1、1低温对朵丽蝶兰成花过程中碳水化合物及糖转运蛋白基因表达的影响张迟 1,周庐萍 2, 3,罗小燕 2, 孙小明 2, 秦巧萍 1, 周明兵 4, 崔永一 1, 4*( 1 浙江农林大学农业与食品科学学院, 2 浙江农林大学园林学院, 3 江西省庐山自然保护区管理处, 4 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地,杭州临安,311300)摘要:【目的】分析低温诱导下朵丽蝶兰(Doritaenopsis hybrid)叶片的营养生长特性以及碳水化合物的含量与相关基因表达模式的变化规律,为明确低温对朵丽蝶兰花梗抽出的生理生化机制奠定基础。 【方法】本研究对朵丽蝶兰(Doritaenopsis hybri
2、d)进行高温(30/25)和低温(22/18)处理,测定其叶片的生长和叶绿素荧光,以及碳水化合物含量的变化,同时对朵丽蝶兰(Doritaenopsis hybrid) “温敏” SSH 文库中分离的两个糖转运蛋白基因(片段)在相对低温处理下的表达特性进行分析。 【结果 】结果显示,经过 22/18(昼/ 夜)的低温处理大约 29-36d,98%的植株都抽出花梗,并在以后的培养中( 3 个月)陆续开花。而高温对照组无植株开花。整个低温处理阶段中,朵丽蝶兰叶面积的增长显著低于高温处理,并且在低温处理的前四周(28d) ,叶片的光能转化效率和 PSII 的活性明显下降,叶片的淀粉含量急剧下降,还原糖
3、含量持续增加,蔗糖含量在第 28d 前后表现为先增后减,其中,在低温处理 21d 至 35d 中,DhST1 的 mRNA 表达与蔗糖含量的变化一致,而 DhSUT1则表现为持续的下降,但二者在抽出的花梗中都有较高的表达量。 【结论】低温能够明显减缓朵丽蝶兰叶片的营养生长,并在处理的开始阶段对光合系统产生一定抑制作用,调节碳水化合物的降解与累积,以及协调糖转运相关蛋白基因的表达,并成为推动朵丽蝶兰顺利转向生殖生长并抽出花梗的动力之一。基金项目:国家自然科学基金项目资助(No. 30771762) ;浙江省中青年学科带头人培养资助项目(2272000004) ;浙江省人事厅留学人员科技活动基金资
4、助项目作者简介:张迟,讲师。E-mail: chi_ 。通讯作者崔永一,教授,博士。E-mail: )关键词:朵丽蝶兰;“温敏”现象;碳水化合物;叶绿素荧光;糖转运蛋白Relative Cold-induced Flowering Arouse Fluctuation on Carbohydrates and Expression of Genes related to Sugar Transport in Doritaenopsis hybrid ZHANG Chi1, ZHOU Lu-ping2,3, LUO Xiao-yan2, SUN Xiao-ming2, QIN Qiao-ping
5、1, ZHOU Ming-bing4, CUI Yong-yi1, 4*( 1School of Agriculture and food science, 2School of Landscape Architecture, 3Management Bureau of Jiangxi Lushan Nature Reserve, Lushan 332900, Jiangxi,China, 4State key laboratory Cultivation Base of Subtropical Silviculture, Zhejiang Agriculture cold-sensitive
6、; carbohydrates; chlorophyll fluorescence; sugar transporter0 引言【研究意义】蝴蝶兰(Phalaenopsis orchid) ,原产于热带,其花芽分化对温度的要求比较高,必须经过低温(25/18 )条件,才能正常抽出花序轴,或促进花芽的提早形成,这种现象被称为蝴蝶兰成花过程中的“温敏”现象 1。朵丽蝶兰(Doritaenopsis hybrid) ,是朵丽兰(Doritis)与蝴蝶兰(Phalaenopsis )的杂交后代,其外形与亲本之一蝴蝶兰相似,但花期更长,是目前商业应用最多的蝶兰种类之一 2。它们都存在成花的“温敏”现象,
7、然而商业生产过程中对花期的降温处理大大提高了生产成本,已成为制约热带兰产业迅速发展的重要因素。因此,明确朵丽蝶兰低温成花的“温敏”机制,将为花期调控经济成本的降低提供可能,从而推动我国热带兰产业迅速发展奠定基础 3。【前人研究进展】热带兰开花的温度区别于其他植物的低温春化(600w )激发,使原初电子受体 QA 全部处于还原状态,测得最大荧光值(Fm)。按照下面公式计算光系统 II 最大光化学效率: Fv/Fm=(Fm- F0)/Fm ,Fv/ F0=(Fm-F0) /F0 15。1.4 碳水化合物含量的测定在相对低温处理的第 0、7、14、21、28、35、42 和 49d,取植株(含对照)
8、成熟叶片(从上数第二片叶) ,用打孔器钻取直径为 1cm 圆片,放入盛有液氮的容器中带回实验室,-70保存,用于碳水化合物的测定。还原糖含量及淀粉含量测定参考 Cui et al. 20042;蔗糖含量的测定采用国家卫生部颁发的测定标准 GB5009.8-85。1.5 糖转运蛋白基因的分离取朵丽蝶兰分别在低温(22/18 ) (Tester )和高温(30 /25) (Driver)条件处理下叶长为 4cm 大小的整个嫩叶构建表达基因差减文库(SSH) 。文库经测序获得 contig87 和contig609 的序列。序列采用 BLASTX 和 CLUSTALW 软件分析。1.6 Real-t
9、ime PCR取相对低温处理第 21、28、35d 的植株成熟叶片(从上数第二片叶) ,用打孔器钻取直径为 1cm 圆片, 以及抽出的花梗,放入盛有液氮的容器中带回实验室,-70保存,用于Real-time PCR 的检测。总 RNA 的抽提采用 Trizol Kits( Invitrogen) ;根据差减文库的测序结果,采用 Primers3 设计特异引物(表 1) ,对低温诱导处理的朵丽蝶兰叶片中的DhSUT1(contig87)和 DhST1(contig609 )进行实时定量 PCR 的检测。Real-time PCR 采用QuantiTect SYBR Green PCR Kits
10、(Qiagen),以看家基因 DhACT1 (GenBank No HO212487)为内参,PCR 反应程序见表 2,每 PCR 反应重复三次。每个基因的表达量与相应的第 21d 的表达水平作为比较,以比较的相对值表示。所有数据以 SPSS14.0.软件进行统计分析,重复三次。表 1 实时定量 PCR 引物Table1. Primers of selected genes for quantitative real-time PCR基因名称Gene name正向引物Forward primer (5-3)反向引物Reverser primer (5-3)DhSUT1 TTCGGTCCTCGG
11、TGTTCCATTAG CTCCTTGGTTGGCAGCTAGTTGTDhST1 TCACAGGGCAACCAAGCGTTT CCAAGCCTATCCACCACCAGAACDhACT1 ACTCATTCACAACAACAGCCGAACCCTCCGCACATCTGAACCTCTC表 2 Real-time PCR 程序Table2. Real-time PCR reaction condition 步 骤Steps in PCR程 序 Amplification program步骤 1(Step 1) 95c 变性, 2 min 95c 变性, 10 sec60c 退火, 30 sec步骤 2(
12、Step 2 )循环( Cycling) (40 次循环 40 repeats) 72c 延伸, 30 sec步骤 3(Step 3) 72c 延伸, 5 min步骤 4(Step 4) 4c 保温 , for ever2 结果与分析2.1 两个糖分子转运蛋白基因(片段)DhSUT1 和 DhST1 的分离在成功构建低温(22/18 ) (Tester )诱导下朵丽蝶兰 SSH 文库(以高温处理为对照)的基础上,对差异表达的克隆进行测序及序列分析,分离获得两个糖分子转运蛋白基因(片段):contig87 和 contig609。contig87 的 BLASTX 结果显示,与黍稷(Panicu
13、m virgatum)的蔗糖转运蛋白(Sucrose transporter 1, SUT1) (ACO55747.1 )的同源性最高(69%) ,保守结构域分析(conserved domain analysis)中,该 EST 具明显的 SUT1 保守结构域。CLUSTAL 聚类分析显示,其结构的进化与水稻的蔗糖转运蛋白最相近(图 1A) 。contig609 的 BLASTX 分析表明,其蛋白结构与粳稻(Oryza sativa Japonica Group)(AAG46179.1)的糖分子转运蛋白(Sugar transporter1, ST1)的同源性最高(75% ) ,保守结构域的
14、进化树分析显示,DhST1 可能是单糖(或还原糖)转运蛋白(图 1B) 。对两个 contig 序列进行 CLUSTAL X 分析,两个 contig 推测的氨基酸序列的相似性较低(图 1C) 。目前,两个 contig 已经在 GenBank 中登录,登录号分别为 HO212497(contig87)和HO212930(contig609 ) ,并分别命名为 DhSUT1 和 DhST1。ABCA: contig87 的聚类分析,其中,contig87(推测的蔗糖转运蛋白 DhSUT1) ;ACO55747.1(黍稷蔗糖转运蛋白) ;AAV41028.1(甘蔗蔗糖转运蛋白) ;ABF9421
15、3.1(粳稻蔗糖转运蛋白) ;NP_001104840.1(玉米蔗糖转运蛋白 1) ;ACY69230.1(高粱蔗糖转运蛋白 1) ;AAM13409.1 (普通小麦蔗糖转运蛋白 SUT1B); AAM13408.1(普通小麦蔗糖转运蛋白 SUT1A); AAL90455.1(普通小麦蔗糖转运蛋白 SUT1D)A: The cladogram of contig87 depicts the amino acid sequences from contig87 (putative sucrose transporter DhSUT1), ACO55747.1 (sucrose transport
16、er, Panicum virgatum), AAV41028.1 (sucrose transporter, Saccharum hybrid cultivar Q117), ABF94213.1 (sucrose transporter, Oryza sativa japonica group), NP_001104840.1 (sucrose transporter1, Zea mays), ACY69230.1 (sucrose transporter 1, Sorghum bicolor), AAM13409.1 (sucrose transporter SUT1B, Triticu
17、m aestivum), AAM13408.1 (sucrose transporter SUT1A, Triticum aestivum), and AAL90455.1 (sucrose transporter SUT1D, Triticum aestivum).B: contig609 的聚类分析,其中,contig609(推测的糖转运蛋白 DhST1) ;AAG46179.1(粳稻糖转运蛋白) ;XP_002873804.1 (拟南芥胡菜亚种胡菜) ;NP_850835.2(拟南芥糖转运子) ;NP_186959.2(拟南芥跨膜糖运输蛋白) ;XP_002520022.1(蓖麻糖转运子
18、)B: The cladogram of contig609 depicts the amino acid sequences from contig609 (putative sugar transporter DhST1), AAG46179.1 (sugar transporter protein, Oryza sativa Japonica Group), XP_002873804.1 (sugar transporter family protein, Arabidopsis lyrata subsp. Lyrata), NP_850835.2 (sugar transporter
19、family protein, Arabidopsis thaliana), NP_186959.2 (transmembrane transporter AtVGT1, Arabidopsis thaliana), XP_002520022.1 (sugar transporter, Ricinus communis).C: Contig87(推测的蔗糖转运蛋白 DhSUT1) ;Contig609(推测的糖转运蛋白 DhST1) 。“*“ 表示序列完全相同;“:“和“.“表示功能相似C:Contig87 (putative sucrose transporter DhSUT1); Cont
20、ig609 (putative sugar transporter DhST1). “*“ means that the residues or nucleotides in that column are identical in all sequences in the alignment; “:“ means that conserved substitutions have been observed; “.“ means that semi-conserved substitutions are observed. 图 1 contig87 和 contig609 的聚类分析Fig.
21、1 Analysis of cladogram of contig87 and contig6092.2 相对低温对植物营养生长的影响两组温度处理下,朵丽蝶兰叶面积的变化速率均以 28d 为分界,且前期增长速率极显著高于后期,高温组(30/25 )的叶面积始终大于低温组( 22/18)。两组处理在 28d 前的叶面积增长速率,高温组显著高于低温组;28d 以后,高温组仍有缓慢上升,而低温组则在峰值以后(28d)几无明显变化(图 2 A) 。对两组温度处理中,朵丽蝶兰叶片的叶绿素荧光参数进行测定,结果显示,处理第 7d时低温组 Fv/Fm 陡降,达到最低值 0.67,随后开始逐渐上升,28d 后
22、变化甚微,徘徊于 0.76附近。而高温组在整个处理过程中的 Fv/Fm 波动较小,维持在 0.80 左右,并且始终高于低温组(图 2 B)。而 Fv/ F0 的测定结果显示,低温处理后 Fv/ F0 经历一段小幅上升后,又迅速下降,在第 28d 时达到低谷 3.28,随后又缓慢上升。高温组的 Fv/F0 波动较小,前 35d 有小幅上升,并达到最大值 4.28(35d) ,随后持续下降,但 Fv/ F0 始终高于低温组(图 2 C) 。温度处理天数 Days after incubation under different temperature treatment B0.40.60.810
23、7 14 21 28 35 42 49叶绿素荧光参数 Fv/FmPSII photochemistry Fv/FmC0123450 7 14 21 28 35 42 49叶绿素荧光参数 Fv/F0PSII photochemistry Fv/F0A010203040506070800 7 14 21 28 35 42 49叶面积Leaf area (cm2) 22 /1830 /25AA:叶面积的变化;B、C:分别表示叶绿素荧光参数 Fv/Fm 和 Fv/ F0 的变化A: the dynamic changes of leaf area; B and C: the dynamic chang
24、es of the maximal efficiency of PSII photochemistry Fv/Fm and Fv/ F0, respectively.图 2 不同温度处理朵丽蝶兰叶面积及荧光参数的变化Fig.2 Changes of upper leaf size, photosynthesis parameters of Doritaenopsis Tinny Tender incubated under 22/18 and 30 /25 . 2.3 相对低温对叶片中 DhSUT1 和 DhST1 的表达及碳水化合物含量的影响在低温处理(22/18)的 27-29d 后,朵丽
25、蝶兰陆续抽出花梗,至第 36d 时,低温处理组 98%的植株顺利抽梗,并在后续培养( 3 个月)中相继开花。而高温对照组则无植株开花。对处理后的第 0、7、14、21、28、35、42 和 49d 的样品中碳水化合物含量的变化进行测定(图 3 A-C) ,结果表明,碳水化合物的含量对低温诱导存在明显的响应。与高温对照相比,在低温诱导的前两周(第 14d 测定) ,淀粉含量有缓慢且明显的上升,随后便开始大幅下降,尽管中间存在一定的起伏,但在第七周(第 49d 测定)明显上升(图 3 A) 。相应地,叶片中蔗糖的含量在低温诱导过程中,尽管存在较小的起伏(第二周,即第 14d 测定有下降),但总体呈
26、现出上升的趋势,从第 28d 开始,叶片中的蔗糖含量开始大幅下降(图 3 B) 。而还原糖含量的变化,在整个低温诱导过程中始终处于上升趋势(图 3 C) 。有研究表明,在热带亚热带地区,通常在高山冷凉气候诱导 2233d 后始见花序轴 16。因此,对低温诱导 21、28、35d 的朵丽蝶兰叶片中的 DhSUT1 和 DhST1 进行了 qRT-PCR 的检测。结果显示,碳水化合物剧烈变化的同时, DhSUT1 和 DhST1 的表达也同时对低温作出响应(图 3 D) 。DhSUT1 的表达量随低温诱导呈下降趋势,在第 35d 达到最低,但在抽出的花梗中表达量陡增,达到极显著水平;而 DhST1
27、 的表达在低温处理过程中呈现出起伏,在第 28d 时的表达量显著上升,随后下降,但同样在花梗中可以检测到较高的表达量。0246810120 7 14 21 28 35 42 49淀粉含量Starch Content(mg g-1 FW)22 /1830 /25A024681012140 7 14 21 28 35 42 49蔗糖含量Sucrose Content( mgg-1 FW)B01234560 7 14 21 28 35 42 49还原糖含量Reducing Sugar Content(mg.g-1FW)C温度处理天数(天)Days after incubation under dif
28、ferent temperature treatment00.20.40.60.811.21.41.61.821d 28d 35d flower stalk基因相对表达丰度Relative transcriptabundanceDhSUT1 DhST1bB bcCacCabaAab低温处理时间(天)Days after incubation under low temperatureD从左至右,分别为 0-49d 之内不同温度处理下,每 7d 的淀粉(A) ,蔗糖(B)和还原糖含量(C )的变化趋势。 DhSUT1 和 DhST1 在低温诱导过程中的相对表达量分析(D):DhSUT1 和 Dh
29、ST1 的实时表达量与第 21d 各自表达量的比值,以看家基因 DhACT1 作为内参。以 SPSS14.0.软件进行 P0.05 和 P0.01 水平的统计分析,差异显著性以 abc 或 ABC 表示。Changes of starch (A), sucrose (B) and reducing sugars (C) content of leaves and in transcript levels of DhSUT1 (GenBank No HO212497) & DhST1 (GenBank No HO212930) (D) selected from the SSH library
30、in leaves and the flower stalks of Doritaenopsis Tinny Tender incubated in relative low temperature (22 /18 ). The Dpts actin DhACT (GenBank No HO212487) was used as an internal reference. Three replicates were carried out for each sample. For individual genes, the transcript quantification for leav
31、es at 28 d, 35 d and flower stalks was calculated relative to the transcript level in leaves at 21 d. Values within the same graph with the same letter are not significantly different by Duncans multiple comparison test (P0.05).图 3 不同温度处理下叶片中碳水化合物的变化趋势以及低温诱导的 DhSUT1 和 DhST1 的相对表达Fig.3 Alteration of
32、carbohydrates changes consist with expression of DhSUT1 and DhST1 induced of relative low temperature3 讨论植物花芽分化的诱导主要与适宜光周期和低温处理有关。朵丽蝶兰的父母本均属于热带兰,其开花所需的低温是相对的 6。在本研究中,22/18的低温可以有效诱导朵丽蝶兰营养生长的减缓并且促使其向有利于成花的生理状态转变;而 30/25的高温处理则促进朵丽蝶兰叶面积增加迅速,并始终处于良好的营养生长状态。Fv/ Fm、Fv/ F 0值可用于诊断光合结构在逆境胁迫中的损坏程度 17,不同种类的植物叶片
33、,Fv/Fm比值基本维持在0.83 左右 18。朵丽蝶兰保留着热带植物对高温的适应性,而对低温有较明显的生理反应,在低温处理初期Fv/Fm 迅速下降,28d前明显偏低,这可能与朵丽蝶兰叶片光能转化效率和PS的潜在活性降低有关 19,而处理后期低温组的Fv/Fm恢复到0.8附近,则体现出朵丽蝶兰对相对低温环境的适应 20。光合荧光参数的变化反应了热带花卉朵丽蝶兰在成花诱导初期,对低温的敏感,以及在诱导后期的逐渐适应,从而在相对较低的温度下进行着适度的光合作用,以满足成花所需物质与能量的需求。植物花芽的形成总是伴随体内碳水化合物的显著变化 21,这些显著的变化通过“能量分配”的方式,协调和改变着库
34、- 源关系 22。本研究中,尽管高温对照(30/25)中的碳水化合物含量也存在变化,但是持续高水平的营养物质(尤其是淀粉、蔗糖)的积累,促使朵丽蝶兰始终维持较好的营养生长(叶面积的迅速扩大) ,并阻碍其向生殖生长的转变。正好相反,碳水化合物(淀粉、蔗糖、还原糖)含量的波动,则反映了朵丽蝶兰花梗诱导抽出的规律。其中,淀粉含量在低温处理开始的两周内明显增加,随后又大幅下降(图 3A) ,而相应的,蔗糖含量的起伏与还原糖含量的不断增加(图 3 B、C) ,很可能与花梗诱导的起始阶段密切相关 23。虽然蔗糖与还原糖的含量均呈上升趋势,但是,蔗糖的含量在前四周(第28d)均比对照组(30/25 )高,表
35、明蔗糖有可能是朵丽蝶兰花梗抽出起始阶段的主导糖分子 24。在朵丽蝶兰“温敏”SSH文库的众多差异表达基因(片段)中,DhSUT1和DhST1与低温诱导成花过程中碳水化合物的变化关系密切:DhSUT1和DhST1都在mRNA水平对低温作出响应(图3D) ,但存在较大的差异。低温中 DhST1的表达量在第28d时达到最大(图3D) ,表现出较高水平的糖分代谢(转移)酶活性,有利于增大叶(腋)芽的库强 25,推动花芽休眠的打破,可能与相对低温处理的第27-29d能够观察到花梗抽出有关,而这个时间点(段)可能是朵丽蝶兰营养生长向生殖生长的转折点,相应地,淀粉、蔗糖、还原糖等生理指标的波动也与DhST1
36、的表达基本一致。而DhSUT1表达量在低温诱导中的持续下降(图3D) ,可能与韧皮部装载减缓进而蔗糖大量积累有关 26-28。因此,DhST1与DhSUT1表达模式的较大差异,表明他们很可能在低温诱导的花梗抽出过程中承担不同的重要功能。目前,关于这两个基因的功能验证正在进一步研究中,将为揭示朵丽蝶兰成花“温敏”现象的分子机理以及后续关键基因的利用提供可靠的依据。4 结论本研究通过分析朵丽蝶兰低温成花过程中,叶片的生长速率、光合能力、碳水化合物含量的变化以及糖转运相关基因的表达,发现相对低温能够促进叶片营养生长的减缓,光合能力的适度减弱,调节碳水化合物的降解与累积,同时协调糖转运相关基因的表达,
37、并成为推动朵丽蝶兰顺利转向生殖生长并抽出花梗的动力之一。Reference1 Grindal G, Junttila O, Reid J B, Moe R. The response to gibberellin in Pisum sativum grown under alternating day and night temperature. Plant Growth Regulation, 1998, 17: 161-167.2 Cui Y Y, Pandey D M, Hahn E J, Paek K Y. Effect of drought on physiological aspe
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