2024-10-21
一、研究背景 植物轉錄組不僅加深了我們對植物生長發育、逆境適應等基本生命過程的理解，也為改良作物品種提供了新的思路和技術支持。隨著技術的不斷進步和完善，未來植物領域還將取得更多突破性的成果。 （1）植物生長發育和代謝調控：轉錄組分析能夠揭示植物在不同發育階段和環境壓力下的基因表達動態變化，進而研究植物生長發育和代謝調控的分子機制。例如，通過分析花粉管發育過程中的轉錄組表達，可以揭示調控花粉管生長發育的分子調控機制。 （2）植物抗逆反應基因和分子機制：植物轉錄組學方法被證明是研究植物抗逆反應基因和分子機制的有效方法。通過對植物在條件脅迫下的轉錄組表達進行分析，可以篩選出大量的脅迫響應基因，并通過特定的生物信息學技術確定這些基因的功能。 （3）植物基因組倍性變化和適應性進化：轉錄組學技術也被用于研究植物基因組倍性變化和適應性進化。例如，通過整合高質量的基因組、轉錄組和群體基因組數據，分析了紅樹植物杯萼海桑所在支系的基因組進化軌跡，并提出了多倍化－重二倍化過程的框架模型，揭示全球氣候變化背景下的植物基因組倍性變化和適應性進化機制。 （4）單細胞轉錄組學：單細胞轉錄組技術已成為植物生物學中的強大工具，為單個細胞水平的基因表達提供高分辨率的見解。這項技術在植物發育和植物生物技術研究中具有巨大的潛力。 （5）轉錄組學技術的應用：轉錄組學技術在植物系統學中的應用也在不斷擴展，它能夠從整體水平上反映細胞或者組織中基因的表達情況及其調控規律，為植物系統學的研究提供了新的視角和工具。 綜上所述，植物轉錄組分析的研究背景廣泛，涉及植物生長發育、逆境響應、基因組進化、單細胞和空間轉錄組學等多個領域，這些研究不僅增進了我們對植物生物學的理解，也為農業生物技術的發展提供了重要的分子工具。
二、應用場景 （1）農業可持續發展：通過轉錄組分析，可以更好地理解植物對環境脅迫的響應機制，從而培育出更耐旱、耐鹽堿或抗病的作物品種，提高農業生產效率和可持續性。 （2）食品安全與營養：研究植物在不同條件下的基因表達變化，有助于優化栽培管理措施，提高作物的營養價值和口感，滿足人們對健康食品的需求。 （3）生物能源與工業原料：通過轉錄組分析，可以發現與生物質生產相關的基因，為開發新型生物能源和工業原料提供科學依據。 （4）生態保護與物種多樣性：轉錄組分析可以幫助研究人員了解野生植物種群的遺傳多樣性和適應性，為生態保護和物種多樣性保護提供科學支持。
三、植物轉錄組分析流程
四、植物轉錄組經典案例 案例一擬南芥lncRNA轉錄組助力揭示葉綠體轉錄-翻譯新機制 英文標題：AtNusG, a chloroplast nucleoid protein of bacterial origin linking chloroplast transcriptional and translational machineries, is required for proper chloroplast gene expression in Arabidopsis thaliana 發表期刊：Nucleic Acids Research 技術策略：RNA-Seq 客戶單位：上海師范大學 影響因子：16.6 物種樣本：擬南芥 圖1 技術路線 在大腸桿菌中，轉錄-翻譯耦合是由 NusG 介導的。雖然葉綠體是內共生原核生物的后代，但葉綠體中這種耦合的機制仍不清楚。在這里，我們報告了葉綠體中通過 AtNusG 實現轉錄-翻譯耦合的情況。AtNusG 定位于葉綠體核仁中，通過與葉綠體 PEP 復合物的重要成分 PAP9 相互作用，與葉綠體 PEP 復合物密切相關。它還與葉綠體核糖體結合，并與它們的兩個成分 PRPS5（uS5c）和 PRPS10（uS10c）相互作用。這些數據表明，葉綠體中的轉錄和翻譯機制是耦合的。在atnusg突變體中，葉綠體編碼的光合基因轉錄本（如psbA、psbB、psbC和psbD）的積累沒有明顯變化，但其蛋白質的積累明顯減少。葉綠體多聚體分析表明，這些蛋白質的減少是由于在該突變體中它們的翻譯效率降低，從而導致光合效率降低和對冷脅迫的敏感性增強。這些數據表明，葉綠體中 AtNusG 介導的轉錄和翻譯之間的耦合確保了植物生長光合能力的快速建立和對環境變化的響應。因此，研究揭示了葉綠體與大腸桿菌之間轉錄-翻譯耦合的保守機制，這或許代表了葉綠體基因表達的調控機制。這項研究為深入了解高等植物葉綠體基因表達的內在機制提供了啟示。 案例二基于轉錄組揭示嫁接誘導瓜茄中鎘含量降低的潛在機制 英文標題：Decreased cadmium content in Solanum melongena induced by grafting was related to glucosinolates synthesis 發表期刊：Science of the Total Environment 技術策略：RNA-Seq、靶向氨基酸代謝組 客戶單位：沈陽大學 影響因子：8.2 物種樣本：茄子（紫麗人，?托魯巴姆） 圖2 技術路線 嫁接是減少作物鎘積累的一種有效園藝方法。然而，嫁接導致接穗中鎘含量下降的機理仍不清楚。研究評估了嫁接對瓜果質量、產量和鎘含量的影響，并探討了嫁接降低接穗鎘含量的潛在機制。在低鎘污染土壤中，與未嫁接植株（UG）和自嫁接植株（SG）相比，間嫁接植株（EG）的果實產量增加了 38%，果實質量未受明顯影響。在EG中，總S和Cd含量的降低與有機酸和硫醇化合物無關。EG葉片和果實中總S和Cd含量的降低與葡萄糖苷酸鹽（GSL）的合成和運輸密切相關。葉片中編碼 GSL 合成的基因，如堿性螺旋-環-螺旋、髓鞘蛋白、乙酰-CoA、細胞色素 P450 和谷胱甘肽 S-轉移酶，均顯著下調。在EG葉片中，參與 GSL 合成的八種氨基酸中有五種的含量明顯下降（P < 0.05）。值得注意的是，EG莖、葉和果實中的GSL總量與總S和Cd呈顯著線性相關。總之，嫁接導致接穗中總S和Cd含量的減少與GSL密切相關。研究結果為安全利用受鎘污染的土壤、探索鎘在植物體內的長距離遷移以及培育低鎘積累作物提供了理論依據。
