2020-08-04
發表期刊：International Journal of Molecular Sciences
影響因子：4.556
派森諾生物與西南大學合作，于2020年7月16日在《International Journal of Molecular Sciences》上再發新作！
該文章從轉錄組學、蛋白質組學和激素分析等多個層面，揭示了參與枇杷花發育的關鍵差異表達基因和代謝途徑。
枇杷是薔薇科重要的熱帶和亞熱帶果樹樹種，在中國、日本、西班牙等許多國家被廣泛種植。其生殖發育是一個不受冬季休眠干擾的連續過程，幾乎所有生長在枇杷樹上的枝都是開花的枝，而圓錐花序的數量幾乎每年保持不變。因此，研究枇杷花發育的調控機制有助于更好地了解薔薇科植物的開花過程。本研究從花芽分化(FBD)、花芽伸長(FBE)和花開花(FA)三個方面，使用轉錄組和蛋白質組測序，通過對一些關鍵的DEGs、代謝途徑和內源激素的分析，揭示了關鍵的開花基因和代謝途徑。為進一步闡明枇杷和其他薔薇科植物的花發育機制提供了豐富的序列資源。
1、花發育的形態學特征
為了描述花的發育，作者評估了花發育過程中的形態變化，將枇杷的形態學變化分為了九個階段（S1-S9）。
圖1 枇杷花發育形態的變化。(S1)植物頂端。(S2)花分生組織的產生和花芽的分化。(S3)花芽快速分化。(S4)圓錐花序伸長。(S5)花芽伸長，可見花芽。(S6)在圓錐花序中分枝的伸長。(S7)花蕾的白色花冠。(S8)花開花和盛開。(S9)花瓣下跌。
2、轉錄組測序結果，注釋以及DEGs分析
為了評估在不同發育階段的基因表達量變化，對三個時期的轉錄表達情況進行兩兩比較（圖2）。在FBE vs FBD比較組中檢測到7409個上調基因，1805個下調基因。FA vs FBE比較組中有4406個上調基因和6662個下調基因。FA vs FBD比較組中發現8055個上調基因和5766個下調基因。其中，在FBE vs FBD和FA vs FBE比較組中取交集共有730個上調DEGs和866個下調DEGs (圖2B,C)。
圖2 FBD、FBE和FA的花發育階段變化的DEGs比較。
作者在KEGG通路富集分析的基礎上對這些DEGs進行了分類（圖3），結果顯示，FBE與FBD的DEGs主要富集于碳代謝(37)、植物激素信號轉導(33)和苯丙烷生物合成(28)。FA和FBE的DEGs主要參與植物激素信號轉導(54)、淀粉和蔗糖代謝(53)和苯丙類生物合成(49)。FA和FBE的DEGs主要是植物激素信號轉導(72)、淀粉和蔗糖代謝(60)以及苯丙烷生物合成(48)。
圖3 DEGs在KEGG數據庫的富集分析。（A）FBE vs FBD（B）Fa vs FBE
3、參與激素信號轉導通路的關鍵差異表達基因(DEGs)分析
激素信號轉導的轉錄水平顯示，DEGs參與了枇杷花發育三個階段的生長素、赤霉素(GA)、細胞分裂素(cytokinin)、乙烯、脫落酸(ABA)、茉莉酸(茉莉酸)和水楊酸(SA)的信號通路(圖4和圖5)。根據表達水平的變化分別確定了其對應信號通路的關鍵基因。
圖4在枇杷花發育的三個階段，涉及生長素、赤霉素(GA)和細胞分裂素信號代謝途徑的DEGs表達水平的變化
圖5參與乙烯、脫落酸(ABA)、茉莉酸(JA)和水楊酸(SA)信號通路的DEGs表達水平的變化
4、與花期通路相關的基因及轉錄因子的鑒定
轉錄因子（TFs）在植物的生物過程中發揮著非常重要的作用，特別是在花器官發育過程中。花發育過程中涉及的花相關通路，花整合子因子，花分生組織特性和花器官發育中的基因表達變化如圖6所示。
圖6 （A）參與開花相關途徑的DEG表達水平變化。（B）編碼SPL的DEG表達水平變化。（C）涉及花整合子，花分生組織特性以及花器官特異性DEG的表達水平變化。
5、差異積累蛋白(DAPs)的蛋白質組學分析與鑒定
共有32,655個光譜匹配到不同的肽段，最終在FBD、FBE和FA階段共鑒定出8853個蛋白。基于GO數據庫，作者將鑒定出的蛋白分為細胞成分（CC）、分子功能（MF）和生物學過程（BP）三大類（圖7）。
圖7 鑒定蛋白GO富集分析
6、蛋白水平與轉錄水平之間的關鍵交叉基因
在FBE vs FBD，FA vs FBE和FA vs FBD比較組中，蛋白質組和轉錄組之間的相關系數R值分別為0.3759、0.3364和0.4138，但DAP和DEG之間的相關系數R值分別為0.8514、0.7742和0.8178（圖8）。
圖8 蛋白質組和轉錄組的相關性
在FBE vs FBD，FA vs FBE和FA vs FBD比較組中，蛋白質組和轉錄組聯合富集分析如下圖所示。紅色箭頭標記淀粉和蔗糖的代謝途徑。
圖9 蛋白質組和轉錄組聯合富集分析（A）FBE vs FBD（B）FA vs FBE（C）FA vs FBD
7、關鍵基因qRT-PCR驗證
為了驗證RNA-Seq數據的可靠性，作者從DEGs中隨機抽取共12個花發育相關的unigenes，使用qRT-PCR進行驗證。這些DEGs與開花相關基因和植物激素信號轉導的信號傳導途徑相關。結果顯示，qRT-PCR與RNA-Seq變化趨勢相同(圖10)。
圖10 花發育相關基因表達的qRT-PCR驗證
8、內源性GA3， ZT和ABA濃度的測量
作者在FBD，FBE和FA階段進一步檢測了GA3，ZT和ABA的濃度（圖11）。結果表明，內源激素濃度變化與激素信號轉導途徑相關基因的表達水平之間存在高度相關性。
圖11 花發育過程中GA3，ZT和ABA濃度的變化。
文章小結
綜上所述，作者的研究結果提供了一些DEGs，這些DEGs主要與開花基因相關并參與植物開花過程中植物激素信號轉導以及淀粉和蔗糖代謝的途徑。并從轉錄組學、蛋白質組學和激素分析等多個層面聯合分析證實了結果的可靠性。這些確定的關鍵基因，激素信號轉導以及淀粉和蔗糖代謝途徑增強了我們對枇杷和其他薔薇科植物花卉發育復雜調控網絡的了解。
原文索引：
Danlong Jing , Weiwei Chen, Ruoqian Hu et al., An Integrative Analysis of Transcriptome, Proteome and Hormones Reveals Key Di erentially Expressed Genes and Metabolic Pathways Involved in Flower Development in Loquat. [J] International Journal of Molecular Sciences. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21(14), 5107; https://doi.org/10.3390/ijms21145107
本研究的轉錄組部分的測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章鏈接：
https://www.mdpi.com/1422-0067/21/14/5107
