2022-04-12
《Journal of Hazardous Materials》
影響因子：10.588
技術路線
研究背景
蕎麥是一種重要的雜糧經濟作物，因其營養價值高、保健功能強，是健康食品生產的優質原料，廣受人們喜愛，市場潛力巨大。然而，近十年來我國蕎麥產量一直低而不穩，產量難以突破，嚴重制約蕎麥產業發展。論文圍繞蕎麥產量關鍵制約因素，探索新興納米生物技術在蕎麥生產中的創新應用，為蕎麥及至其它農作物產量提升和高效生產提供理論依據。
研究材料與方法
1、實驗材料
本研究使用的是川蕎1號品種，通過不同濃度的GO溶液處理，培養幼苗進行分析。
2、測序平臺
Illumina NovaSeq
3、分析內容
電鏡和拉曼分析，生化分析，轉錄組分析，qRT-PCR實驗等。
研究結果
1.GO溶液對蕎麥幼苗生長的影響
不同濃度GO溶液處理下的幼苗，如圖1A所示，在高濃度GO處理下，幼苗生長受到明顯的抑制，且全苗、根和芽的重量和長度都受到抑制（圖1B-G）。這些數據表明，GO對蕎麥的生長有一定的抑制作用。
圖1.GO對蕎麥幼苗生長的影響
2.通過轉錄組分析確定GO脅迫的DEGs
為了進一步了解GO對蕎麥幼苗生長的調控分子機制，通過轉錄組分析，確定了GO脅迫下的DEGs，其中895個基因在根中差異表達，1042個基因在莖中差異表達，102個基因在根和莖中均差異表達（圖2D-E），通過維恩圖分析比較了CK和LG/HG之間的DEGs，確定了2039個DEGs且表達模式多樣（圖2C）。對所有DEGs以及對根和莖中DEGs進行基因富集分析（圖3A-C），表明根和莖可能表現出對GO脅迫的不同反應。
圖2. GO響應基因的鑒定
圖3.GO響應基因的基因本體富集分析
3.表觀遺傳調控和細胞周期相關基因的表達分析
本研究中，發現有31個編碼組蛋白的基因受到GO脅迫調控。其中包括1個組蛋白H1基因，9個組蛋白H2A基因，4個組蛋白H2B基因，5個組蛋白H3基因，以及12個組蛋白H4基因，這些基因表達在莖中被100mg/L GO脅迫上調，但對更高濃度GO處理的反應很不明顯，在根中表達不顯著（圖4A）。從2039個DEGs中鑒定出編碼細胞周期相關蛋白的19個DEGs，這些基因都顯示在GO脅迫下表達上調了（4B-E）。
圖4.參與細胞周期和表觀遺傳調控的基因表達分析
4. 確定參與ROS解毒的DEGs
本研究從2039個DEGs中鑒定出36個參與ROS解毒的DEGs，包括22個PER、8個GST、3個LEA、2個GRX和1個ASO編碼基因，這些基因在GO處理下顯示出不同的基因表達模式（圖5）。在GST基因中，大多數對根中的GO脅迫有反應，GO脅迫還抑制LEA基因的表達，此外，FtASOL和FtGRXC9基因在根和莖中均表現出反向表達模式。
圖5.參與ROS解毒的基因表達分析
5. GO脅迫下植物激素生物合成及信號通路相關基因的表達分析
研究者分析了參與植物激素生物合成和信號傳導的DEGs，包括生長素、脫落酸（ABA）、乙烯（ETH）、茉莉酸（JA）、赤霉素（GA）和細胞分裂素（CTK），共發現40個參與激素生物合成和信號通路的GO響應DEGs，大多數ABA、ETH、JA、GA和CTK生物合成和信號相關的DEGs的表達在GO脅迫下被下調（圖6），這表明GO可能抑制這些激素的產生和功能。
圖6.植物激素生物合成及信號通路相關基因的表達分析
6. 蕎麥中GO反應性SSPs的鑒定
研究者鑒定出97個SSPs編碼基因，其中42個為已知SSPs，且有不同的表達模式（圖7）。研究還分析了RLKs和SSPs編碼基因表達的相關性，除FtLECRK41-2、FtSOBIR1和FtCRK10之外的所有RLK基因都與一個或多個SSP基因的表達高度相關（圖8），這表明SSP基因可能通過與RLKs合作來調節GO反應。
圖7.GO反應性SSPs基因的表達
圖8. SSP和RLK之間的相關性
研究結論
本文綜合分析了蕎麥在GO脅迫下形態、生理和轉錄組學的變化，共鑒定了2039個DEGs，其中有36個基因參與ROS解毒，表明GO可能通過調節ROS解毒來影響植物生長。根和莖對GO脅迫有不同的轉錄組學反應，在莖中發現了參與細胞周期和表觀遺傳調控的DEGs，還有40個參與植物激素生物合成的基因受到GO的顯著調控。此外，發現了97個SSPs編碼基因參與GO反應，并提出了由TFs-SSPs-RLKs介導的反應網絡。本研究為探索GO與植物之間的相互作用提供了有用的信息。
