茶树己糖激酶基因CsHXK2的启动子克隆及表达特性分析 作物学报    2020, 46 (10): 1628-1638.   DOI: 10.3724/SP.J.1006.2020.94166

图5 茶树CsHXK2基因在不同处理下的表达分析
A: 自然冷驯化; B: 4℃低温及25℃恢复; C: 炭疽菌接种; D: 50 μmol L^-1外源GA₃处理。柱上标以不同字母表示数据间的显著性差异(P < 0.05)。*表示0.05水平显著; ***表示0.001水平显著。

正文中引用本图/表的段落

对茶树品种‘龙井43’、‘大面白’、‘浙农12’和‘浙农113’自然冷驯化(越冬期)和脱驯化过程中的CsHXK2基因表达情况的分析发现, CsHXK2基因在4个不同茶树品种内具有相似的表达模式, 且在‘龙井43’、‘浙农12’和‘浙农113’内的表达随着环境气温的降低(2017.12.18, 2018.01.12)[26]而显著下调, 并随着气温的升高(2018-03-27)而显著上调(图5-A)。室内4℃低温处理能显著降低茶树叶片内CsHXK2基因的表达量, 且随着处理时间的延长而逐渐降低; 而CsHXK2基因的表达水平随着处理温度恢复至25℃而快速上升至处理前表达量(图5-B)。表明CsHXK2基因的表达受到低温的抑制。

采用有伤接种的方式, 对‘龙井43’叶片进行针头刺伤后分别喷施ddH₂O和炭疽菌孢子悬浮液, 取样后检测CsHXK2基因的表达变化。由图5-C可知, 在刺伤喷洒ddH₂O和炭疽菌的叶片中, CsHXK2基因的表达均随着处理时间延长至24 h而显著下调; 在24 h时间点, 炭疽菌处理叶片内的CsHXK2基因表达量显著低于对照。表明CsHXK2基因响应炭疽菌生物胁迫侵染而抑制表达。

对盆栽‘龙井43’叶片分别喷洒ddH₂O和50 μmol L-1 GA₃, 处理后取样并进行CsHXK2基因表达分析。喷洒ddH₂O叶片内的CsHXK2基因表达无显著性变化; 而50 μmol L-1 GA₃处理的叶片内, CsHXK2基因表达量在第3天和第5天显著上升, 且显著高于同一时间点的对照(图5-D)。说明CsHXK2基因参与响应赤霉素信号转导途径。

茶树原产于热带及亚热带地区, 性喜温暖, 冬季低温和春季倒春寒是威胁茶叶生产的主要气候因素。处于温暖湿润的茶树叶片极易感染由炭疽菌而引发的茶炭疽病, 造成茶叶品质及产量降低。自然冷驯化低温条件下, 茶树叶片内可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖及果糖含量显著上升[30,31]。同样, 经炭疽菌侵染的植物叶片内总可溶性碳水化合物、蔗糖、己糖含量明显积累[32,33]。增加的可溶性糖, 包括葡萄糖和果糖, 既能参与细胞内碳和能量代谢, 又能作为信号分子而参与调控植物胁迫响应和生长发育[34]。本研究中, CsHXK2基因在低温及炭疽菌处理后叶片内的表达情况表明, 该基因响应低温及炭疽菌胁迫而表达显著下调(图5-A~C)。拟南芥AtHXK3基因响应低温、渗透和盐胁迫而在根系或嫩梢组织内表达降低[14]; 同样为type A类的麻风树JcHXK2基因, 在低温处理24 h的叶片内表达上调, 而在根系内表达下调[9]。因此, 感应低温和炭疽菌而表达抑制的CsHXK2基因是如何参与调节茶树适应外在刺激, 仍有待深入研究。

赤霉素(GA₃)作为一种植物激素, 参与调控多种生长发育过程。赤霉素信号途径与糖信号之间存在着紧密关联, 其中HXKs是激素与糖联系的一个关键元件。离体矮牵牛花冠内, GA₃对赤霉素诱导基因gip (gibberellin-induced gene)和查尔酮合成酶基因chs (chalcone synthase gene)表达的诱导受到葡萄糖的促进, 但这种葡萄糖引起的促进效果可以被HXK竞争性抑制剂甘露庚酮糖所完全摧毁, 表明HXKs参与的糖磷酸化相关信号转导与赤霉素信号相互作用, 进而诱导矮牵牛花冠发育过程中的基因表达和花青素积累[35]。阿洛糖作为葡萄糖的差向异构体, 能强烈抑制水稻赤霉素依赖性反应, 如第二叶鞘的伸长以及无胚半稻种子α-淀粉酶的诱导, 也能抑制具有赤霉素组成型响应表型的slr1水稻突变体的生长, 而这些抑制能被HXK抑制剂甘露庚酮糖所阻止, 表明阿洛糖通过HXK依赖途径抑制赤霉素信号传导[36]。本研究检测GA₃处理的茶树叶片内CsHXK2基因的表达发现, 该基因转录本在处理样品中有显著的诱导富集(图5-D)。表明茶树赤霉素信号途径和CsHXK2基因表达关系密切, 可能与HXK介导的糖信号途径共同调控茶树的生长发育与逆境胁迫响应有关。

本文的其它图/表

• 表1 引物信息
  
• 图1 茶树CsHXK2基因启动子扩增及序列
  A: CsHXK2启动子PCR扩增产物电泳图; B: CsHXK2启动子序列。
  
• 表2 茶树CsHXK2基因启动子的主要顺式作用元件
  
• 图2 茶树CsHXK2蛋白亚细胞定位
  A~C和H~K: 35S::sGFP; D~G: 35S::CsHXK2::sGFP; L~O: 35S::CsHXK2-cTP::sGFP。A, D, H, L: GFP绿色荧光信号; E: 叶绿素自发荧光; I, M: 细胞核RFP红色荧光信号; B, F, J, N: 明场; C, G, K, O: 信号融合。
  
• 图3 CsHXK2蛋白酵母功能互补验证
  A: ddH₂O; B: 2%半乳糖; C: 2%葡萄糖; D: 2%果糖; E: 酵母转化片段电泳检测。
  
• 图4 茶树CsHXK2基因的组织特异性表达模式
  A: 春季‘龙井43’不同组织; B: 秋季‘龙井43’不同组织; C: ‘舒茶早’不同组织。柱上标以不同字母表示数据间的显著性差异(P < 0.05)。