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转录组研究思路分享——非生物胁迫篇

发布时间:2022-1-18 13:52:17阅读次数: 分享到:

在自然界中,植物不断受到不利的非生物环境条件的挑战,例如干旱、高温、寒冷、营养缺乏以及土壤中过量的盐分或有毒金属。这些非生物胁迫限制了全球对耕地的利用,并对作物生产力产生了负面影响。因此,了解植物如何感知胁迫信号并适应不利的环境条件对于全球粮食安全至关重要。


转录组在非生物胁迫研究中运用十分普遍,虽然不同的胁迫机制存在差异,但运用转录组技术进行研究的思路普遍相似,关键在于探究抗性差异的调控机制,今天小编也分享几篇近期非生物胁迫方向的转录组研究。


01

油菜温度胁迫研究

文章题目:Transcriptional profiling reveals changes in gene regulation and signaling transduction pathways during temperature stress in wucai (Brassica campestris L.)

发表刊物:BMC Genomics

发表时间:2021年9月

研究内容:研究通过设立低温(LT)、高温(HT)和对照组,探究五彩油菜对温度的响应机制。根据转录组学研究,与对照组相比,HT和LT中差异表达基因的数量分别为10702和7267。为了进一步研究五彩油菜对温度反应的关键基因。对差异基因进行GO和KEGG注释,结果表明光合作用和光合作用天线蛋白途径在五彩油菜温度响应机制中十分重要。而且进一步发现,高温缓解极大地限制了光合作用途径中重要基因的表达,而低温会导致此途径某些关键基因表达上升。综上,五彩幼苗在低温条件下表现出比高温调节更好的光合性能。根据上述结果,研究推测在低温胁迫下,植物通过上调光合作用基因的表达从而得到更高的耐冷性。相反高温胁迫则抑制了关键基因的表达,削弱了植物的自我调节能力。

图1.LT和HT对五彩叶片光合作用天线蛋白基因影响


02

水稻干旱胁迫研究

文章题目:Variety-specific transcript accumulation during reproductive stage in drought stressed rice

发表刊物:Physiol Plant

发表时间:2021年10月

研究内容:对进行干旱处理的N22(耐旱)和IR64(干旱敏感)植物抽穗阶段组织(叶、花和根)进行转录组测序并比较分析。发现N22的差异表达基因数量几乎是IR64的两倍。许多差异表达基因与干旱相关的QTL中定位。这些QTL参与谷物的产量与耐旱性,也与耐旱性和关键的干旱相关植物性状有关。此外,差异基因的共表达分析揭示了几个已知参与干旱胁迫的关键基因。同时发现1366个差异基因在相似的干旱条件下,在两个水稻品种中表现出完全相反的调控模式。


这些品种特异性差异基因与1300多个基因发现相互作用。其中包括32个与其他品种特异性差异基因存在相互作用的基因。这些基因的启动子区域在两个水稻品种间也存在序列差异。这表明了转录调控差异对于植物发展耐旱性的重要性。基于序列的变异(启动子)可以部分解释独特的品种特异性转录行为。

图2.特定品种差异基因网络


03

水稻盐胁迫研究

文章题目:Transcriptional Changes in the Developing Rice Seeds Under Salt Stress Suggest Targets for Manipulating Seed Quality

发表刊物:Front Plant Sci

发表时间:2021年12月

研究内容:文章探究了盐胁迫下水稻种子质量的变化,与普通土地种植相比,在盐富集区域种植的粳稻Samgwang的种子中钠、镁、钾等矿物质积累大大增加,产量降低,抽穗延迟,粒重下降。因此,研究使用RNA-seq技术对在高盐土地和正常土地生长的发育中的种子进行了转录组分析。GO富集分析表明,上调基因与氨基酸、木质素、多糖和几丁质等生物分子的代谢以及应激反应密切相关。通过对代谢通路分析,上调基因参与脱落酸和褪黑激素的生物合成途径以及海藻糖、棉子糖和麦芽糖与生态胁迫的关系。在盐胁迫下发育中的种子上调的转录因子包括bHLH、MYB和热休克蛋白等,这些可以做为盐胁迫下种子质量调控的潜在目标。研究目的在为阐明盐胁迫下种子响应机制与种子质量下降之间的关系提供有用的参考,为盐胁迫下种子质量的改善提供潜在策略。

图3.高盐土地上生长的种子中差异基因GO富集分析


04

苜蓿碱胁迫研究

文章题目:Physiological and transcriptomic analyses reveal novel insights into the cultivar-specic response to alkaline stress in alfalfa (MedicagosativaL.)

发表刊物:Ecotox Environ Safe

发表时间:2021年11月

研究内容:研究使用了对碱性条件具有不同敏感性的两种紫花苜蓿品种进行了生理和转录组学分析。碱敏品种Algonquin(AG)经碱处理后叶绿素含量和地上部鲜重急剧下降,而耐碱品种Gongnong No.1(GN)保持相对稳定的生长和叶绿素内容。生理分析表明,与AG相比,GN的Ca/Mg离子含量较高;碱性条件下ca/Mg/Na离子、脯氨酸和可溶性糖的比值以及过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性降低。此外,转录组学分析确定两个品种之间的三类碱反应差异表达基因;48个基因在两个品种(CAR)中普遍诱导,574个基因来自耐受品种(TAR),493个基因来自敏感品种(SAR)。GO和KEGG分析表明,CAR基因主要参与苯丙烷类生物合成、脂质代谢以及DNA复制和修复;TAR基因在代谢途径、次生代谢物的合成、MAPK信号通路、黄酮类和氨基酸的生物合成富集;SAR基因特别富含维生素B6代谢。本研究为苜蓿耐碱机制研究提供了新见解。

图4.苜蓿响应碱胁迫的分子和生理机制


为了承受环境胁迫,植物进化出相互关联的调节途径,使它们能够及时响应和适应环境。非生物胁迫条件影响植物生理学的许多方面并引起细胞过程的广泛变化。而对非生物胁迫后植物抗性机制的的研究则对后续育种等具有巨大意义。对于胁迫研究往往以构建“逆境”环境,寻找“差异性状”,探究“差异变化”的形式进行,通常结合生理试验,以生理指标差异为源头进行植物抗逆研究,再运用转录组技术,在转录调控层面寻找抗逆的关键节点或基因再进行后续研究。

参考文献:

1.Yuan, Lingyun et al. “Transcriptional profiling reveals changes in gene regulation and signaling transduction pathways during temperature stress in wucai (Brassica campestris L.).” BMC genomics vol. 22,1 687. 22 Sep. 2021, doi:10.1186/s12864-021-07981-9

2.Gour, Pratibha et al. “Variety-specific transcript accumulation during reproductive stage in drought-stressed rice.” Physiologia plantarum, 10.1111/ppl.13585. 15 Oct. 2021, doi:10.1111/ppl.13585

3.Lee, Choonseok et al. “Transcriptional Changes in the Developing Rice Seeds Under Salt Stress Suggest Targets for Manipulating Seed Quality.” Frontiers in plant science vol. 12 748273. 8 Nov. 2021, doi:10.3389/fpls.2021.748273

4.Wei, Tian-Jiao et al. “Physiological and transcriptomic analyses reveal novel insights into the cultivar-specific response to alkaline stress in alfalfa (Medicago sativa L.).” Ecotoxicology and environmental safety, vol. 228 113017. 22 Nov. 2021, doi:10.1016/j.ecoenv.2021.113017




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