留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

盐胁迫下拟南芥SCAMP基因克隆和表达的生物信息学分析

白雪杨 陈秀珍 黄天帆 江行玉 周扬

白雪杨, 陈秀珍, 黄天帆, 江行玉, 周扬. 盐胁迫下拟南芥SCAMP基因克隆和表达的生物信息学分析[J]. 热带生物学报, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
引用本文: 白雪杨, 陈秀珍, 黄天帆, 江行玉, 周扬. 盐胁迫下拟南芥SCAMP基因克隆和表达的生物信息学分析[J]. 热带生物学报, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
BAI Xueyang, CHEN Xiuzhen, HUANG Tianfan, JIANG Xingyu, ZHOU Yang. Cloning and Bioinformatics Analysis of SCAMP Genes from Arabidopsis thaliana under Salt Stress[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
Citation: BAI Xueyang, CHEN Xiuzhen, HUANG Tianfan, JIANG Xingyu, ZHOU Yang. Cloning and Bioinformatics Analysis of SCAMP Genes from Arabidopsis thaliana under Salt Stress[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003

盐胁迫下拟南芥SCAMP基因克隆和表达的生物信息学分析

doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
基金项目: 国家重点研发计划(2018YFE0207203-2);国家自然科学基金(31660253);海南大学科研团队项目(hdkytg201706);海南大学科研启动项目(KYQD(ZR)1845)
详细信息
    第一作者:

    白雪杨(1989−),女,海南大学热带作物学院2017级硕士研究生. E-mail:abbybai2020@163.com

    通信作者:

    周扬(1988−),男,博士,讲师. 研究方向:植物抗逆分子生物学. E-mail:zhouyang@hainanu.edu.cn

  • 中图分类号: Q 786

Cloning and Bioinformatics Analysis of SCAMP Genes from Arabidopsis thaliana under Salt Stress

  • 摘要: 为探究分泌载体膜蛋白(Secretory carrier membrane protein, SCAMP)的功能,采用PCR方法从模式植物拟南芥中克隆到5个SCAMP基因,进行生物信息学分析,并通过实时荧光定量PCR技术分析5个SCAMP基因在盐胁迫下的表达模式。结果显示,拟南芥SCAMP蛋白的相对分子量为30.1~33.2 kDa,等电点为6.60~9.18,属于不稳定性疏水蛋白,二级蛋白结构中主要包含4种构象:α–螺旋(Alpha helix, Hh)、无规则卷曲(Randon coil, Cc)、直链延伸(Extended strand,Ee)和β–折叠(Beta turn,Tt),其中以α–螺旋为主,包含4个跨膜结构域,N端和C端均在细胞膜内。实时荧光定量PCR结果表明,AtSCAMPs的表达量均受盐胁迫诱导上调表达,AtSCAMP1AtSCAMP3AtSCAMP4AtSCAMP5基因在叶中的表达明显高于根,且AtSCAMP4AtSCAMP5在叶中受盐胁迫变化最明显。
  • 图  2  AtSCAMP基因扩增

    M:DL2000 marker;1~5:AtSCAMP1-5基因的扩增产物

    Fig.  2  Amplification of AtSCAMP genes

    M: DL2000 marker; 1–5: PCR products of AtSCAMP1-5

    图  3  拟南芥SCAMP蛋白跨膜结构域预测

    Fig.  3  Transmembrane domain prediction of SCAMP proteins in Arabidopsi thaliana

    A: AtSCAMP1; B: AtSCAMP2; C: AtSCAMP3; D: AtSCAMP4; E: AtSCAMP5

    图  4  拟南芥SCAMP蛋白的进化树分析

    Fig.  4  Phylogenetic tree analysis of SCAMP proteins in Arabidopsis thaliana

    图  5  盐胁迫下AtSCAMP基因的表达分析

    Fig.  5  The expression analysis of AtSCAMP under salt stress

    表  1  实时荧光定量PCR引物

    Table  1  Primer sequence for real-time quantitative PCR

    名称Primer引物序列Primer sequence
    Actin F: TATGAATTACCCGATGGGCAAG R:TGGAACAAGACTTCTGGGCAT
    AtSCAMP1-qPCR F: TCGACCACTCTACCGTGCCTTC R: TCGCTGCTTCCCGTCTCATTTG
    AtSCAMP2-qPCR F: CTTTGCCTCCCGAACCTGCTG R: CCAAGCGGTAGTAACGGCGATG
    AtSCAMP3-qPCR F: TTGCGGCGGTGGCTCCTC R: GCCTCCTGCTTCATCTCTGCTG
    AtSCAMP4-qPCR F: ACGTGTTCCACATCGCGTTCTG R: TGCCACTCCCTCGGAAGTATGC
    AtSCAMP5-qPCR F: GCTTGCTGACTGGGAAGCTGAG R: TCCTCATGGCTCGGTAGAGTGG
    下载: 导出CSV

    表  2  拟南芥SCAMP蛋白氨基酸组成

    Table  2  Amino acid composition of SCAMP proteins in Arabidopsis thaliana %

    SCAMPAla(A)Arg (R)Asn (N)Asp (D)Cys (C)Gln (Q)Glu (E)Gly (G)His (H)Ile (I)
    AtSCAMP1 11.4 6.20 2.80 3.80 1.00 3.50 5.50 6.90 1.40 6.90
    AtSCAMP2 11.4 2.80 3.70 5.10 1.00 3.40 3.70 8.40 1.00 7.10
    AtSCAMP3 9.6 3.80 2.10 3.50 1.10 2.80 6.00 6.40 1.80 9.60
    AtSCAMP4 10.6 1.00 3.90 3.20 1.10 2.50 6.70 6.40 2.10 7.80
    AtSCAMP5 8.3 3.50 3.00 5.70 1.90 2.70 4.20 6.80 2.70 9.50
    SCAMP Leu (L) Lys (K) Met (M) Phe (F) Pro (P) Ser (S) Thr (T) Trp (W) Tyr (Y) Val (V)
    AtSCAMP1 9.30 4.50 1.40 7.60 6.60 3.50 2.80 2.40 4.20 8.30
    AtSCAMP2 10.80 4.00 1.70 7.40 5.40 4.40 2.70 2.00 4.00 6.10
    AtSCAMP3 8.20 5.70 3.20 7.40 6.40 5.70 3.90 2.50 3.90 5.70
    AtSCAMP4 9.90 4.90 1.80 7.10 7.10 3.20 5.30 2.10 3.90 6.00
    AtSCAMP5 10.20 6.10 1.90 8.00 5.30 4.90 2.30 2.70 3.80 6.10
    下载: 导出CSV

    表  3  拟南芥AtSCAMP蛋白家族二级结构含量

    Table  3  Contents of secondary structures of AtSCAMP proteins in Arabidopsis thaliana %

    AtSCAMPα−螺旋(Hh)β−折叠(Tt)直链延伸(Ee)无规则卷曲(Cc)
    AtSCAMP 149.485.8811.7632.87
    AtSCAMP 245.795.7213.4735.02
    AtSCAMP 348.946.0315.2529.79
    AtSCAMP 447.003.8914.4934.63
    AtSCAMP 544.704.5514.7735.98
    下载: 导出CSV
  • [1] 胡举伟, 张会慧, 孙广玉. Na2CO3胁迫对青龙桑、蒙古桑叶片生理和叶片光系统Ⅱ活力的影响[J]. 中南林业科技大学学报, 2015, 35(5): 51 − 58.
    [2] 王培培, 宋萍, 张群. 磷脂酶D信号转导与植物耐盐研究进展[J]. 生物技术通报, 2016, 32(10): 58 − 65.
    [3] 陈永快, 王涛, 廖水兰, 等. 逆境及生长调节剂对作物抗逆性的影响综述[J]. 江苏农业科学, 2019, 47(23): 68 − 72.
    [4] KRONZUCKER H J, BRITTO D T. Sodium transport in plants: a critical review [J]. New Phytologist, 2011, 189(1): 54 − 81. doi:  10.1111/j.1469-8137.2010.03540.x
    [5] 周扬, 胡艳平, 杨成龙, 等. 盐生植物海马齿SpCBL10基因的克隆及结构预测[J]. 分子植物育种, 2014, 12(4): 765 − 771.
    [6] 毛桂莲, 许兴, 徐兆桢. 植物耐盐生理生化研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2004, 12(1): 48 − 51.
    [7] DEINLEIN U, AARON B, STEPHAN, et al. Plant salt-tolerance mechanisms [J]. Trends in Plant Science, 2014, 19(6): 371 − 379. doi:  10.1016/j.tplants.2014.02.001
    [8] GAXIOLA R, RAO R, SHERMAN A, et al. The Arabidopsis thaliana proton transporters, AtNhx1 and Avp1, can function in cation detoxification in yeast [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, 96(4): 1480 − 1485. doi:  10.1073/pnas.96.4.1480
    [9] HE C, YAN J, ZHANG H, et al. Expression of an Arabidopsis vacuolar sodium/proton antiporter gene in cotton improves photosynthetic performance under salt conditions and increases fiber yield in the field [J]. Plant Cell Physiology, 2005, 46(11): 1848 − 1854. doi:  10.1093/pcp/pci201
    [10] MISHRA S, ALAVILLI H, LEE B, et al. Cloning and functional characterization of a vacuolar Na+/H+ antiporter gene from mungbean (VrNHX1) and its ectopic expression enhanced salt tolerance in Arabidopsis thaliana [J]. PLoS One, 2014, 9(10): 1 − 14.
    [11] RODRÍGUEZ-ROSALES M P, JIANG X Y, GALVEZ F J. Overexpression of the tomato K+/H+ antiporter LeNHX2 confers salt tolerance by improving potassium compartmentalization [J]. New Phytologist, 2008, 179(2): 366 − 377. doi:  10.1111/j.1469-8137.2008.02461.x
    [12] LIN P, WILLIAMS W, LUU Y, et al. Secretory carrier membrane proteins interact and regulate trafficking of the organellar (Na+, K+)/H+ exchanger NHE7 [J]. Journal of Cell Science, 2005, 118(9): 1885 − 1897. doi:  10.1242/jcs.02315
    [13] DIERING G H, CHURCH J, NUMATA M. Secretory carrier membrane protein 2 regulates cell-surface targeting of brain-enriched Na+/H+ exchanger NHE5 [J]. The Journal of Biological Chemistry, 2005, 284(20): 13892 − 903.
    [14] 王莉. 小麦耐盐基因的克隆与功能研究[D]. 石家庄: 河北师范大学, 2010.
    [15] 李杰辉. 拟南芥AtSCAMP家族的功能研究[D]. 石家庄: 河北师范大学, 2011.
    [16] BRAND S H, LAURIE S M, MIXON M B, et al. Secretory carrier membrane proteins 31-35 define a common protein composition among secretory carrier membranes [J]. The Journal of Biological Chemistry, 1991, 266(28): 18949 − 18957.
    [17] GUO Z, LIU L, CAFISO D, et al. Perturbation of a very late step of regulated exocytosis by a secretory carrier membrane protein (SCAMP2)-derived peptide [J]. The Journal of Biological Chemistry, 2002, 277(38): 35357 − 35363. doi:  10.1074/jbc.M202259200
    [18] BURGESS T L, KELLY R B. Constitutive and regulated secretion of proteins [J]. Annual Review of Cell Biology, 1987, 3(3): 243 − 293.
    [19] FALGUIERES T, CASTLE D, GRUENBERG J. Regulation of the MVB pathway by SCAMP3 [J]. Traffic, 2012, 13(1): 131 − 142. doi:  10.1111/j.1600-0854.2011.01291.x
    [20] THOMAS P, WOHLFORD D, QUYEN L. SCAMP 3 is a novel regulator of endosomal morphology and composition [J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2016, 478(3): 1028 − 1034. doi:  10.1016/j.bbrc.2016.08.012
    [21] WANG H, TSE Y C, ANGUS H Y, et al. Vacuolar sorting receptors (VSRs) and secretory carrier membrane proteins (SCAMPs) are essential for pollen tube growth [J]. The Plant Journal, 2010, 61(5): 826 − 838. doi:  10.1111/j.1365-313X.2009.04111.x
    [22] 付乾堂, 余迪求. 拟南芥AtWRKY25AtWRKY26AtWRKY33在非生物胁迫条件下的表达分析[J]. 遗传, 2010, 32(8): 848 − 856.
    [23] 王立光, 叶春雷, 陈军, 等. 植物Na+, K+/H+反向转运体: pH平衡与囊泡运输[J]. 生物技术通报, 2020, 36(4): 1 − 8.
    [24] XU H, JIANG X, ZHAN K, et al. Functional characterization of a wheat plasma membrane Na+/H+ antiporter in yeast [J]. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2008, 473(1): 8 − 15. doi:  10.1016/j.abb.2008.02.018
    [25] YOKOI S, QUINTERO F J, CUBERO B, et al. Differential expression and function of Arabidopsis thaliana NHX Na+/H+ antiporters in the salt stress response [J]. The Plant Journal, 2002, 30(5): 529 − 539. doi:  10.1046/j.1365-313X.2002.01309.x
    [26] LIU J, ISHITANI M, HALFTER U, et al. The Arabidopsis thaliana SOS2 gene encodes a protein kinase that is required for salt tolerance [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2000, 97(7): 3730 − 3734. doi:  10.1073/pnas.97.7.3730
    [27] HUANG G T, MA S L, BAI L P, et al. Signal transduction during cold, salt, and drought stresses in plants [J]. Molecular Biology Reports, 2012, 39(2): 969 − 987. doi:  10.1007/s11033-011-0823-1
  • [1] 董晨, 郑雪文, 王弋, 全振炫, 李伟才.  荔枝GRF基因家族的全基因组鉴定及表达分析 . 热带生物学报, 2024, 15(2): 190-197. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20230099
    [2] 贾素行, 朱寿松, 符仁稳, 李春霞, 陈银华.  木薯MePPD3基因的克隆及功能分析 . 热带生物学报, 2024, 15(1): 10-18. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20230035
    [3] 刘云飞, 李言, 田维敏.  橡胶树蛋白激酶基因SnRK2.7的克隆及表达 . 热带生物学报, 2024, 15(1): 1-9. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20230004
    [4] 朱昆宇, 潘成才, 吉怡颖, 王宇, 周扬, 江行玉.  盐胁迫下冰菜盐囊泡细胞的比较代谢组学分析 . 热带生物学报, 2024, 15(2): 224-231. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20230020
    [5] 徐春华, 李超萍, 时涛, 王国芬, 蔡吉苗, 李博勋, 黄贵修.  木薯细菌性萎蔫病菌2个候选抗铜基因簇的克隆和分析 . 热带生物学报, 2023, 14(5): 499-505. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20220009
    [6] 金柳, 李萌晗, 郑育声, 李东栋.  油棕乙酰基酰基载体蛋白硫酯酶EgFATA基因的克隆与功能分析 . 热带生物学报, 2023, 14(4): 357-363. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2023.04.002
    [7] 金海峰, 王朝政, 侯清芳, 咸利民, 张华剑, 吴少英.  普通大蓟马MuRhodopsin基因的全长克隆及生物信息学分析 . 热带生物学报, 2023, 14(6): 651-659. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20220105
    [8] 符丹凤, 刘洪涛, 杨明秋, 何玉贵.  斑节对虾PmML1PmML2基因的鉴定及表达分析 . 热带生物学报, 2022, 13(5): 440-450. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2022.05.003
    [9] 武映宏, 黄东益, 王永, 张大鹏, 刘蕊, 孙熹微, 肖勇.  椰子ALDH基因家族的鉴定及生物信息学分析 . 热带生物学报, 2022, 13(6): 541-549. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2022.06.001
    [10] 潘雪莲, 杨磊, 袁琳琳, 陈龙威, 吴少英.  豆大蓟马钠离子通道基因克隆及分析 . 热带生物学报, 2022, 13(3): 249-258. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2022.03.007
    [11] 程度, 戎伟, 梅双双.  效应蛋白OhEF 2正调控拟南芥对橡胶树白粉菌的感病性 . 热带生物学报, 2021, 12(1): 75-82. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2021.01.011
    [12] 李妙珍, 李奕勋, 陈静, 张磊, 廖承红, 韩谦.  伊蚊5-HT受体家族生物信息学分析和时空表达谱的构建 . 热带生物学报, 2021, 12(3): 347-355. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2021.03.011
    [13] 董晨, 魏永赞, 王弋, 郑雪文, 李伟才.  转录组荔枝Dof基因家族的鉴定及其表达 . 热带生物学报, 2021, 12(1): 7-14. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2021.01.002
    [14] 宋娜, 张刘宁颖, 曹敏, 郭文雅, 洪雨慧, 吴金山, 陈银华, 于晓惠.  木薯ERF转录因子调控的靶基因筛选与表达分析 . 热带生物学报, 2020, 11(2): 177-189. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.008
    [15] 张转丹, 肖正泮, 武新丽, 孙艳, 罗应, 吴昊, 韦双双, 裴业春, 王大勇.  鱼类神经坏死病毒衣壳蛋白MCP和鮰爱德华氏菌外膜蛋白ompN1融合基因的原核表达 . 热带生物学报, 2020, 11(2): 145-155. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.004
    [16] 赵锐, 樊若晨, 丁凯旋, 唐枝娟, 王红刚, 黄思源, 蒋凌雁, 陈银华, 耿梦婷.  木薯MeNOSIP与MeRbohD蛋白的互作验证及其对外源激素的响应 . 热带生物学报, 2020, 11(2): 170-176. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.007
    [17] 叶鸿鹰, 梅双双, 戎伟.  ATAF2正调控拟南芥对橡胶树白粉菌的抗病性 . 热带生物学报, 2020, 11(1): 58-62. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.01.009
    [18] 门佳丽, 李芳, 孙进华, 许云.  荔枝‘妃子笑’AP2同源基因的克隆及表达 . 热带生物学报, 2020, 11(2): 190-199. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.009
    [19] 闫冰玉, 巩笑笑, 谭玉荣, 王丹, 高璇, 张恒, 李双江, 王鹏, 潘英文, 刘进平.  文心兰OnRR10基因的克隆及表达分析 . 热带生物学报, 2020, 11(3): 288-295. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.005
    [20] 曹欣, 唐燕琼, 李宏, 马香, 刘柱.  Flag-ALD融合载体构建及蛋白表达 . 热带生物学报, 2020, 11(2): 132-137, 155. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.002
  • 加载中
图(5) / 表 (3)
计量
  • 文章访问数:  629
  • HTML全文浏览量:  183
  • PDF下载量:  59
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-19
  • 修回日期:  2020-02-23
  • 网络出版日期:  2020-07-03
  • 刊出日期:  2020-06-01

盐胁迫下拟南芥SCAMP基因克隆和表达的生物信息学分析

doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
    基金项目:  国家重点研发计划(2018YFE0207203-2);国家自然科学基金(31660253);海南大学科研团队项目(hdkytg201706);海南大学科研启动项目(KYQD(ZR)1845)
    作者简介:

    白雪杨(1989−),女,海南大学热带作物学院2017级硕士研究生. E-mail:abbybai2020@163.com

    通讯作者: 周扬(1988−),男,博士,讲师. 研究方向:植物抗逆分子生物学. E-mail:zhouyang@hainanu.edu.cn
  • 中图分类号: Q 786

摘要: 为探究分泌载体膜蛋白(Secretory carrier membrane protein, SCAMP)的功能,采用PCR方法从模式植物拟南芥中克隆到5个SCAMP基因,进行生物信息学分析,并通过实时荧光定量PCR技术分析5个SCAMP基因在盐胁迫下的表达模式。结果显示,拟南芥SCAMP蛋白的相对分子量为30.1~33.2 kDa,等电点为6.60~9.18,属于不稳定性疏水蛋白,二级蛋白结构中主要包含4种构象:α–螺旋(Alpha helix, Hh)、无规则卷曲(Randon coil, Cc)、直链延伸(Extended strand,Ee)和β–折叠(Beta turn,Tt),其中以α–螺旋为主,包含4个跨膜结构域,N端和C端均在细胞膜内。实时荧光定量PCR结果表明,AtSCAMPs的表达量均受盐胁迫诱导上调表达,AtSCAMP1AtSCAMP3AtSCAMP4AtSCAMP5基因在叶中的表达明显高于根,且AtSCAMP4AtSCAMP5在叶中受盐胁迫变化最明显。

English Abstract

白雪杨, 陈秀珍, 黄天帆, 江行玉, 周扬. 盐胁迫下拟南芥SCAMP基因克隆和表达的生物信息学分析[J]. 热带生物学报, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
引用本文: 白雪杨, 陈秀珍, 黄天帆, 江行玉, 周扬. 盐胁迫下拟南芥SCAMP基因克隆和表达的生物信息学分析[J]. 热带生物学报, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
BAI Xueyang, CHEN Xiuzhen, HUANG Tianfan, JIANG Xingyu, ZHOU Yang. Cloning and Bioinformatics Analysis of SCAMP Genes from Arabidopsis thaliana under Salt Stress[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
Citation: BAI Xueyang, CHEN Xiuzhen, HUANG Tianfan, JIANG Xingyu, ZHOU Yang. Cloning and Bioinformatics Analysis of SCAMP Genes from Arabidopsis thaliana under Salt Stress[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(2): 138-144. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.003
  • 植物在生长过程中会受到生物胁迫与非生物胁迫的影响。盐碱胁迫是非生物胁迫的一种,不但制约植物生长,同时也严重影响土地的利用。土壤的盐碱化是一个全球性的环境问题,据联合国教科文组织和粮农组织的不完全统计,世界上盐碱地已达到约9.5×108 hm2,相当于全球陆地总面积的7.23%,并且人类活动不断占用土地导致耕地面积逐渐减少,土壤盐碱化的程度正在逐年增加。中国是一个农业大国,盐碱地分布广泛,总面积约有9.9×107 hm2,土壤的盐碱化问题非常严峻[1]。土壤中可溶性盐分含量过高会对植物造成盐害,大部分植物在含盐量达0.3%的土壤中会受到伤害[2]。盐胁迫对植物造成的伤害主要有渗透胁迫、质膜伤害、离子平衡失调以及代谢紊乱[3]。在面对盐胁迫时,植物会采取一些相应的应答机制以减少对自身的危害,植物的应答机制是将细胞质内过多的Na+排出细胞外或将细胞质内的Na+区隔到液泡中来维持细胞质内正常的Na+浓度[4]。质膜上的Na+/H+逆转运蛋白SOS1(salt overly sensitive 1) 将Na+排出细胞,即SOS途径;而液泡膜上的Na+/H+逆转运蛋白NHX将Na+区隔到液泡中,即NHX途径[5]。植物利用PM-ATPase或V-ATPase和V-PPase所产生的跨膜H+浓度梯度,将细胞质中的Na+排到细胞外部或将其隔离到液泡中,从而调节细胞内Na+的浓度,调节细胞质的酸碱值及维持细胞内离子的稳态[6]。在植物中,Na+区隔化是植物抵抗盐碱的重要过程,主要依赖于液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白,同时液泡膜上的H+-ATPases 和 PPases水解ATP释放的能量将H+泵出膜外,产生跨膜的电化学梯度,进而驱动Na+的逆向转运[7]。超表达液泡膜上Na+/H+逆向转运蛋白基因AtNHX1的拟南芥耐盐性得到明显提高[8]。将拟南芥AtNHX1基因转入棉花后,转基因植株能够在高浓度NaCl条件下正常生长[9]。将绿豆VrNHX1基因导入拟南芥,转基因拟南芥的耐盐性显著提高[10]。在番茄中超表达AtNHX1基因,可以促进番茄细胞在盐胁迫下K+从地下部向地上部运输,提高液泡中K+含量,使K+/Na+提高,减轻Na+毒害[11]。Paulo等用酵母双杂交的方法从人脑cDNA文库中找到NHE7的互作用蛋白,又用免疫共定位/沉淀的方法确定了其与SCAMP2可以相互作用[12]。GRAHAM等论证了哺乳动物中NHE5可以与SCAMP2相互作用[13]。之后在小麦中TaSCAMP1被证实可以与液泡膜的Na+/H+逆向转运蛋白发生相互作用,并被推测与植物耐盐相关[14],而在拟南芥中,利用BiFC实验和泛素酵母双杂实验证明AtSCAMP3可以与AtNHX2互作[15]。以上研究结果表明细胞中Na+/H+逆向转运蛋白的功能受到分泌载体膜蛋白SCAMP的调控。分泌载体膜蛋白(Secretory carrier membrane protein, SCAMP)是生物体内一种非常重要的膜蛋白,存在于许多真核生物中[16]。哺乳动物有5个SCAMP基因SCAMP1-SCAMP5,研究证明,哺乳动物中的SCAMP基因与神经递质的传递有关系,且涉及神经递质信号传递中膜的去极化和突触前膜分泌突触小泡或密集核心小泡(DCV)[17-18]。SCAMP3控制着晚期质体腔内囊泡的形成和多囊泡质体以及溶酶的分化[19],还在调节早期内体形成中起到重要作用[20]。植物SCAMP定位在根和花粉管等部分的质膜、初级质体或者反面高尔基体中[21]。为探究分泌载体膜蛋白(Secretory carrier membrane protein, SCAMP)的功能,笔者采用 PCR技术,从模式植物拟南芥中克隆出了5个SCAMP基因,利用生物信息学技术对拟南芥AtSCAMP蛋白家族结构进行了预测,并利用荧光定量PCR技术研究了它们在盐胁迫下的表达模式,旨在为进一步研究和完善植物的耐盐机理提供参考。

    • 植物材料为哥伦比亚型拟南芥(Col-0),由本实验室保存。取野生型拟南芥种子清洗后用水浸泡,遮光放于4 ℃冰箱中3 d,然后把种子播种到1/2 MS固体培养基上,竖直培养10 d后,移栽幼苗至含有50 mmol·L−1 NaCl的1/2 MS培养基上盐胁迫培养,于盐胁迫培养0,1,3,5,7,9,11,13 h时分别取幼苗的根和叶,并立即放入液氮中速冻,−80 ℃保存以备提取RNA。

    • 依据说明书,使用植物总RNA提取试剂盒(RNAplant Plus Reagent, DP437;TIANGEN公司生产)提取RNA;采用TransScript One-Step gDNA Removal 和 cDNA Synthesis SuperMix进行RNA反转录(TaKaRa, R047A)。将样品用手拨打轻轻混匀后42 ℃反应15 min;85 ℃反应5 s;4 ℃保存。获得的cDNA用Actin[22]引物扩增,以检测cDNA的质量。

    • 根据拟南芥基因组网站 (www.arabidopsis.org) 上公布的AtSCAMP基因序列 [AtSCAMP1(基因登录号:AT1G61250),AtSCAMP2(基因登录号:AT1G11180),AtSCAMP3(基因登录号:AT2G20840),AtSCAMP4(基因登录号:AT1G03550),AtSCAMP5(基因登录号:AT1G32050)]设计全长引物。引物序列为:AtSCAMP1-F:ATGGCTAATCGTTATGATCC,AtSCAMP1-R:TCAAACAGCGGCTCTCAAG;AtSCAMP2-F:ATGGGTGGTCGTTACGAT,AtSCAMP2-R:TCATATGGCAGCTCTCATG;AtSCAMP3-F:ATGTCTCGCTACCAGTCTC,AtSCAMP3-R:TCAGAGAGCTGCCATCATT;AtSCAMP4-F:ATGGCACGACACGATCCT,AtSCAMP4-R:TCATAGTGCACGCATCAAGGT;AtSCAMP5-F:ATGAATCGCCACCACGATC,AtSCAMP5-R:TCACTTGTTTCCCCTAAAGTAG。将1.2中得到的cDNA混合作为模板进行扩增。将片段进行胶回收后连接T载体,转化大肠杆菌后选取菌落PCR正确的样品进行测序。

    • 采用Protparam 在线软件(http://www.expasy.org/tools/protparam.html)分析SCAMP蛋白理化性质。采用SOPMA 在线软件(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/secpred_sopma.pl)预测SCAMP蛋白的二级结构。采用TMHMM在线软件(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/)预测SCAMP蛋白的跨膜结构。采用MEGA7.0软件对SCAMP蛋白做进化树分析。

    • 利用oligo7软件设计AtSCAMP基因的荧光定量PCR引物(表1)。以Actin作为内标基因进行荧光定量PCR分析。采用染料法实时荧光定量PCR试剂盒(TaKaRa, SYBR Premix EX TaqTM(Perfect Real time),R820A)进行试验,反应体系按照说明书进行。实时荧光定量PCR的扩增条件为94 ℃预变性30 s,94 ℃变性5 s,60 ℃退火30 s,40个循环,结束后读取荧光信号:95 ℃,15 s;60 ℃,15 s;95 ℃,15 s。采用比较CT法计算目的基因的相对表达量,目的基因的相对表达量=2−ΔΔCt,其中ΔΔCt= (Ct目的基因Ct内参基因) 实验组−(Ct目的基因Ct内参基因) 对照组。进行3次生物学重复,取平均值进行作图。

      表 1  实时荧光定量PCR引物

      Table 1.  Primer sequence for real-time quantitative PCR

      名称Primer引物序列Primer sequence
      Actin F: TATGAATTACCCGATGGGCAAG R:TGGAACAAGACTTCTGGGCAT
      AtSCAMP1-qPCR F: TCGACCACTCTACCGTGCCTTC R: TCGCTGCTTCCCGTCTCATTTG
      AtSCAMP2-qPCR F: CTTTGCCTCCCGAACCTGCTG R: CCAAGCGGTAGTAACGGCGATG
      AtSCAMP3-qPCR F: TTGCGGCGGTGGCTCCTC R: GCCTCCTGCTTCATCTCTGCTG
      AtSCAMP4-qPCR F: ACGTGTTCCACATCGCGTTCTG R: TGCCACTCCCTCGGAAGTATGC
      AtSCAMP5-qPCR F: GCTTGCTGACTGGGAAGCTGAG R: TCCTCATGGCTCGGTAGAGTGG
    • 提取的RNA用1%的琼脂糖检测(图1A),从图1A可见,叶片中的RNA的28S 和18S 完整,说明 RNA 质量比较好。用反转录试剂盒进行cDNA反转录,得到的cDNA用内参基因Actin引物进行扩增(图1B),从图1B可见,产物没有非特异性扩增或者引物二聚体,表明反转录得到的cDNA质量较好。

      图  1  拟南芥叶片中的RNA及cDNA扩增

      Figure 1.  RNA and cDNA amplification of Arabidopsis thaliana leaves

    • 在拟南芥基因组网站(www.arabidopsis.org) 上查找公布的AtSCAMP基因序列设计引物,扩增得到长度为750~1 000 bp之间的片段(图2)。测序结果表明得到的目的片段分别为870,894,849,852,795 bp,与AtSCAMP1-5序列比对正确,基因克隆成功。

      图  2  AtSCAMP基因扩增

      Figure 2.  Amplification of AtSCAMP genes

    • AtSCAMP1-5蛋白的氨基酸组成见表2,用 Protparam 在线软件分析AtSCAMP1-5蛋白的理化性质。预测结果:AtSCAMP1-5蛋白质相对分子量分别约为32.6,33.2,32,31.9,30.1 kDa;AtSCAMP1-5蛋白质等电点(pI)分别是 8.87,9.18,8.32,6.60,7.66;AtSCAMP1-5蛋白质元素组成分别是C1526H2321N389O392S7,C1536H2354N402O404S8,C1491H2274N368O389S12,C1485H2264N372O393S8,C1409H2135N349O361S10;AtSCAMP1-5蛋白质亲水性分别是0.185,0.162,0.179,0.120,0.233,属于疏水蛋白,不稳定指数均大于40,表明它们均为不稳定蛋白。

      表 2  拟南芥SCAMP蛋白氨基酸组成

      Table 2.  Amino acid composition of SCAMP proteins in Arabidopsis thaliana %

      SCAMPAla(A)Arg (R)Asn (N)Asp (D)Cys (C)Gln (Q)Glu (E)Gly (G)His (H)Ile (I)
      AtSCAMP1 11.4 6.20 2.80 3.80 1.00 3.50 5.50 6.90 1.40 6.90
      AtSCAMP2 11.4 2.80 3.70 5.10 1.00 3.40 3.70 8.40 1.00 7.10
      AtSCAMP3 9.6 3.80 2.10 3.50 1.10 2.80 6.00 6.40 1.80 9.60
      AtSCAMP4 10.6 1.00 3.90 3.20 1.10 2.50 6.70 6.40 2.10 7.80
      AtSCAMP5 8.3 3.50 3.00 5.70 1.90 2.70 4.20 6.80 2.70 9.50
      SCAMP Leu (L) Lys (K) Met (M) Phe (F) Pro (P) Ser (S) Thr (T) Trp (W) Tyr (Y) Val (V)
      AtSCAMP1 9.30 4.50 1.40 7.60 6.60 3.50 2.80 2.40 4.20 8.30
      AtSCAMP2 10.80 4.00 1.70 7.40 5.40 4.40 2.70 2.00 4.00 6.10
      AtSCAMP3 8.20 5.70 3.20 7.40 6.40 5.70 3.90 2.50 3.90 5.70
      AtSCAMP4 9.90 4.90 1.80 7.10 7.10 3.20 5.30 2.10 3.90 6.00
      AtSCAMP5 10.20 6.10 1.90 8.00 5.30 4.90 2.30 2.70 3.80 6.10

      用 SOPMA 在线软件对AtSCAMP家族蛋白二级结构进行预测,分析发现,AtSCAMP蛋白家族二级结构中都包含有4种构象:α−螺旋(Alpha helix, Hh),β−折叠(Beta turn, Tt),直链延伸(Extended strand, Ee),无规则卷曲(Randon coil, Cc),其中含量最高的是α−螺旋(Hh),约占蛋白质二级结构总量44%~50%,含量第2的是无规则卷曲(Cc),约占总量32%~36%,含量第3的是直链延伸(Ee),约占11%~16%,含量最少的蛋白二级结构是β−折叠(Tt),含量约为4%~6%(表3)。

      表 3  拟南芥AtSCAMP蛋白家族二级结构含量

      Table 3.  Contents of secondary structures of AtSCAMP proteins in Arabidopsis thaliana %

      AtSCAMPα−螺旋(Hh)β−折叠(Tt)直链延伸(Ee)无规则卷曲(Cc)
      AtSCAMP 149.485.8811.7632.87
      AtSCAMP 245.795.7213.4735.02
      AtSCAMP 348.946.0315.2529.79
      AtSCAMP 447.003.8914.4934.63
      AtSCAMP 544.704.5514.7735.98

      通过TMHMM在线软件对AtSCAMP蛋白家族进行跨膜结构域的预测,结果(图3)表明,AtSCAMP1-5蛋白均具有4个跨膜结构域,N端和C端均在细胞膜内。

      图  3  拟南芥SCAMP蛋白跨膜结构域预测

      Figure 3.  Transmembrane domain prediction of SCAMP proteins in Arabidopsi thaliana

      通过MEGA7.0软件对AtSCAMP蛋白家族进行序列比对,结果(图4)可见,AtSCAMP1AtSCAMP2蛋白在进化关系上比较近,AtSCAMP3AtSCAMP4蛋白在进化关系上较近,而AtSCAMP5蛋白与其他蛋白进化关系最远。

      图  4  拟南芥SCAMP蛋白的进化树分析

      Figure 4.  Phylogenetic tree analysis of SCAMP proteins in Arabidopsis thaliana

    • 使用qRT-PCR方法研究AtSCAMP基因在50 mmol·L−1 NaCl胁迫下的表达情况。结果(图5)表明,在50 mmol·L−1 NaCl胁迫下,AtSCAMP1-5基因在拟南芥的根、叶中都呈上调表达,其中AtSCAMP1AtSCAMP3AtSCAMP4AtSCAMP5基因在叶中的表达明显高于根中。AtSCAMP1在叶中初期表达量随时间升高而升高,3 h达到第1个峰值,约为起始表达量的9倍,此后表达量下降,在盐胁迫诱导9 h后表达量又逐渐上升;而根中AtSCAMP1基因的表达量没有明显的变化(图5A)。AtSCAMP2在叶中表达量高于根,初期随处理时间增加而增加,相对于其他AtSCAMP基因,AtSCAMP2在根和叶中的表达量受盐胁迫的变化都不太明显(图5B)。AtSCAMP3在根和叶中受盐胁迫诱导表达的模式与AtSCAMP1比较类似(图5C)。叶中AtSCAMP4AtSCAMP5基因受盐胁迫诱导变化明显,盐胁迫处理后表达量迅速上升,而根中这2个基因在50 mmol·L−1 NaCl处理后的表达量变化都不明显(图5D-E)。

      图  5  盐胁迫下AtSCAMP基因的表达分析

      Figure 5.  The expression analysis of AtSCAMP under salt stress

    • 研究植物的耐盐机制有助于培育耐盐植物新品种,提高盐碱地中植物的产量,合理利用盐碱地。SCAMP蛋白被证实是一种分泌载体膜蛋白质,不论在哺乳动物中还是植物中都被证明可以与Na+/H+转运蛋白进行互作,且生化分析显示NHE7的C端和SCAMP第2个、第3个跨膜结构域中的细胞质环优先结合,SCAMP2中缺少这一段的蛋白与NHE7的结合明显减弱[12-13]。笔者发现,AtSCAMP蛋白具有4个跨膜结构域,其N端和C端均在膜内,为此推测其定位在膜上,说明它们与细胞膜上的Na+/H+逆向转运蛋白互作是有可能的。已有研究[23-27]表明,植物体内液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白(NHX)和细胞质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白(SOS1)都在植物耐盐机制中发挥着重要的作用。小麦SCAMP基因转化到拟南芥和水稻中能够明显提高转基因拟南芥和水稻的耐盐抗性[15]。笔者发现从拟南芥中克隆的5个SCAMP基因均在受到盐胁迫诱导后上调表达(图5),由此推测SCAMP基因与植物耐盐性相关。

      有研究[5]表明SCAMP3在调节早期内体形成中起到重要作用。笔者通过对盐胁迫下SCAMP基因表达量具体分析发现,在盐胁迫初期时,SCAMP1-5基因都呈现上升趋势,与该结果相似;实时荧光定量PCR结果还显示在盐胁迫下SCAMP基因表达量在开始上升后都存在1次下降趋势,由此推测SCAMP可能在应对盐胁迫时并没有单独发挥作用,而是可能与其他蛋白互作。文献[15]也发现在拟南芥中AtSCAMP3可以与AtNHX2互作。文献[14]也发现在小麦中TaSCAMP1可以与Na+/H+逆向转运蛋白产生荧光发生相互作用,且表达量在盐处理时升高。这些结果都说明,AtSCAMP可能参与了植物的耐盐调控途径。本研究克隆得到的AtSCAMP1-5基因均已构建到植物表达载体和酵母表达载体中,本实验室下一步将深入研究这些基因的功能。

参考文献 (27)

目录

    /

    返回文章
    返回