2021-07-27
期刊：Frontiers in Plant Science
影響因子：5.753
文章題目：H2S Regulation of Metabolism in Cucumber in Response to Salt-Stress Through Transcriptome and Proteome Analysis.
涉及技術手段：RNA-seq
合作單位：陜西理工大學
研究背景
土壤鹽漬化正逐漸對世界農業造成嚴重威脅，土壤鹽分過高不僅影響植物的生長發育，還會引起嚴重的滲透脅迫、鈉離子和氯離子毒性以及氧化損傷。硫化氫(H2S)是一種存在于植物組織和細胞中的小氣體分子，具有生理和信號傳導雙重功能，其在植物種子萌發、生長發育和脅迫適應等方面起著重要作用。前期研究表明，外源施用NaHS作為H2S的供體，能夠通過保持Na+/K+ 平衡以及調節H2S代謝和氧化應激反應來改善鹽脅迫引起的生長抑制。
黃瓜（Cucumis sativus L.，2n = 2x = 14）是一類廣泛栽培的葫蘆科植物，是研究韌皮部特征、棉子糖家族寡糖（RFO）代謝和性別鑒定的模式種。目前有關H2S調控黃瓜耐鹽性的報道主要集中在形態、生理和生化方面，而對H2S調控黃瓜耐鹽性的轉錄組和蛋白質組水平的分子機制知之甚少。本研究采用RNA測序和2-DE綜合分析方法，首次將轉錄組和蛋白質組學結合起來分析探討H2S調控黃瓜耐鹽性的整體機制。本研究有助于鑒定耐鹽相關基因，尤其是響應H2S調控的基因。
研究思路
研究結果！
1、實驗材料處理
選擇長出真葉的健康黃瓜幼苗，分成3組進行以下處理：第1組施加營養液作為對照組（C），第2組施加營養液+200 mM NaCl作為鹽脅迫處理組（S），第3組施加營養液+200 mM NaCl+150 μM NaHS作為鹽脅迫后經H2S處理組（H2S）。
2、轉錄組測序結果以及DEGs分析
通過主成分分析（PCA）確定C、S、H2S處理后黃瓜葉片樣品基因表達的相似性（圖1A）。與鹽處理組相比，對照組和H2S組樣品中表達的基因更接近，表明鹽脅迫使基因表達發生了顯著變化，H2S可能在轉錄水平上緩解了部分基因表達的變化。同時對三個組中基因表達情況進行兩兩比較（圖1B），在SvsC比較組中有2629個上調基因和2313個下調基因，在H2SvsS比較組中有741個上調基因和1610個下調基因，在H2SvsC比較組中檢測到2047個上調基因和2421個下調基因。在11761個差異基因中，有1124個是C組特有的，366個基因是S組特有的，734個基因是H2S組特有的，三個組中共有的差異基因有519個（圖1C）。
圖1 黃瓜葉片C、S、H2S組中DEGs的鑒定與分析
3、差異表達基因的GO和KEGG富集分析
對基因注釋后，進行差異表達基因的GO富集分析（圖2）。同時，將DEGs與已知的代謝和信號通路進行比較，來確定響應鹽脅迫和H2S改良的通路（圖3）。結果表明，在鹽脅迫下，光合作用、碳代謝和氨基酸生物合成等初級代謝和能量代謝相關基因的表達明顯增加，而H2S的添加顯著降低了差異基因的數量，但富集了與植物-病原互作、含硫代謝、細胞防御和信號轉導相關的差異基因。
圖2 GO分類柱狀圖
圖3 DEGs的KEGG通路富集分析
注：A：3個比較組中的共有途徑；B：3個比較組中的特有途徑
4、差異蛋白的鑒定和功能富集分析
共在兩兩比較組中分離得到69個豐度存在顯著變化（P﹤0.05）的蛋白，除去8個豐度較低的蛋白，對61個差異蛋白進行鑒定，最終成功鑒定出49個差異蛋白（圖4A）。對差異蛋白進行功能分類，結果表明大部分差異蛋白屬于7個分類，其中最多的是光合作用（12個，24.49%）（圖4B）。差異蛋白主要富集到12個KEGG通路上（圖5），其中值得注意的是硫和半胱氨酸代謝途徑，這些途徑負責內源性H2S的合成，表明外源H2S處理可能導致內源性H2S合成發生變化，同時改變其他信號途徑的調控。
圖4 不同比較組中DEPs的統計和功能分類
圖5 DEPs的KEGG通路富集分析
5、轉錄水平和蛋白水平的聯合分析
47個蛋白中有17個蛋白的表達水平與mRNA水平一致，說明只有少數蛋白在轉錄水平上受到直接調控。對47個基因及蛋白進行聚類分析（圖6A），并對所有蛋白和基因、12個在轉錄和蛋白水平上調控模式相似的基因（27.66%）以及4個在轉錄和蛋白水平上調控相反的基因（8.51%）進行相關性分析（圖6B、C、D）。Pearson相關系數分別為0.399、0.839以及-0.872。
圖6 基于蛋白質組學和轉錄組的相關性分析
6、H2S調控黃瓜耐鹽性的綜合路徑分析
40個差異基因/差異蛋白映射到黃瓜的兩條代謝通路上（圖7）。其中13個差異基因（6個上調，7個下調）和7個上調的差異蛋白比對到光合代謝中的固碳途徑上（圖7A）。18個差異基因（14個上調，4個下調）和2個上調差異蛋白比對到硫、半胱氨酸和蛋氨酸代謝途徑上（圖7B）。
圖7黃瓜葉片中光合代謝（A）中固碳途徑和硫、半胱氨酸和蛋氨酸代謝（B）的整合途徑
文章小結！
本研究首次嘗試在轉錄組和蛋白質組水平上研究H2S參與黃瓜鹽脅迫響應的潛在調控機制。通過對轉錄組和蛋白質組學數據的分析，揭示了部分可能參與H2S調控黃瓜耐鹽機制的候選基因和蛋白。這些DEGs或DEPs既參與光合作用、碳代謝、氨基酸生物合成、氮代謝、脂肪酸降解等初級代謝途徑，也參與含硫代謝途徑以及細胞防御和信號轉導途徑。同時，轉錄本和蛋白質豐度變化之間的相關性，可能提供H2S調節黃瓜耐鹽性過程中轉錄后控制或從轉錄本到蛋白質的時滯性信息。雖然后續還需進一步闡明這些已識別基因和蛋白質的具體功能，但本研究將有助于鑒定影響H2S調控耐鹽性的關鍵基因和蛋白質。
本研究的RNA-seq測序和分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
原文索引：
Jiang J , Ren X , Li L , et al. H2S Regulation of Metabolism in Cucumber in Response to Salt-Stress Through Transcriptome and Proteome Analysis[J]. Frontiers in Plant Science, 2020, 11:1283.
