RACE-PCR技术获得青杄PwERF8编码区全长序列。通过染色体步移技术克隆PwERF8启动子序列。通过PlantCARE在线软件和BDGP在线软件预测启动子序列上的顺式作用元件、基础启动子和转录起始位点,构建pBI121-PwERF8 promoter∷GUS启动子表达载体,采用农杆菌注射法瞬时转化烟草叶片来验证启动子的功能。构建PGBKT7-PwERF8载体,转化AH109酵母菌株验证其转录激活活性。构建35S∷PwERF8-GFP融合表达载体,通过PEG介导瞬时转化拟南芥原生质体进行基因表达的亚细胞定位分析,应用RT-qPCR技术分析该基因的组织特异性和在非生物胁迫下的时空表达特征。【结果】PwERF8基因的编码区全长序列共1 191 bp,开放阅读框共765 bp,开放阅读框翻译成255个氨基酸。在肽链的N端具有1个保守的由58个氨基酸组成的AP2结构域,在C端含有1个EAR转录抑制基序(DLNLPP)。组织特异性表达分析表明,PwERF8在茎、根、针叶、花粉、种子中均有表达,但在花粉中,PwERF8的表达量最高,其次为种子,在茎中的表达量最少。酵母单杂交试验表明,PwERF8蛋白不具有转录激活活性。亚细胞定位分析发现PwERF8蛋白主要定位于细胞核。将启动子序列进行在线分析显示PwERF8含有GA、ABA、JA和SA等激素的顺式作用元件。进一步在烟草中瞬时过表达PwERF8启动子并用GUS染色显示,PwERF8启动子能响应GA、ABA、MeJA和SA等外源激素的处理。GA、ABA、MeJA和SA分别处理青杄幼苗3、6、12 h后,PwERF8的表达量均显著高于对照,干旱、4℃和42℃处理均能诱导PwERF8表达,但盐胁迫不能诱导其表达。【结论】青杄转录因子PwERF8参与了GA、ABA、JA和SA激素的信号通路,广泛响应干旱、温度逆境等非生物胁迫,且可能作为一个转录抑制子在细胞核中发挥功能。
关键词:青杄    ERF转录因子    激素    非生物逆境胁迫    启动子    基因表达    
Cloning and Analysis of a Transcription Factor PwERF8 and the Promoter Sequences in Picea wilsonii
Zhang Hehua, Liu Jiaxin, Luo Chaobing, Zhang Lingyun    
Key Laboratory of Forestry Silviculture and Conservation of Ministry of Education Beijing Forestry University Beijing 100083
Abstract: 【Objective】AP2/ERF (APETALA2/ethylene-responsive factor) is one of the largest transcription factors in plants and widely involved in biotic stresses and abiotic stresses. The aims were to study the expression characteristics and promoter sequence function of PwERF8 in Picea wilsonii and clarify the expression pattern in response to abiotic stress. The study would provide a basis for further understanding the regulation mechanism of stress resistance.【Method】The full coding sequence of PwERF8 was cloned from P. wilsonii by RACE-PCR technique. The promoter sequence of PwERF8 was cloned by genome walking. The cis-acting elements, BCP region and transcriptional start site were predicted by PlantCARE and BDGP online software. To characterize the function of promotor, the pBI121-PwERF8 promoter∷GUS was transferred into tobacco leaves by agrobacterium-mediated method. The PGBKT7-PwERF8 was transformed into AH109 yeast strain to verify its transcriptional activation activity. To investigate the subcellular location of PwERF8, the construct encoding 35S∷PwERF8-GFP fusion protein was transferred into Arabidopsis thaliana protoplast by PEG-mediated method. RT-qPCR was performed to analyze the tissue expression specificity and the dynamic expression of PwERF8 under abiotic stress.【Result】The full-length coding of PwERF8 was 1 190 bp containing a 765 bp open reading frame flanked and encoded 255 amino acids. It contains one AP2 domain consisting of 58 amino acids in the N-terminal and one EAR motif (DLNLPP) in the C-terminal. The tissue-specific expression analysis showed that PwERF8 were all expressed in stem, root, needle, pollen and seed, however, the expression level in pollen was the highest, followed by seed. Single cross of yeast showed no transcriptional activation activity of PwERF8 protein. The subcellular localization analysis showed that PwERF8 was mainly localized in the nucleus. The online analysis showed that the promoter sequence of PwERF8 contained cis-acting elements such as GA, ABA, JA and SA. Furthermore, GUS color reaction experiment showed that PwERF8 promoter sequences with cis elements could respond to GA, ABA, JA and SA hormones. The expression of PwERF8 under GA, ABA, MeJA and SA hormone treatments after 3 h, 6 h and 12 h were significantly higher than those in the control. The expression of PwERF8 under stress treatments showed that the expression of PwERF8 was induced by drought, 4℃ and 42℃, respectively, but not by the salt stress.【Conclusion】Picea wilsonii transcription factor PwERF8 is involved in the signaling pathways of GA, ABA, JA and SA hormones and extensively responds to abiotic stresses such as drought, temperature stress. It probably plays a major role in the nucleus as a transcriptional repressor.
Key words: Picea wilsonii    ERF transcription factor    hormone    abiotic stress    promotor    gene expression    

植物在自然界的进化过程中,为适应外界环境和具备抵御能力,自身形成了复杂的基因调控机制。植物中的转录因子在调控下游目的基因表达以及抵御病原菌和逆境胁迫、响应激素处理等信号途径中发挥着重要的作用(Liu et al., 1999)。根据DNA序列上的保守结合域,可将植物中转录因子分为不同的家族,已报道与植物逆境胁迫有关的转录因子主要有NAC家族、AP2/ERF家族、bZIP家族、MYB家族以及WRKY家族(Singh et al., 2002)。

AP2/ERF(APETALA2/ethylene-responsive factor)是植物转录因子家族之一,家族成员均含有由60~70个氨基酸组成的保守AP2结构域(Licausi et al., 2013; 谢腾等, 2014)。根据结构域数量和识别序列不同,AP2/ERF家族被分为5个亚家族:AP2(APETALA2),ERF(ethylene-responsive factor),DREB(dehydration-responsive element binding proteins),RAV(related to ABI3/VP1)和Soloist(Nakano et al., 2006)。目前,已经对多种植物的AP2/ERF转录因子的功能进行了广泛研究。已有报道中多数ERF转录因子被高盐、冷害、干旱、低温、病害、机械损伤等逆境或内源激素所诱导,参与调控不同的信号途径(张文慧, 2016)。例如,大豆(Glycine max)GmERF3基因与乙烯、茉莉酸和水杨酸的信号通路有关,参与植物的生物与非生物胁迫(Zhang et al., 2009);在大豆中过表达GmERF057GmERF089基因可提高植株对盐和干旱胁迫的抵御能力(Zhang et al., 2008)。小黑杨(Populus simonii × P. nigra)在高盐胁迫的条件下,ERF76 转录因子基因在叶片、茎和根中均有响应(Yao et al., 2016);过表达ERF76 基因的烟草(Nicotiana tabacum)和小黑杨在盐处理的条件下,植株的株高、根长和鲜质量均高于非转基因植株(Yao et al., 2017)。在拟南芥植株中过表达花生(Arachis hypogaea) AhERF019基因,可提高植株对高温胁迫的抵抗能力(Wan et al., 2014)。

ERF转录因子直接或间接与其他蛋白互作调控下游基因来参与逆境胁迫途径(邱志刚等, 2011),ERF转录因子通过AP2结合域与植物病程相关基因或非生物胁迫应答基因的GCC-box启动子顺式作用元件结合,来调控植物应对外界胁迫(Hao et al., 1998)。ERF转录因子也通过结合DRE/CRT(G/ACCGAC)元件,特异地调节一系列参与非生物胁迫相关的基因(Cheng et al., 2013)。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,ERF与干旱胁迫响应基因RD29A和冷胁迫响应基因COR15A的启动子序列上的DRE/CRT元件特异结合,响应干旱和冷胁迫(Fujimoto et al., 2000);拟南芥AtERF1通过结合DRE/CRT元件可提高一些逆境相关基因的表达量(Cheng et al., 2013)。此外,水稻(Oryza sativa)TSRF1和小麦(Triticum aestivum)TaERF3分别在转基因水稻和小麦植株中,激活含有DRE/CRT元件的基因,提高了植株在干旱胁迫中的耐受能力(Quan et al., 2010Rong et al., 2014)。除此之外,ERF蛋白也与其他蛋白相互作用,参与基因表达的调控(Xu et al., 2011)。例如,AP2/ERF转录因子基因NtORC1NtbHLH互作共同调控启动子序列上含有G-box元件的下游基因的表达(De et al., 2011);在茉莉酸甲酯介导的冷胁迫中,小果野蕉(Musa acuminata AAA Group, cv. Cavendish)转录抑制因子MaERF10蛋白与MaJAZ3蛋白互作,抑制茉莉酸生物合成相关基因的表达(Qi et al., 2016)。

青杄(Picea wilsonii)为松科(Pinaceae)云杉属(Picea)植物,为我国特有针叶树种,对恶劣环境具有较强的适应能力,具有丰富的抗逆基因资源。本文通过RACE-PCR的方法,从青杄文库中克隆出PwERF8基因的编码区全长序列。通过染色体步移技术克隆其启动子序列,并瞬时转化烟草验证启动子的功能。通过RT-qPCR技术分析PwERF8在青杄各组织中以及激素和逆境处理下的表达模式,进一步通过酵母单杂交试验分析其转录激活活性,瞬时转化拟南芥原生质体进行亚细胞定位。该研究旨在为深入研究青杄ERF家族的功能提供基础,为抗逆转基因植物新品种的培育提供潜在的候选基因。

1 材料与方法 1.1 试验材料

青杄种子和3年生青杄幼苗购于吉林省敦化市林业局。青杄种子萌发后,移入土中(营养土与蛭石的体积比为1:1),培养温度为22 ℃,光照强度为120 μmol·m-2s-1,光照16 h,黑暗8 h;选取生长一致的8周龄青杄幼苗。青杄花粉采集于中国科学院植物研究所。

1.2 PwERF8基因的编码区全长序列的获得

以本实验室保存的多年生青杄均一化cDNA文库(由Invitrogen公司构建于pDONR222载体上)为模板。根据笔者实验室测定的青杄的EST序列,获得PwERF8的EST序列,在5′端设计反向引物PwERF8 -EST-R(表 1),在3′端设计正向引物PwERF8 -EST-F(表 1),分别与pDONR222载体上的上游引物5-F(表 1)以及下游引物3-R(表 1)进行PCR扩增(5′-RACE试验与3′-RACE试验),从而获得PwERF8的编码区全长序列。并用pEASY-T-PwERF8 -F和pEASY-T-PwERF8 -R引物(表 1)克隆PwERF8基因的开放阅读框序列,与pEASY-T载体(全式金)进行连接。利用DNAMAN软件分析PwERF8开放阅读框区域,并得到其氨基酸序列。

表 1 基因克隆和RT-qPCR引物序列 Tab.1 The primers used in gene cloning and RT-qPCR
1.3 PwERF8 启动子序列的克隆

采用天根基因组DNA提取试剂盒提取8周龄青杄幼苗的基因组DNA。在PwERF8编码区序列的5′端设计3个向外的特异性巢式PCR引物SP1-1,SP2-1,SP3-1(表 1),用TakaRa公司的染色体步移试剂盒,以基因组DNA为模板,克隆PwERF8基因的启动子序列,经过3轮巢式PCR,进行3次染色体步移,直至获得PwERF8的ORF的起始密码子ATG上游的2 004 bp的碱基序列。测序及所用引物(表 1)合成委托中美泰和生物技术(北京)有限公司完成。根据所获得的序列,设计特异性引物PwERF8 p-F和PwERF8 p-R(表 1),以青杄基因组DNA为模板,进行PCR扩增,转化大肠杆菌(Escherichia coli)并测序,从而进一步验证克隆得到的启动子序列的正确性。将获得的启动子序列使用数据库PlantCARE预测其可能存在的顺式作用元件,用在线生物信息学软件BDGP: Neural Network Promoter Prediction预测PwERF8基因启动子的基础启动子和转录起始位点。

1.4 启动子表达载体的构建与在烟草叶片中的瞬时表达

用引物pBI121-PwERF8 p-F-HidⅢ和pBI121-PwERF8 p-R-BamHⅠ(表 1)克隆到的启动子序列片段与酶切后的pBI121载体(切除pBI121自身的CaMV35S启动子序列)连接,构建重组载体pBI121-PwERF8 promoter∷GUS。利用冻融法将重组载体pBI121-PwERF8 promoter∷GUS和空pBI121质粒分别转入GV3101农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)菌株中。菌落PCR鉴定阳性菌落,并挑取正确的阳性农杆菌菌落放入2 mL的YEB培养基(50 μg·mL-1卡那霉素+50 μg·mL-1利福平)中,在28 ℃ 200 r·min-1的摇床中过夜摇后,转入50 mL的离心管中摇至OD值为1.0~1.2,5 000 r·min-1离心10 min收集农杆菌,用烟草注射缓冲液(10 mmol·L-1MES(吗啉乙磺酸),10 mmol·L-1 MgCl2,100 mmol·L-1乙酰丁香酮,KOH调至pH 5.6)重悬菌体,调节浓度至OD600=0.8。

以注射空pBI121载体的农杆菌的烟草为阳性对照,以只注射缓冲液的烟草叶片为阴性对照,暗培养24 h后置于培养箱中继续培养2天。对注射过pBI121-PwERF8 promoter∷GUS农杆菌的植株分别喷施清水、6-苄氨基腺嘌呤(300 mg·L-1)(李有梅, 2015)、赤霉素(GA,400 μmol·L-1)、脱落酸(ABA,100 μmol·L-1)、茉莉酸甲酯(MeJA,100 μmol·L-1)、吲哚乙酸(IAA,100 μmol·L-1)和水杨酸(SA,500 μmol·L-1)(吕东梅, 2015),阳性对照和阴性对照的烟草也喷施清水。培养1天后在烟草叶片注射区内避开注射按压处剪取叶片放在5 mL离心管中,用GUS组织化学染色液(75.5 mmol·L-1 Na3PO4,pH7.0,0.05 mmol·L-1 K3FeCN,0.05 mmol·L-1 K4FeCN,0.1% Triton X-100,10 mmol·L-1 EDTA,20%甲醇,50 μg·mL-1 x-gluc)在37 ℃培养箱中过夜染色,用70%的酒精脱色多次,直到对照材料显无色为止,在体式显微镜(Leica M205FA)下观察GUS的表达情况并拍照。

1.5 PwERF8的转录激活功能分析

利用特异性引物pGBKT7-PwERF8 -F-EcoRⅠ和pGBKT7-PwERF8 -R-BamHⅠ(表 1)扩增PwERF8的开放阅读框序列,构建重组质粒pGBKT7-PwERF8,转入AH109酵母菌株,以pGBKT7空载体为阴性对照,以pGBKT7-ANAC092为阳性对照。将酵母菌液涂于SD/-Trp单缺平板上,3天后挑取相应的酵母菌落,用无菌水稀释100倍,取5 μL滴在SD/-Trp/-His/-Ade+X-α-gal(X-α-gal的浓度为4 mg·mL-1)的三缺酵母培养平板上,培养3天后观察并拍照记录。

1.6 PwERF8蛋白的亚细胞定位分析

通过引物PwERF8 -GFP-F-BamHⅠ和PwERF8 -GFP-R-SmaⅠ(表 1)扩增获得PwERF8的开放阅读框区域,构建35S∷PwERF8 -GFP融合表达载体。参照Yoo等(2007)的方法制备野生型拟南芥原生质体,在PEG4000(sigma)的介导下将35S-PwERF8 -GFP质粒转入拟南芥原生质体,23 ℃培养过夜。采用激光共聚焦显微镜(Leica TCS SP5)观察绿色荧光蛋白在细胞中的定位。

1.7 PwERF8的组织特异性表达

采用Aidlab公司的RNA提取试剂盒提取3年生青杄的根、茎、针叶、花粉、种子的RNA,用天根反转录试剂盒合成cDNA第1条链。以反转录产物为模板,PwEF-为内参基因,采用天根生化有限公司SYBR Prime Scrip TM RT-PCR试剂盒,进行RT-qPCR试验(仪器型号为ABI Step One plus),具体试验步骤按照试剂盒说明书进行,检测PwERF8基因在不同组织中的相对表达量,试验进行3次技术性重复和3次生物学重复。

1.8 PwERF8在激素和逆境处理下的表达分析

激素处理:将生长一致的8周龄青杄幼苗的根分别浸入到6-苄氨基腺嘌呤(300 mg·L-1)(李有梅,2015)、赤霉素(GA,400 μmol·L-1)、脱落酸(ABA,100 μmol·L-1)、茉莉酸甲酯(MeJA,100 μmol·L-1)、吲哚乙酸(IAA,100 μmol·L-1)、水杨酸(SA,500 μmol·L-1)和乙烯利(ETH,500 mg·L-1)(吕东梅,2015)溶液中,在处理0,3,6,12 h时分别取幼苗整株样品,每个处理重复3次,液氮速冻后-80 ℃保存。

逆境处理:盐处理是将生长一致的8周龄青杄幼苗根浸入100 mmol·L-1 NaCl溶液0,3,6,12 h;干旱胁迫试验是将8周龄的青杄幼苗置于吸水纸上放置0,3,6,12 h;低温处理和热激处理是将植株放入4 ℃的冰箱中和42 ℃的恒温培养箱中生长0,3,6,12 h。整株取样后液氮速冻,于-80 ℃保存备用。每个处理均重复3次,RT-qPCR方法同1.7。

1.9 试验数据统计分析

用SPSS 18.0统计分析软件对数据进行分析。采用SigmaPlot 10.0软件进行制图。

2 结果与分析 2.1 PwERF8基因的克隆与功能结构域分析

通过RACE-PCR方法获得PwERF8基因的N端和C端序列,与EST序列拼接后获得完整的编码区全长序列。PwERF8基因编码区全长序列共1 191 bp,开放阅读框共765 bp,编码255个氨基酸。在214 bp处为起始密码子ATG,976 bp处为终止密码子TGA,1 173 bp处为Poly(A)尾巴(图 1)。通过NCBI网站上的BLASTp对PwERF8蛋白进行功能结构域的分析结果表明,PwERF8蛋白属于ERF亚族,它具有1个保守的由58个氨基酸组成的AP2结构域,该保守DNA结合域位于肽段N端的27-85氨基酸处,在C端231-236氨基酸处含有1个EAR转录抑制基序(DLNLPP)。

图 1 PwERF8的编码区全长核苷酸序列及推导的氨基酸序列 Figure 1 The full coding nucleotide sequence and deduced amino acid sequence of PwERF8 方框内为AP2/ERF结构,下划线表示EAR基序。 The amino acid sequence in box is AP2 domain, and EAR motif is underlined.
2.2 PwERF8基因的启动子序列的克隆与顺式作用元件的预测

利用染色体步移的方法克隆了2 004 bp的PwERF8启动子序列,序列如图 2所示。利用在线顺式元件数据库PlantCARE软件对获得的启动子序列进行在线分析,发现启动子序列存在保守核心元件TATA-box和增强元件CAAT-box,符合真核生物基因启动子的基本结构特征。而启动子序列中还包含了许多与激素和环境胁迫响应相关的元件(表 2)。激素响应元件包括ABA响应元件motif Ⅱb、茉莉酸响应元件CGTCA-motif和TGACG-motif、水杨酸顺式作用元件TCA-element、赤霉素响应元件GARE motif和TATC-box。光调控元件包括BOX 4,BOXⅠ,Ⅰ-BOX,Sp1,TGG-motif,rbcS-CMA7a,GT1-motif和TCT-motif。环境胁迫诱导元件包括厌氧诱导作用元件ARE、抗病和胁迫响应元件TC-rich repeats、低温响应顺式作用元件LTR和热应激反应顺式作用元件HSE。同时在PwERF8 基因启动子序列中发现了MBSI与MYB结合参与黄酮类化合物生物合成的基因调控,O2-site参与玉米醇溶蛋白代谢调控,说明PwERF8 基因在植物体内参与了次生代谢。同时还发现了Skn-1胚乳表达元件,以及昼夜节律元件circadian,说明PwERF8 基因在植物体内的表达也可能具有器官特异性。

图 2 PwERF8基因的2 004 bp启动子序列 Figure 2 The 2 004 bp promoter sequence of PwERF8 下划线为预测的基础启动子区域,黑色加粗字母为预测的转录起始位点。 Basal promoter region are double underlined, and black bold text means transcription start sites.
表 2 PwERF8启动子序列中的顺式作用元件 Tab.2 The cis-acting elements in PwERF8 promoter sequences
2.3 PwERF8基因启动子的转录起始位点预测

用在线生物信息学软件BDGP: Neural Network Promoter Prediction对获得的PwERF8基因启动子的基础启动子和转录起始位点进行预测(图 3),结果发现在-1 384 ~-1 335 bp,-1 066~-1 017 bp,-942~-893 bp,-441~-392 bp和-337~-288 bp处存在5个基础启动子序列,其可能性分别为0.81,0.99,0.97,0.93和0.91。

图 3 不同激素处理下PwERF8的启动子在烟草叶圆片中的GUS染色 Figure 3 GUS staining of PwERF8 promoter in the tobacco disc under different hormone treatments A.注射了含有CaMV35S∷GUS的PBI121空载体农杆菌(阳性对照,清水);B.只注射了缓冲液(阴性对照,清水);C-I: 注射了PwERF8 promoter∷GUS农杆菌,分别用清水(C)、6-BA(D)、GA(E)、ABA(F)、MeJA(G)、IAA(H)和SA(I)溶液进行处理。 A. The tobacco leaves injected with the Agrobacterium tumefaciens of empty plasmid PBI121 containing CaMV35S∷GUS (positive control group, treatment with water); B. The tobacco leaves injected with the buffer(negative control, treatment with water); C-I: The tobacco leaves injected with the Agrobacterium tumefaciens of PwERF8 promoter∷GUS, treatment with water(C), 6-BA(D), GA(E), ABA(F), MeJA(G), IAA(H) and SA(I), respectively.
2.4 PwERF8启动子序列的功能验证

采用农杆菌注射法瞬时转化烟草叶片,以由CaMV35S启动子驱动GUS基因表达的PBI121空载体为阳性对照(图 3A),以只注射缓冲液的烟草为阴性对照(图 3B)。通过GUS组织化学染色,结果表明,GUS基因在瞬时转化了PwERF8 promoter∷GUS的烟草叶片中表达,但是其表达强度低于阳性对照,只注射缓冲液的烟草叶片没有GUS基因的表达。

为了研究PwERF8启动子对不同激素的响应机制,将注射了PwERF8 promoter∷GUS农杆菌的烟草用清水、6-BA、GA、ABA、MeJA、IAA和SA溶液处理后,观察烟草圆片染色情况。如图 3所示,不同激素处理下GUS均有表达。其中,GA(图 3E)、ABA(图 3F)、MeJA(图 3G)、SA(图 3I)处理后的瞬时转化的烟草叶片染色比清水(图 3C)处理的烟草叶片染色深。这与预测启动子里包含GA、ABA、JA和SA顺式作用元件相符合。

2.5 PwERF8转录激活活性的验证

图 4所示,含有pGBKT7,pGBKT7-ANAC092和pGBKT7-PwERF8质粒的酵母菌均能在SD/-Trp单缺陷培养基上生长,说明各载体均已转入AH109酵母菌株中。同时选择pGBKT7作为阴性对照,以pGBKT7-ANAC092为阳性对照,在SD/-Trp-His-Ade+X-α-gal的三缺酵母培养基上,阴性对照质粒pGBKT7和重组质粒pGBKT7-PwERF8不能生长,而阳性对照质粒pGBKT7-AtNAC092则能够正常生长且变蓝。结果表明,pGBKT7-PwERF8不能激活下游报告基因his3Laz的表达,显示PwERF8蛋白在酵母中不具有转录激活功能。

图 4 PwERF8蛋白转录激活功能的验证 Figure 4 Verification of transcriptional activation function for PwERF8 protein
2.6 PwERF8的亚细胞定位分析

图 5所示,空载体GFP信号分布于整个拟南芥原生质体细胞中(图 5ABC),而PwERF8与GFP的重组蛋白主要在拟南芥原生质体的细胞核中表达,细胞质中有微量的分布(图 5DEF),表明PwERF8是一个主要定位在细胞核中的蛋白。

图 5 PwERF8在拟南芥原生质体中的亚细胞定位 Figure 5 Subcellular localization of PwERF8 in Arabidopsis thaliana protoplast A-C:空载体GFP在野生型拟南芥原生体中瞬时表达(A:空载体GFP荧光;B:明场下的拟南芥原生质体;C:A与B的融合图像);D-F:35S∷PwERF8 -GFP在野生型拟南芥原生体中瞬时表达(D:35S∷PwERF8 -GFP荧光;E:明场下的拟南芥原生质体;F:D与E的融合图像)。 A-C: The GFP fluorescence of empty plasmid in wild-type Arabidopsis thaliana protoplast (A: The GFP fluorescence of empty plasmid; B: Arabidopsis thaliana protoplast cell under bright field; C: The merged picture of A and B); D-F: The GFP fluorescence of 35S∷PwERF8 -GFP in wild-type Arabidopsis thaliana protoplast (D: The GFP fluorescence of 35S∷PwERF8 -GFP; E: Arabidopsis thaliana protoplast cell under bright field; F: The merged picture of D and E).
2.7 PwERF8组织特异性表达及在激素和逆境条件下的表达分析

通过RT-qPCR检测PwERF8在青杄不同组织中的表达量。结果显示,PwERF8在茎、根、针叶、花粉、种子中均有表达,但在花粉中的表达量最高,其次为种子,在茎中的表达量最少(图 6L)。

图 6 PwERF8在激素(A-G)、逆境(H-K)条件下和不同组织(L)中的表达量 Figure 6 The gene expression of PwERF8 under hormone(A-G), stress(H-K) conditions and in different tissues(L) 利用单因素方差分析进行差异显著性分析,多重比较方法为Duncan(α=0.05)法,不同字母表示差异显著(P<0.05)。 Single factor analysis of variance is used to analyze the difference, Duncan (α=0.05) test is used as the multiple comparison method, and different letters indicate significant difference (P < 0.05).

在不同激素和逆境处理下PwERF8的表达量如图 6所示,6-BA和IAA处理后,PwERF8的表达量几乎不发生改变,GA、ABA、MeJA、SA激素处理3、6、12 h时,PwERF8的表达量分别显著高于0 h。GA处理12 h时,PwERF8的表达量是0 h的8.17倍。ABA和SA处理后,PwERF8的表达量迅速上升,在3 h时的表达量最高,分别是0 h的4.85倍和4.84倍,随后基因的表达量下降,但始终高于0 h。MeJA处理后,PwERF8的表达量上升,在6 h时达到峰值,为0 h的8.78倍,随后表达量稍微下降。ETH(乙烯利)处理3 h和6 h后,PwERF8的表达量与0 h差异不显著。PwERF8对盐胁迫没有响应,但在干旱处理6 h时,基因的表达量显著上升,在12 h时,表达量达到最大,为0 h的2.29倍。青杄幼苗经过4 ℃和42 ℃处理3、6、12 h时,PwERF8的表达量均显著高于0 h。4 ℃条件下,PwERF8的表达量在12 h达到最高,为0 h的10.93倍;42 ℃处理3 h时PwERF8的表达量最高,是0 h的9.01倍,之后下降,但12 h时维持在初期的较高水平。

3 讨论

本研究从青杄中克隆了PwERF8基因的编码区全长序列,基于其氨基酸序列进行多序列比对发现,PwERF8蛋白属于ERF亚族。在N端的27-85氨基酸位置具有1个保守的由58个氨基酸组成的AP2结构域,PwERF8肽链的C端231-236氨基酸处含有1个EAR转录抑制基序(DLNLPP),酵母单杂交试验进一步证实PwERF8蛋白不具有转录激活活性,暗示其可能作为一个转录抑制子发挥作用。事实上,许多ERF基因已被证明具有转录抑制的功能,如GmERF4/6 (Zhang et al., 2010; Zhai et al., 2013b)、AtERF3/4 (Fujimoto et al., 2000; Yang et al., 2005)、AtERF7 (Song et al., 2005)和NtERF3/5 (Fischer et al., 2004; Ohta et al., 2001)等均不具有转录激活活性,且在C端含有一个EAR转录抑制基序。然而,GmERF3/7 (Zhang et al., 2009; Zhai et al., 2013a)和AtERF1/2/5 (Fujimoto et al., 2000)可以作为转录激活因子起作用。亚细胞定位结果显示,PwERF8蛋白主要在细胞核中表达,在细胞质中也有微量的分布,这与水稻OsERF3蛋白的亚细胞定位结果(张健飞, 2011)一致。

已有报道显示ERF家族基因具有逆境下维持光合能力的作用。常英芬(2009)研究表明,转LeERF2的旱稻(Oryza sativa)在NaCl胁迫下可以维持较强的光合效率。田云(2008)发现,在低温条件下,水稻TERF2可维持叶绿素的含量,减少光合效率的损失,提高苗期水稻对低温的耐性。对PwERF8的启动子预测发现,其含有BOX 4,BOXⅠ,Sp1等9个光应答相关的响应元件,推测其可能也提高了光合响应能力。激素在植物参与防御反应中发挥着至关重要的作用(Sugano et al., 2013)。在PwERF8的启动子上发现很多具有激素响应的作用元件,例如,ABA响应元件motifⅡb、茉莉酸响应元件CGTCA-motif和TGACG-motif、赤霉素响应元件GARE motif和TATC-box、水杨酸响应顺式作用元件TCA-element等。进一步瞬时转化烟草叶片和GUS显色试验证明了PwERF8的启动子能够响应GA、ABA、MeJA和SA处理。RT-qPCR结果分析显示,PwERF8在GA、ABA、MeJA和SA等处理下,其表达量均显著高于0 h,表明PwERF8参与了GA、ABA、JA和SA激素的信号通路。在大豆中亦发现类似现象,通过ABA,SA,ETH和MeJA的处理均可提高GmERF5的转录水平(Dong et al., 2015)。此外,大豆GmERF3基因可以作为ET、JA和SA的信号通路的连接器来介导植物的生物和非生物胁迫(Zhang et al., 2009)。

干旱、高盐、低温和高温等逆境胁迫可以激活杨树(Zhuang et al., 2008)、大豆(Zhang et al., 2008)、番茄(Lycopersicon esculentum)(Sharma et al., 2010)、水稻(Sharoni et al., 2011)等植物中的一些ERF的表达,这些基因的过表达转基因植株在干旱、高盐、低温和高温的胁迫下,耐受力也进一步增强。例如,番茄JERF3可以与下游靶基因上的GCC和DRE元件同时结合,参与植物渗透、高盐和冷胁迫响应(Wu et al., 2008),而番茄ERF.B.3被冷和热处理诱导表达,但是在盐处理和干旱处理中基因的表达量下降(Imen et al., 2014)。同样,过表达GmERF3的大豆植株可以耐受盐和干旱等多重胁迫(Zhang et al., 2009)。在干旱胁迫的条件中,过表达OsERF 71的水稻植株不但提高了植株的存活率,而且植株的鲜质量比野生型提高了23% ~42%(Lee et al., 2016)。谷子(Setaria italica)中的AP2/ERF基因家族成员在干旱、盐胁迫中具有不同的表达量及响应,显示其作用可能有差异(Lata et al., 2014)。本研究中,根据PlantCARE的预测结果,PwERF8的启动子上有胁迫响应元件TC-rich repeats,低温响应元件LTR和热应激反应元件HSE,说明PwERF8能够参与低温和高温等逆境胁迫过程。通过RT-qPCR进一步分析发现,在干旱、4 ℃和42 ℃处理下,PwERF8均被不同程度的诱导,但在盐胁迫下的响应不显著,这也与预测的PwERF8启动子序列中存在的顺式作用元件的结果一致。不同的是,Imen等(2014)报道番茄ERF.B.3在盐胁迫下可以被诱导,而Lata等(2014)报道谷子AP2/ERF在盐胁迫下被抑制表达,PwERF8在盐胁迫下响应不大,可能跟该蛋白C端EAR基序有关,该基序在抑制基因表达中发挥着重要作用(Tiwari et al., 2004)。另外值得注意的是,PwERF8在干旱和ABA处理中的变化趋势不一致,推测PwERF8参与干旱响应过程可能存在ABA依赖途径和不依赖ABA 2种途径,但具体功能还需要进一步验证。

4 结论

本研究从青杄中获得ERF类转录因子PwERF8的编码区全长序列和2 004 bp的启动子序列。PwERF8蛋白的N端存在AP2结构域,C端存在EAR转录抑制基序。PwERF8主要定位于细胞核中,但不具有转录激活活性,可能作为一个转录抑制因子起作用。PwERF8参与了GA、ABA、JA和SA等激素的信号通路,在干旱、4 ℃和42 ℃处理条件下,PwERF8被不同程度的诱导,但不能被盐胁迫诱导。这些结果表明PwERF8作为一个转录抑制子,广泛参与了激素信号通路及多种非生物逆境胁迫响应过程。

参考文献(References)
常英芬. 2009. 转ERF基因旱稻盐碱胁迫下光合生理反应. 呼和浩特: 内蒙古农业大学硕士学位论文.
(Chang Y F. 2009. Photosynthesis and physiological impact of transgenic ERF gene aerobic rice under saline-alkali stress. Hohhot: MS thesis of Inner Mongolia Agricultural Universty. [in Chinese])
李有梅. 2015. 喷施6-BA和IAA对富士幼树花芽孕育期间激素与相关基因表达的影响. 杨凌: 西北农林科技大学硕士学位论文.
(Li Y M. 2015. Effect of 6-BA and IAA spraying on hormone and related gene expression during floral induction and initiation in 'FUJI' apple. Yangling: MS thesis of Northwest A & F University. [in Chinese])
吕东梅. 2015. 苹果HMGR基因家族启动子的克隆及功能分析. 泰安: 山东农业大学硕士学位论文.
(Lü D M. 2015. Isolation and functional analysis of the Malus domestica HMGR gene family promoters. Tai'an: MS thesis of Shandong Agricultural University. [in Chinese])
邱志刚, 徐兆师, 郑天慧, 等. 2011. 小麦ERF转录因子W17互作蛋白的筛选和解析[J]. 作物学报, 37(5): 803-810.
(Qiu Z G, Xu Z S, Zheng T H, et al. 2011. Screening and identification of proteins interacting with ERF transcription factor W17 in wheat[J]. Acta Agronomica Sinica, 37(5): 803-810. [in Chinese])
田云. 2008. 转录因子JERFs功能的初步研究. 长沙: 湖南农业大学博士学位论文.
(Tian Y. 2008. A preliminary study on the function of transcription factor JERFs. Changsha: PhD thesis of Agricultural University of Hunan. [in Chinese])
谢腾, 王升, 周良云, 等. 2014. 新疆紫草AP2/ERF转录因子的电子克隆和生物信息学分析[J]. 中国中药杂志, 39(12): 2251-2257.
(Xie T, Wang S, Zhou L Y, et al. 2014. In silico cloning and bioinformatics analysis of an AP2/ERF family gene from Arnebia euchroma[J]. China Journal of Chinese Materia Medica, 39(12): 2251-2257. [in Chinese])
张健飞. 2011. 转录因子OsERF3负调控乙烯生物合成影响水稻耐旱性. 北京: 中国农业科学院硕士学位论文.
(Zhang J F. 2011. OsERF3 plays a role in drought response through negative regulation of ethylene biosynthesis in rice. Beijing: MS thesis of Chinese Academy of Agricultural Sciences. [in Chinese])
张文慧. 2016. 白桦BPERF11基因响应高盐干旱胁迫的调控机理研究. 哈尔滨: 东北林业大学博士学位论文.
(Zhang W H. 2016. Regulation mechanism of BPERF11 gene from Betula platyphylla response to severe salt and drought stress. Harbin: PhD thesis of Northeast Forestry University. [in Chinese])
Cheng M C, Liao P M, Kuo W W, et al. 2013. The Arabidopsis ETHYLENE RESPONSE FACTOR1 regulates abiotic stress-responsive gene expression by binding to different cis-acting elements in response to different stress signals[J]. Plant Physiology, 162(3): 1566-1582. DOI:10.1104/pp.113.221911
Dong L D, Cheng Y X, Wu J J, et al. 2015. Overexpression of GmERF5, a new member of the soybean EAR motif-containing ERF transcription factor, enhances resistance to Phytophthora sojae in soybean[J]. Journal of Experimental Botany, 66(9): 2635-2647. DOI:10.1093/jxb/erv078
De Boer K, Tilleman S, Pauwels L, et al. 2011. APETALA2/ETHYLENE response factor and basic helix-loop-helix tobacco transcription factors cooperatively mediate jasmonate-elicited nicotine biosynthesis[J]. The Plant Journal, 66(6): 1053-1065. DOI:10.1111/tpj.2011.66.issue-6
Fischer U, Droge-Laser W. 2004. Overexpression of NtERF5, a new member of the tobacco ethylene response transcription factor family enhances resistance to tobacco mosaic virus[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions, 17(10): 1162-1171. DOI:10.1094/MPMI.2004.17.10.1162
Fujimoto S Y, Ohta M, Usui A, et al. 2000. Arabidopsis ethylene-responsive element binding factors act as transcriptional activators or repressors of GCC box-mediated gene expression[J]. The Plant Cell, 12(3): 393-404. DOI:10.1105/tpc.12.3.393
Hao D Y, Ohme-Takagi M, Sarai A. 1998. Unique mode of GCC box recognition by the DNA-binding domain of ethylen-responsive element-binding factor (ERF domain) in plant[J]. Journal of Biological Chemistry, 273(41): 26857-26861. DOI:10.1074/jbc.273.41.26857
Imen Klay, Julien Pirrello, Leila Riahi, et al. 2014. Ethylene response factor Sl-ERF.B.3 is responsive to abiotic stresses and mediates salt and cold stress response regulation in tomato[J]. The Scientific World Journal. DOI:10.1155/2014/167681
Lata C, Mishra A K, Muthamilarasan M, et al. 2014. Genome-wide investigation and expression profiling of AP2/ERF transcription factor superfamily in foxtail millet(Setaria italica L.)[J]. PLoS One, 9(11): e113092. DOI:10.1371/journal.pone.0113092
Lee D K, Jung H, Jang G, et al. 2016. Overexpression of the OsERF71 transcription factor alters rice root structure and drought resistance[J]. Plant Physiology, 172(1): 575-588. DOI:10.1104/pp.16.00379
Licausi F, Ohme-Takagi M, Perata P. 2013. APETALA2/Ethylene responsive factor(AP2/ERF)transcription factors:mediators of stress responses and developmental programs[J]. New Phytologist, 199(3): 639-649. DOI:10.1111/nph.12291
Liu L, White M J, Macrae T H. 1999. Transcription factors and their genes in higher plants[J]. Eur J Biochem, 262(2): 247-257. DOI:10.1046/j.1432-1327.1999.00349.x
Nakano T, Suzuki K, Fujimura T, et al. 2006. Genome-wide analysis of the ERF gene family in Arabidopsis and rice[J]. Plant Physiology, 140(2): 411-432. DOI:10.1104/pp.105.073783
Ohta M, Matsui K, Hiratsu K, et al. 2001. Repression domains of class Ⅱ ERF transcriptional repressors share an essential motif for active repression[J]. The Plant Cell, 13(8): 1959-1968. DOI:10.1105/tpc.13.8.1959
Qi X N, Xiao Y Y, Fan Z Q, et al. 2016. A banana fruit transcriptional repressor MaERF10 interacts with MaJAZ3 to strengthen the repression of JA biosynthetic genes involved in MeJA-mediated cold tolerance[J]. Postharvest Biology and Technology, 120: 222-231. DOI:10.1016/j.postharvbio.2016.07.001
Quan R, Hu S, Zhang Z, et al. 2010. Overexpression of an ERF transcription factor TSRF1 improves rice drought tolerance[J]. Plant Biotechnol Journal, 8(4): 476-488. DOI:10.1111/pbi.2010.8.issue-4
Rong W, Qi L, Wang A, et al. 2014. The ERF transcription factor TaERF3 promotes tolerance to salt and drought stresses in wheat[J]. Plant Biotechnol Journal, 12(4): 468-479. DOI:10.1111/pbi.2014.12.issue-4
Sharma M, Kumar R, Solanke A, et al. 2010. Identification, phylogeny, and transcript profiling of ERF family genes during development and abiotic stress treatments in tomato[J]. Molecular Genetics and Genomics, 284(6): 455-475. DOI:10.1007/s00438-010-0580-1
Sharoni A M, Nuruzzaman M, Satoh K, et al. 2011. Gene structures, classification and expression models of the AP2/EREBP transcription factor family in rice[J]. Plant Cell Physiology, 52(2): 344-360. DOI:10.1093/pcp/pcq196
Singh K B, Foley R C, Onate-Sanchez L. 2002. Transcription factors in plant defense and stress responses[J]. Current Opinion in Plant Biology, 5(5): 430-436. DOI:10.1016/S1369-5266(02)00289-3
Song C P, Agarwal M, Ohta M, et al. 2005. Role of an Arabidopsis AP2/EREBP-type transcriptional repressor in abscisic acid and drought stress responses[J]. The Plant Cell, 17(8): 2384-2396. DOI:10.1105/tpc.105.033043
Sugano S, Sugimotob T, Takatsuji H, et al. 2013. Induction of resistance to Phytophthora sojae in soyabean (Glycine max) by salicylic acid and ethylene[J]. Plant Pathology, 62(5): 1048-1056. DOI:10.1111/ppa.2013.62.issue-5
Tiwari S B, Hagen G, Guilfoyle T J. 2004. Aux/IAA proteins contain a potent transcriptional repression domain[J]. Plant Cell, 16(2): 533-543. DOI:10.1105/tpc.017384
Wan L, Wu Y, Huang J, et al. 2014. Identification of ERF genes in peanuts and functional analysis of AhERF008 and AhERF019 in abiotic stress response[J]. Functional & Integrative Genomics, 14(3): 467-477.
Wu L, Zhang Z, Zhang H, et al. 2008. Transcriptional modulation of ethylene response factor protein JERF3 in the oxidative stress response enhances tolerance of tobacco seedlings to salt, drought, and freezing[J]. Plant Physiology, 148(4): 1953-1963. DOI:10.1104/pp.108.126813
Xu Z S, Chen M, Li L C, et al. 2011. Functions and application of the AP2/ERF transcription factor family in crop improvement[J]. Journal of Integrative Plant Biology, 53(7): 570-585. DOI:10.1111/jipb.2011.53.issue-7
Yao W J, Wang L, Zhou B R, et al. 2016. Over-expression of poplar transcription factor ERF76 gene confers salt tolerance in transgenic tobacco[J]. J Plant Physiology, 198(1): 23-31.
Yao W, Zhang X, Zhou B, et al. 2017. Expression pattern of ERF gene family under multiple abiotic stresses in Populus simonii × P. nigra[J]. Frontiers in Plant Science, 8: 181.
Yang Z, Tian L, Latoszek-Green M, et al. 2005. Arabidopsis ERF4 is a transcriptional repressor capable of modulating ethylene and abscisic acid responses[J]. Plant Molecular Biology, 58(4): 585-596. DOI:10.1007/s11103-005-7294-5
Yoo S D, Cho Y H, Sheen J. 2007. Arabidopsis mesophyll protoplasts:a versatile cell system for transient gene expression analysis[J]. Nature Protocols, 2: 1565-1572. DOI:10.1038/nprot.2007.199
Zhai Y, Wang Y, Li Y J, et al. 2013a. Isolation and molecular characterization of GmERF7, a soybean ethylene-response factor that increases salt stress tolerance in tobacco[J]. Gene, 513(1): 174-183. DOI:10.1016/j.gene.2012.10.018
Zhai Y, Li J W, Li X W, et al. 2013b. Isolation and characterization of a novel transcriptional repressor GmERF6 from soybean[J]. Biologia Plantarum, 57(1): 26-32. DOI:10.1007/s10535-012-0146-7
Zhang G Y, Chen M, Chen X P, et al. 2008. Phylogeny, gene structures, and expression patterns of the ERF gene family in soybean (Glycine max L.)[J]. Journal of Experimental Botany, 59(15): 4095-4107. DOI:10.1093/jxb/ern248
Zhang G, Chen M, Li L, et al. 2009. Overexpression of the soybean GmERF3 gene, an AP2/ERF type transcription factor for increased tolerances to salt, drought, and diseases in transgenic tobacco[J]. Journal of Experimental Botany, 60(13): 3781-3796. DOI:10.1093/jxb/erp214
Zhang G Y, Chen M, Chen X P, et al. 2010. Isolation and characterization of a novel EAR-motif-containing gene GmERF4 from soybean (Glycine max L.)[J]. Molecular Biology Report, 37: 809-818. DOI:10.1007/s11033-009-9616-1
Zhuang J, Cai B, Peng R H, et al. 2008. Genome-wide analysis of the AP2/ERF gene family in Populus trichocarpa[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 371(3): 468-474. DOI:10.1016/j.bbrc.2008.04.087
青杄转录因子PwERF8及其启动子序列的克隆与分析
张鹤华, 刘嘉欣, 罗朝兵, 张凌云