【Int. J. Mol. Sci.】黄瓜液泡转化酶基因CsVI1参与对低温胁迫的响应和己糖积累

文章信息

题目：Functional Characterization of a Cucumber (Cucumis sativus L.) Vacuolar Invertase, CsVI1, Involved in Hexose Accumulation and Response to Low Temperature Stress

刊名：International Journal of Molecular Sciences

作者：Zili Feng, Hongbo Zhao

单位：South China Agricultural University

Published date: 29 August 2021‍

摘要

黄瓜（Cucumis sativus L.）是一种重要的蔬菜作物，在幼苗期尤其易受低温胁迫。液泡转化酶(VI)在植物对非生物胁迫的反应中起着非常重要作用。然而，VI在黄瓜中发挥作用的分子和生化机制至今尚未完全阐明，VI对低温胁迫的响应及其在黄瓜幼苗耐寒中的作用也有待探索。本研究发现，低温胁迫下黄瓜幼苗根部己糖积累与观察到的蔗糖酶活性增强密切相关。研究者们对黄瓜中液泡转化酶(VI)基因的全基因组搜索确定了候选VI编码基因CsVI1。CsVI1的表达谱表明它主要在黄瓜幼苗的幼根中表达。此外，转录分析表明，CsVI1表达可以响应低温胁迫。从酵母和本氏烟草叶子中纯化的重组CsVI1蛋白可以将蔗糖水解成己糖。此外，CsVI1的过表达在黄瓜植物中可以增加其己糖含量并提高其低温耐受性。最后，发现一种假定的黄瓜转化酶抑制剂可以与CsVI1形成复合物。这些结果证实了CsVI1作为一种酸性转化酶参与己糖积累并对黄瓜幼苗的低温胁迫作出反应。

技术路线

主要结果

3.1 低温对黄瓜幼苗根中转化酶的影响

为分析低温胁迫对幼苗的影响，对两叶期黄瓜幼苗根部的蔗糖酶活性进行了测定。在正常条件下，液泡转化酶和细胞壁转化酶的活性从0到72小时没有显着变化（图 1a，b）。此外，低温不影响细胞壁转化酶活性（图1b）。相比之下，在低温胁迫处理24小时后，黄瓜幼苗根部的蔗糖酶活性随着时间的推移变得更加显着（图 1a）。

为了揭示低温诱导的蔗糖酶活性是否影响蔗糖代谢，在低温胁迫和对照条件下测量了黄瓜幼苗根部的蔗糖和己糖（葡萄糖和果糖）含量（图 2）。正常情况下，蔗糖和己糖含量波动幅度较小（图2）。然而，低温胁迫在 48 至 72 小时内显著诱导了蔗糖积累（图 2a）。同时，己糖积累显着增加（图2b，c）。这些结果表明蔗糖和己糖积累与转化酶活性密切相关。

3.2 全基因组检索编码黄瓜液泡转化酶的基因

使用来自拟南芥和玉米的报道的VI编码基因作为查询进行黄瓜基因组BLAST。去除冗余序列后，选择了三个候选VI编码基因，命名为CsVI1 (Csa5G160230.1)、CsVI2 (Csa5G174590.1) 和CsVI3(Csa2G351670.1)。使用GSDS对其外显子/内含子基因结构的分析和比较表明，这些基因中的每一个都包含6个外显子和5个内含子（图 3a）。对其染色体定位的分析表明，CsVI1和CsVI2位于5号染色体上，而CsVI3位于2号染色体上（图3b）。使用 Pfam和 MEME鉴定CsVI蛋白序列中的保守基序。MEME在所有三个CsVI中检测到九个保守基序，并且仅在CsVI1和CsVI2中发现另一个保守基序（图3c）。

3.3 黄瓜苗中CsVIs的表达谱分析

为了探究黄瓜CsVI是否以组织特异性方式表达，分析了不同黄瓜幼苗组织的转录组数据，并将结果显示为热图（图 4）。CsVI1主要在根中表达，尤其是在黄瓜幼根中（图4a）；CsVI2主要在幼根和幼叶中表达（图4a）；CsVI3主要在叶片中表达，尤其是在老叶中（图4a）。通过qPCR对这些基因表达的进一步分析表明，CsVI1在黄瓜幼苗的根、茎和叶中均可检测到表达，并且CsVI1的高表达在幼根中占优势（图4b）。CsVI2在整个幼苗中都可以检测到表达，但在幼叶和幼根等幼嫩组织中的表达尤其强烈（图4c）。根据这些结果，研究者们假设CsVI1和CsVI2的表达可能通过调节黄瓜幼根的生长来帮助它们适应多变的环境。此外，qPCR表明CsVI3几乎没有在黄瓜幼苗组织中表达，这表明该基因在黄瓜生长发育过程中可能表现出其他时空表达模式。

3.4 CsVI1的表达量与低温胁迫显著相关

低温处理下，CsVI1转录本丰度显着增加（图5a），而热处理下CsVI1转录本丰度略有下降（图5b）。根据CsVI1表达的结果，冷处理还特异地增强了INV的活性（图 1a），但不增强CWI的活性（图1b）。低温和热处理都没有显着调节CsVI2的转录本（图 5 c，d）。这些结果表明CsVI1转录本丰度与黄瓜幼苗根部的低温响应特别相关。

3.5 CsVI1的过表达可提高黄瓜幼苗根系己糖含量和耐低温性

为了分析CsVI1在低温胁迫下的作用，开发了三个独立的携带CsVI1过表达的黄瓜转基因系。表型分析表明，与野生型幼苗根系相比，CsVI1过表达系在黄瓜幼苗中表现出增强的低温耐受性，特别是反映在改善根的生长（图10a）、增加的液泡转化酶活性（图10b）和更高的己糖含量（图10e、f) 。然而，过表达的黄瓜幼苗根部的细胞壁转化酶活性（图 10c）和蔗糖含量（图 10d）没有显着变化。

结论

总之，这些结果证实了CsVI1作为一种酸性转化酶参与己糖积累并对黄瓜幼苗的低温胁迫作出反应。

获取原文

原文链接：

https://www.mdpi.com/1422-0067/22/17/9365/htm

补充材料：

https://www.mdpi.com/article/10.3390/ijms22179365/s1

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