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生物技术与组织培养

茶树花Cu/Zn-SOD酶活性及其基因表达分析

  • 王梦馨 ,
  • 吴国火 ,
  • 崔林 ,
  • 韩宝瑜 , *
展开
  • 中国计量大学生命科学学院/浙江省生物计量及检验检疫技术重点实验室,浙江杭州 310018
* 韩宝瑜(HAN Baoyu),E-mail:

王梦馨(1985—),女,讲师,研究方向:茶树生理生化与化学生态学。

收稿日期: 2019-05-19

  要求修回日期: 2019-10-16

  网络出版日期: 2020-07-30

基金资助

国家重点研究发展计划项目(2018YFC1604402)

浙江省基础公益研究计划项目(LGN18C160006)

浙江省自然科学基金项目(LY17C140002)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。

Enzyme Activity Characteristics and Expression of Cu/Zn-SOD Gene in Tea Flowers

  • WANG Mengxin ,
  • WU Guohuo ,
  • CUI Lin ,
  • HAN Baoyu , *
Expand
  • College of Life Sciences, China Metrology University / Zhejiang Provincial Key Laboratory of Biometrology and Inspection & Quarantine, Hangzhou, Zhejiang 310018, China
* HAN Baoyu,E-mail:

Received date: 2019-05-19

  Request revised date: 2019-10-16

  Online published: 2020-07-30

Copyright

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.

摘要

为研究Cu/Zn-SOD基因在茶树花不同发育阶段、不同品种间的表达规律以及Cu/Zn-SOD基因表达量与酶活性之间的关系,本研究将‘龙井43’品种茶树花分为4个发育阶段,选择15个品种的茶树花为研究对象,采用实时荧光定量PCR技术对3个Cu/Zn-SOD基因表达水平进行定量分析,同时测定Cu/Zn-SOD酶活性。结果表明:在茶树花的4个发育阶段中,第4阶段Cu/Zn-SOD酶活性最低,与其他3个阶段具有显著差异;不同品种的茶树花Cu/Zn-SOD酶活性有较大差异,其中‘紫鹃’茶树花Cu/Zn-SOD酶活性最高,其次是‘黄金芽’和‘白叶1号’,‘黄观音’的Cu/Zn-SOD酶活性最低。茶树花不同发育阶段中Cu/Zn-SOD基因表达水平存在较大差异,细胞质型Cu/Zn-SOD1基因表达水平远高于叶绿体型Cu/Zn-SOD2和过氧化物酶体Cu/Zn-SOD3;不同品种茶树花Cu/Zn-SOD基因表达水平有较大差异,Cu/Zn-SOD1基因在‘黄牡丹’茶树花中表达量最高,Cu/Zn-SOD2基因在‘白叶1号’和‘黄观音’茶树花中表达量最高,Cu/Zn-SOD3基因在‘紫鹃’茶树花中的表达量最高。相关性分析得知‘龙井43’茶树花不同发育阶段Cu/Zn-SOD酶活性与Cu/Zn-SOD基因表达量之间的相关性不明显,而不同品种茶树花的Cu/Zn-SOD酶活性与Cu/Zn-SOD3基因表达量存在显著相关性。本研究初步明确了Cu/Zn-SOD酶活性较高的茶树品种和茶树花适宜的采摘时间,为茶树花SOD进一步研究提供参考。

本文引用格式

王梦馨 , 吴国火 , 崔林 , 韩宝瑜 . 茶树花Cu/Zn-SOD酶活性及其基因表达分析[J]. 热带作物学报, 2020 , 41(6) : 1167 -1173 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.014

Abstract

In order to study the expression characteristics of Cu/Zn-SOD gene in the flowers within different developmental stages and various cultivars of tea plant flowers, and to discuss the correlationship between the expression of Cu/Zn-SOD gene and its enzyme activity, four developmental stages of cultivar ‘Longjing 43’ tea flower and 15 tea plant cultivars of fresh flowers were studied. The expression of three Cu/Zn-SOD genes was quantitatively analyzed by real-time fluorescent quantitative PCR techniques, and the enzyme activity of the three Cu/Zn-SOD was also determined simultaneously. The lowest Cu/Zn-SOD enzyme specific activity was found in the fourth stage, and the difference was significant when compared with the other developmental stages. The specific activity of Cu/Zn-SOD enzyme in different cultivars of tea flowers was significantly different. The Cu/Zn-SOD enzyme specific activity of ‘Zijuan’ tea flower was the highest, followed by ‘Huangjinya’ and ‘Baiye 1’. The activity of Cu/Zn-SOD enzyme of ‘Huangguanyin’ tea flower was the lowest. The expression level of Cu/Zn-SOD differed among the developmental stages, and the expression of cytoplasmic Cu/Zn-SOD1 gene was much higher than those of chloroplast type Cu/Zn-SOD2 and peroxisome Cu/Zn-SOD3. The expression of Cu/Zn-SOD in different cultivars was significantly different. Cu/Zn-SOD1 had the highest expression in cultivar ‘Huangmudan’ tea flower, Cu/Zn-SOD2 gene had the highest expression in cultivars ‘Baiye 1’ and ‘Huangguanyin’ tea flowers, and Cu/Zn-SOD3 gene had the highest expression in cultivar ‘Zijaun’ tea flowers. The result of correlation analysis showed that the specific activity of Cu/Zn-SOD had no correlation with Cu/Zn-SOD gene expression in different developmental stages of ‘Longjing 43’ tea flowers, but had considerable correlation with Cu/Zn-SOD3 gene expression in different tea cultivars. In this study, both tea cultivars and suitable plucking stage with high Cu/Zn-SOD activity were preliminarily expounded, which would provide references for the further research on SOD.

茶树花是茶树(Camellia sinensis (L.) O. Kuntze)的有性生殖器官[1],含有丰富的蛋白质、氨基酸、香精油、茶多糖、维生素等营养和功能成分及超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等活性物质[2,3,4,5,6],对人体具有解毒、降脂、降糖、保护肠胃、增强免疫力和抗氧化等功效[7,8]。2013年卫生部第1号文件批准茶树花为新资源食品,允许直接开发和利用。研究发现茶树花含有抗氧化活性物质,有较强抗氧化功能,可与抗氧化植物迷迭香相媲美[9],其中SOD酶起重要作用[10]。SOD酶是一种生物内源性抗氧化剂,可通过歧化作用清除体内超氧阴离子自由基,减轻对细胞的损伤,在维持细胞膜的结构和功能中起着十分关键的作用[11],其研究已深入到食品、医药、化妆品等领域,应用范围广泛。根据金属辅因子的不同SOD酶可分为3类,即Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD[12]。Cu/Zn-SOD酶是SOD结构的第一族,在SOD酶中比例最大,占SOD总量86%[13]。一般植物来源的SOD为Cu/Zn-SOD,包括细胞质型、叶绿体型及过氧化物酶体型3个类型[14],其在活性氧清除的酶系中尤为重要,与植物的抗寒、耐盐碱等多种抗逆性关系密切[15,16],且植物源SOD有利于人体吸收,使用安全性高,对社会和经济效益明显,市场前景广阔。目前有关茶树中超氧化物歧化酶的研究主要集中于SOD酶在逆境胁迫中的作用[17,18],对茶树花中超氧化物歧化酶的研究主要在SOD酶抗氧化、提取工艺方面[19,20],对SOD酶活及其基因表达的报道较少。
本研究采用实时荧光定量PCR技术,对上述3类Cu/Zn-SOD基因在‘龙井43’品种茶树花不同发育阶段中和15个栽培品种茶树花表达水平做定量分析,同时测定Cu/Zn-SOD酶活性,以探明3类Cu/Zn-SOD基因在茶树花不同发育阶段之间、茶树品种之间的表达差异,解析Cu/Zn-SOD基因表达水平与Cu/Zn-SOD酶活性之间的关系,以初步明确茶树花适宜采摘时间和Cu/Zn-SOD基因表达量高的茶树花品种,为茶树花SOD酶的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

2017年11月于中国计量大学试验茶园(30°19°29.90'' N,120°21°19.16'' E,海拔11 m)中,参照刘晶晶等[21]方法采摘5年生的‘龙井43’品种茶树上4个不同发育阶段的花(第1阶段:花瓣露白,第2阶段:花瓣初绽,第3阶段:完全绽放,第4阶段:花瓣开败)以及另外14个国家级茶树良种5年生茶树上第3阶段的花(图1)。液氮速冻后,置于-80 ℃冰箱中保存备用。
图1 不同发育阶段的茶树花

Fig. 1 Tea flowers in four developmental stages

15个茶树品种的样品编号如下:1.‘龙井43’;2.‘平阳特早’;3.‘中茶108’;4.‘中茶102’;5.‘白叶1号’;6.‘嘉茗1号’;7.‘鸠坑早’;8.‘茂绿’;9.‘黄金芽’;10.‘铁观音’;11.‘金观音’;12.‘黄观音’;13.‘紫牡丹’;14.‘黄牡丹’;15.‘紫鹃’。

1.2 方法

1.2.1 Cu/Zn-SOD酶活性的测定 准确称取样品0.25 g,加入1 mL预冷的匀浆介质(pH 7.4,0.01 mol/L Tris-HCl,0.0001 mol/L EDTA-2Na,0.01 mol/L蔗糖,0.8% NaCl),冰浴条件下进行匀浆,制成20%的匀浆液,3500 r/min,离心10 min,取上清液待测。采用南京建成生物工程研究所提供的黄嘌呤氧化酶法(植物铜锌超氧化物歧化酶测试盒A001-4)测定样品Cu/Zn-SOD酶活性。每毫克植物组织蛋白在1 mL反应液中SOD抑制率达50%时所对应的SOD量定义为1个SOD活力单位(U)。
1.2.2 总RNA提取及cDNA合成 参照天根RNAprep Pure Plant Plus Kit试剂盒操作方法提取各样品总RNA,测得RNA浓度及A260/A280值在1.8~2.0之间。RNA的完整性通过1%琼脂糖凝胶电泳检测,提取的总RNA有明显的28S和18S两条带,亮度比例大致为2:1左右,且无拖尾现象,说明所提取的总RNA完整。按照PrimSctiptTM RT Reagent Kit (Perfect Real Time) 操作方法,将各样品总RNA反转录合成cDNA第1链。获得的cDNA产物直接用于PCR或-20 ℃贮藏备用。
1.2.3 实时荧光定量PCR分析 以反转录产物为模板,用基因专一性引物[22]表1)进行相关基因的荧光定量分析。实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,qRT-PCR)选取GAPDH作为内参基因[23]进行校正。qRT-PCR方法参照SYBR Premix Ex TaqTM(TaKaRa)试剂盒。总体系20 μL﹕10 μL SYBR Premix Ex Taq(2×)、10 µmol/L上引物和下引物各0.4 µL、ROX Reference Dye(50×)0.4 µL、2 µL cDNA、加无菌水补足至20 µL。反应在荧光定量PCR仪(ABI stepone plus)上进行。扩增程序为:95 ℃预变性1 min;95 ℃变性15 s, 58 ℃退火25 s,共45个循环,最后从55~95 ℃记录溶解曲线。通过分析溶解曲线,确定扩增产物为单一PCR产物。样品和内参分别重复3次。采用2-ΔΔCt方法进行基因表达水平分析。
表1 用于基因表达分析的引物序列

Tab. 1 Primer sequences for expression analysis of target genes

基因Gene NCBI登录号
Accession in NCBI
引物Primer 序列Sequences
Cu/Zn-SOD1 KR078346 CSD1-F ATGCTGGTGGAAGGATTG
CSD1-R ATCCCAAGTCTCAACCAAT
Cu/Zn-SOD2 KR078347 CSD2-F ACGAACTTAGCCTTTCCACT
CSD2-R CAAGCAAGTCACTAGTACACAG
Cu/Zn-SOD3 KR819175 CSD3-F AGGTGCAAGAGTCGGATGT
CSD3-R AGCGAGATGATATGAGGGTT
GAPDH GE651107 GAPDH-F TTGGCATCGTTGAGGGTCT
GAPDH-R CAGTGGGAACACGGAAAGC

1.3 数据处理

采用DPS数据分析软件对试验数据做统计分析,利用Duncan’s 新复极差法进行显著性分析;采用SPSS 22.0统计分析软件进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 ‘龙井43’茶树花的4个发育阶段及不同品种茶树花Cu/Zn-SOD酶活性的差异分析

在‘龙井43’茶树花的4个发育阶段中,Cu/Zn-SOD酶活性具有差异(图2)。随着茶树花的逐渐发育,Cu/Zn-SOD酶活性呈下降趋势。Cu/Zn-SOD酶活性由高到低顺序依次为:第1阶段>第3阶段>第2阶段>第4阶段。第1阶段Cu/Zn-SOD酶活性最高,显著高于第4阶段(P< 0.05),但与第2、第3阶段酶活性差异不显著。
图2 ‘龙井43’茶树花4个发育阶段Cu/Zn-SOD酶活性

Fig. 2 Specific activity of Cu/Zn-SOD in different developmental stages of ‘Longjing 43’ tea flower

对15个茶树品种茶树花第3发育阶段的酶活性测定中,发现:‘紫鹃’(编号15)和‘黄金芽’(编号9)茶树花Cu/Zn-SOD酶活性最高,显著高于其他品种茶树花(P<0.05)。其次是‘白叶1号’(编号5)、‘中茶108’(编号3)和‘龙井43’(编号1)。‘黄观音’(编号12)茶树花酶活性最低,‘紫鹃’酶活性是‘黄观音’的2.3倍左右(图3)。
图3 15个茶树品种茶树花Cu/Zn-SOD酶活性差异

图中标记的不同小写字母表示不同品种在0.05水平存显著性差异。

Fig. 3 Difference in activity of Cu/Zn-SOD in tea flowers of fifteen tea plants cultivars

Different lowercase letters represent significant difference among different cultivars at 0.05 level.

2.2 ‘龙井43’茶树花Cu/Zn-SOD基因表达的变化

在‘龙井43’品种茶树花的4个发育阶段中,选择第3发育阶段3个Cu/Zn-SOD基因的表达水平为对照,即1个标准单位,据此分别计算3个Cu/Zn-SOD基因在其他3个发育阶段的相对表达水平。结果发现每个Cu/Zn-SOD基因在‘龙井43’茶树花的4个不同发育阶段的表达水平都有较大差别(图4)。其中,Cu/Zn-SOD1基因的表达水平随着茶树花的发育而上调,在第4阶段达到最大值,显著高于其他阶段(P<0.05),是对照的1.2倍左右;Cu/Zn-SOD2基因表达水平呈先下降、后上升、再下降的趋势,在第3阶段达到最大值;Cu/Zn- SOD3基因表达水平呈先上升、后下降的趋势,在第2阶段达到最大值,是对照的1.2倍左右。
图4 ‘龙井43’茶树花4个发育阶段中Cu/Zn-SOD基因的表达水平

图中标记的不同小写字母表示阶段间在0.05水平存在显著性差异。

Fig. 4 Expression analysis of Cu/Zn-SOD genes in four developmental stages of ‘Longjing43’ tea flowers

Different lowercase letters represent significant difference among stages at 0.05 level.

分析3个Cu/Zn-SOD基因之间在‘龙井43’茶树花的4个发育阶段中的表达差异:在各个发育阶段中分别选用Cu/Zn-SOD1基因的表达水平为对照,即1个标准单位,据此计算Cu/Zn-SOD2Cu/Zn-SOD3基因在第1、2、3、4发育阶段的相对表达水平(图5),发现‘龙井43’茶树花的4个发育阶段中Cu/Zn-SOD1基因表达水平最高,均显著高于其他2个基因(P<0.05);在茶树花第1发育阶段,Cu/Zn-SOD1基因表达水平是Cu/Zn- SOD2基因表达水平的8倍左右,是Cu/Zn-SOD3基因的30倍以上;在茶树花的第2发育阶段,Cu/Zn-SOD1表达水平是Cu/Zn-SOD2的18倍,是Cu/Zn-SOD3的30倍;在茶树花的第3发育阶段,Cu/Zn-SOD1表达水平是Cu/Zn-SOD2Cu/Zn- SOD3的30倍以上,Cu/Zn-SOD2的是Cu/Zn-SOD3的1.4倍左右;在茶树花的第4发育阶段,Cu/Zn- SOD1的是Cu/Zn-SOD2的40倍,是Cu/Zn-SOD3的80倍以上。
图5 ‘龙井43’茶树花4个发育阶段中3个Cu/Zn-SOD基因表达水平

图中标记的不同小写字母表示同一阶段不同基因间在0.05水平存在显著性差异。

Fig. 5 Expression levels of three Cu/Zn-SOD genes in four developmental stages of ‘Longjing43’ tea flowers

Different lowercase letters represent significant difference among different genes at the same stages at 0.05 level.

2.3 不同品种茶树花Cu/Zn-SOD基因的表达差异分析

在15个茶树品种的茶树花发育的第3阶段中,Cu/Zn-SOD基因的表达水平存在明显差异(图6)。分别以‘龙井43’茶树花的3个Cu/Zn-SOD基因的表达水平作为对照。结果显示,Cu/Zn- SOD1基因在‘黄牡丹’(编号14)茶树花中表达量最高,是对照的2.4倍左右,与其他品种差异显著(P<0.05)。其次为‘鸠坑早’(编号7)和‘紫鹃’(编号15),皆显著高于其他品种茶树花(P<0.05),而在‘金观音’(编号11)中表达量最低。Cu/Zn-SOD2基因在‘白叶1号’(编号5)、‘黄观音’(编号12)和‘龙井43’(对照,编号1)茶树花中表达量最高,‘金观音’(编号11)和‘中茶108’(编号3)表达量最低。Cu/Zn-SOD3基因在‘紫鹃’(编号15)茶树花中表达量最高,是对照的2倍左右,其次为‘黄金芽’‘白叶1号’‘紫牡丹’‘金观音’等,其中‘平阳特早’(编号2)表达量最低。
图6 15个茶树品种茶树花3类Cu/Zn-SOD基因表达水平的差异

图中标记的不同小写字母表示不同品种在0.05水平存在显著性差异。

Fig. 6 Difference in expression levels of three kinds of Cu/Zn-SOD genes in tea flowers of fifteen cultivars of tea plants

Different lowercase letters represent significant differences among different cultivars at 0.05 level.

2.4 茶树花Cu/Zn-SOD酶活性与基因表达水平的相关性

对15个品种茶树花中每个Cu/Zn-SOD基因表达水平与Cu/Zn-SOD酶活性之间关联度进行相关性分析,发现Cu/Zn-SOD3基因的表达水平与Cu/Zn-SOD酶活性呈显著性相关性(P<0.05),其他2个Cu/Zn-SOD基因的表达水平与Cu/Zn-SOD酶活性的相关系数均未达到显著性水平(表2)。分析‘龙井43’茶树花整个发育阶段(第1~4阶段)每个Cu/Zn-SOD基因表达量与Cu/Zn-SOD酶活性之间关联度(表3),相关系数均未达到显著性水平。
表2 15个品种茶树花第3发育阶段每个Cu/Zn-SOD基因表达量与Cu/Zn-SOD酶活性的相关性

Tab. 2 Correlation between the expression of each Cu/Zn- SOD gene and Cu/Zn-SOD activity within the third developmental stage in tea flowers of fifteen tea cultivars

基因
Genes
相关系数
Correlation coefficient
显著性水平
Significance level
Cu/Zn-SOD1 0.035 P>0.05
Cu/Zn-SOD2 0.185 P>0.05
Cu/Zn-SOD3 0.555 P<0.05
表3 ‘龙井43’茶树花整个发育阶段每个Cu/Zn-SOD基因表达量与Cu/Zn-SOD酶活性的相关性

Tab. 3 Correlation between expression of every Cu/Zn- SOD gene with Cu/Zn-SOD activity in whole developmental stages of ‘Longjing 43’ tea flowers

基因
Genes
相关系数
Correlation coefficient
显著性水平
Significance level
Cu/Zn-SOD1 -0.789 P>0.05
Cu/Zn-SOD2 0.702 P>0.05
Cu/Zn-SOD3 -0.177 P>0.05

3 讨论

超氧化物歧化酶(SOD)是植物体内清除活性氧的关键酶,在化妆品、食品、药品等领域应用较广,尤其是化妆品领域需求量非常大,全球年需求量约10万亿酶单位。目前开发的SOD产品大部分是动物源,但动物源不可避免出现交叉感染和过敏性反应等,开发植物源SOD则显得尤为重要。茶树花作为茶树重要的生殖器官,在我国茶园茶树花鲜花年产量达900万t,长期以来被视为无用的副产品,资源浪费严重。茶树花中SOD活性较高,耐热性较好,取材便利、成本低。研究茶树花SOD酶,不仅可提高茶树花的整体利用率,还为SOD提取找到新资源,为产品开发开辟新领域,具有一定的经济价值。
Cu/Zn-SOD是植物体内3种超氧化物歧化酶中分布最广、稳定性最强的同工酶[24],植物受到外界胁迫时,Cu/Zn-SOD可消除活性氧带来的伤害,在植物抗逆、抗氧化伤害中具有重要作用[25,26,27,28]。除了与植物抗逆性相关外,还在其他领域应用广泛,比如在化妆品领域可有效延缓皮肤衰老等问题,食品领域可作为保鲜剂、防腐剂等,医药领域可有效防止肿瘤的恶性发展。
通过对茶树花Cu/Zn-SOD酶活性检测发现,在‘龙井43’茶树花的不同发育阶段中,第1阶段茶树花Cu/Zn-SOD酶活性最高,这与翁蔚等[20]的研究结果一致,但与第2、3阶段差异不显著。不同品种茶树花Cu/Zn-SOD酶活性存在显著差异,‘紫鹃’‘黄金芽’‘白叶1号’‘中茶108’和‘龙井43’5个品种茶树花Cu/Zn-SOD酶活性较高;进一步研究Cu/Zn-SOD基因的表达情况,发现细胞质型Cu/Zn-SOD1基因的表达水平远高于叶绿体型Cu/Zn-SOD2及过氧化物酶体Cu/Zn- SOD3;Cu/Zn-SOD1基因在‘黄牡丹’茶树花中的表达量最高,Cu/Zn-SOD2基因在‘白叶1号’及‘黄观音’茶树花中的表达量最高,Cu/Zn-SOD3基因在‘紫鹃’茶树花中的表达量最高,并且3个Cu/Zn-SOD基因在茶树花第3阶段均有相对较高的表达。统计分析发现茶树花在不同品种中Cu/Zn-SOD酶活性与Cu/Zn-SOD3基因表达呈显著相关,猜测可能在茶树花绽放期,不同品种茶树花的Cu/Zn-SOD酶活性高低受Cu/Zn-SOD3基因的影响。茶树盛花期一般为每年10-11月,温度较低,有研究发现茶树Cu/Zn-SOD3在低温程度下发挥重要作用[22]。而茶树花不同发育阶段的酶活性与基因表达之间并无直接的相关性,可能的原因是植物SOD基因的表达调控包括转录调控、转录后水平调控和翻译调控,导致从基因表达到酶活性中间有很多过程,如SOD基因的mRNA在翻译成蛋白的过程中有microRNA调节、蛋白质受到翻译后修饰以及SOD酶的活性表现等。针对茶树Cu/Zn-SOD1Cu/Zn-SOD2Cu/Zn-SOD3基因的内含子长度差异分析,推测Cu/Zn-SOD1Cu/Zn-SOD3基因可能有利于茶树在各种复杂环境下产生多种mRNA转录本,编码多种不同功能的蛋白质以适应各种生长发育阶段和环境状况[22]。酶活性受环境影响也较大,研究发现茶树Cu/Zn-SOD3为碱性蛋白,Cu/Zn-SOD1和Cu/Zn-SOD2为酸性蛋白[22]。而在进行茶树Cu/Zn-SOD酶活性测定时以植物正常生理pH缓冲液进行,可能pH会影响酶活性的准确性。这些因素都有可能造成基因表达量与酶活性之间的差异。
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