2022-11-28
非生物脅迫是指在特定環境下任何非生物因素對植物造成的不利影響，從而引起植物生長發育等生物學過程的變化，植物會感知到非生物脅迫的信號和轉導，進一步引起包括相關基因，轉錄因子，代謝通路和信號途徑等復雜反應機制的變化。而通過轉錄組測序分析，能進一步闡明植物響應脅迫的分子機理。
小派今天就分享三篇植物分別在不同脅迫下，通過轉錄組測序分析，解析其響應脅迫機制的項目文章，原文索引及鏈接見文章末尾。
文章一 生物化學和轉錄組分析揭示了繡球花萼片高鋁脅迫反應和耐受的關鍵基因和途徑 《Plant Physiology and Biochemistry》 影響因子：5.437 江蘇農科院在《Plant Physiology and Biochemistry》上發表了 生物化學和轉錄組分析揭示了繡球花萼片高鋁脅迫反應和耐受的關鍵基因和途徑。
研究背景
繡球花[Hydrangea macrophylla (Thunb.) Ser.]。是一種耐鋁性較高的觀賞植物，具有獨特的顏色變化特征。在含鋁的酸性土壤中種植，一些品種的花顏色會從紅色變為藍色或藍紫色。到目前為止，繡球花顏色變化背后的化學機制已經被揭示，然而，目前對繡球花紅藍變化的分子調控機制的研究較少。 本研究測定了Al3+敏感品種“Bailer”和不敏感品種“Ruby”的鋁含量、花青素的種類和含量。在此基礎上，通過比較轉錄組分析，研究Al3+轉運和Al2(SO4)3處理下花顏色變化的分子機制。
技術路線
主要研究結果 1、差異表達基因（DEGs）及富集分析 在鋁處理下，Al3+敏感品種“Bailer”的差異表達基因（12321）高于不敏感品種“Ruby”（6703）（圖1A）。通過venn圖，展示鋁處理下，“Bailer”和“Ruby”的根、葉、萼片中共有/特有的差異表達基因（圖1B）。 GO富集分析表明在“Bailer”和“Ruby”的根比較組中，顯著富集的term主要涉及細胞壁、離子穩態、過氧化物酶活性、催化活性等反應。KEGG富集分析表明，除RAlL/ RCKL組外，苯丙類生物合成在5個比較組中均表現顯著上調富集；黃酮生物合成途徑在“Bailer”各組織中均呈顯著富集，尤其是在萼片中表達上調（圖2）。 圖1：PCA分析和差異表達基因分析 圖2：KEGG富集分析 2、WGCNA分析及共表達網絡圖繪制 為了挖掘繡球花萼片中調控紅藍變化的基因調控關系，對上述參與調控紅藍變化的基因進行了WGCNA分析，目的是找出顏色變化的顯著調控模板。在藍色和黑色模塊中，在 “Bailer”的萼片中發現了許多上調的核心基因，并繪制核心基因的共表達調控網絡圖，結果顯示，大多數共表達基因主要與代謝過程、催化活性、生物調控、結合、膜和轉運蛋白活性（圖3）。 圖3：核心基因及共表達網絡構建 3、關鍵核心基因qRT-PCR及功能驗證 本研究深入研究了轉運體相關的基因HmABCI17，HmABCI17(B)和HmABCI17(R)在酵母中的異源表達表明，與表達空載體的菌株相比，它們都增強了轉基因酵母對鋁的耐受性。
研究結論 轉錄組分析表明，金屬轉運蛋白、活性氧(ROS)清除酶等基因表達模式的改變是影響鋁敏感品種“Bailer”的關鍵因素。WGCNA分析進一步表明，ABC轉運蛋白、陽離子氨基酸轉運蛋白、寡肽轉運蛋白和黃酮醇合成酶，這5個樞紐基因在繡球花鋁耐受調節網絡中起重要作用。此外，HmABCI17(TRINITY_DN1053_c0_g1)的表達增強了酵母對鋁的耐受性。本研究的結論有助于闡明不同繡球品種對鋁耐受性的差異及其分子機制，為繡球及其他觀賞植物藍花育種的分子輔助篩選提供新的思路。
文章一原文索引： Chen S, Qi X, Feng J, et al. Biochemistry and transcriptome analyses reveal key genes and pathways involved in high-aluminum stress response and tolerance in hydrangea sepals[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2022. 文章一鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0981942822002807?via%3Dihub
文章二 轉錄組學研究揭示了棉花接種耐鹽PGPR緩解鹽脅迫 《Environmental and Experimental Botany》 影響因子：6.028 華中農業大學于近期在《Environmental and Experimental Botany》上發表了 轉錄組學研究揭示了棉花接種耐鹽PGPR緩解鹽脅迫。
研究背景 在不同的非生物脅迫中，土壤鹽分對農業減產具有重要影響。為了應對這種情況，最常用的方法是利用植物促生根際細菌 (PGPRs)，許多PGPR已被研究并用作誘導植物耐鹽性的有用且有效的試劑，因為它們具有促進植物生長和積極定植植物根系的能力。 大多數先前的研究主要集中在植物在這一相互作用過程中的生理方面，為了進一步闡明植物中與 PGPR介導的植物生長相關的分子機制變化，本研究進行了轉錄組學分析，目前的項目旨在研究B. subtilis和 B. pumilus接種對棉花生長的影響。
技術路線
主要研究結果 1、差異表達分析及富集分析 不同處理之間差異表達分析表明，比較組BB vs Salt中鑒定到特有的差異基因158個，BC vs Salt特有的差異基因有545個（圖1A），通過繪制Venn圖，展示各比較組間共有的差異基因（圖1B,C,D）；通過KEGG富集分析，在不同處理中確定了一些不同的重要代謝通路，如“植物激素信號轉導”、“植物-病原體相互作用”通路等(圖1E)。 圖1：不同比較組表達差異分析及KEGG富集分析 2、比較組特有的通路分析 通過分析PGPR接種棉花比較組共有的富集代謝通路，進一步解析接種棉花響應鹽脅迫的機制。一些糖相關途徑在鹽脅迫下被BB或BC處理下被顯著激活。對于受鹽脅迫的棉花，“戊糖和葡萄糖醛酸互轉化途徑”在 BB 處理中得到了獨特的富集；另一方面，“抗壞血酸和醛糖酸代謝”和“乙醛酸和二羧酸代謝”途徑在比較組BC vs Salt中顯著富集。 圖2：比較組BB vs Salt和BC vs Salt中的獨特富集途徑
研究結論
本研究揭示了兩種 PGPR 細菌菌株（B. subtilis 和 B. pumilus）在減輕棉花植物的鹽脅迫耐受性中的作用，BB vs Salt中的戊糖和葡萄糖醛酸相互轉化途徑、淀粉和蔗糖代謝途徑以及在BC vs Salt中抗壞血酸和醛糖酸鹽代謝途徑、乙醛酸鹽和二羧酸鹽代謝途徑，在鹽堿條件下對棉花植物生長促進和保護起著至關重要的作用。這些數據表明，B. subtilis 和 B. pumilus 在鹽脅迫條件下顯著增強棉花植物的鹽脅迫耐受性。
文章二原文索引： Akbar A, Han B, Khan A H, et al. A transcriptomic study reveals salt stress alleviation in cotton plants upon salt tolerant PGPR inoculation[J]. Environmental and Experimental Botany, 2022, 200: 104928. 文章二鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0098847222001502
文章三
生物化學和轉錄組分析揭示了繡球花萼片高鋁脅迫反應和耐受的關鍵基因和途徑 《BMC Plant Biology》 影響因子：5.260
南京林業大學在《BMC Plant Biology》上發表了 轉錄組分析兩種鐵線蓮品種的熱應激反應。
研究背景
鐵線蓮是一種極具吸引力的觀賞植物，脅迫是制約鐵線蓮生長發育和觀賞價值的主要因 素之一，Clematis lanuginosa和Clematis crassifolia是兩種鐵線蓮品種，對熱脅迫表現出不 同的耐受性。 本研究使用轉錄組分析來比較C. lanuginose和C. crassifolia的不同熱應激時期，并觀察了C. lanuginose和C. crassifolia之間的響應差異。同時篩選潛在的熱脅迫響應基因，培育出耐熱性強的鐵線蓮品種。
技術路線
主要研究結果
1、轉錄本拼接及各數據庫注釋 基因功能注釋結果顯示，其中3,795個基因在所有數據庫中均有注釋（圖1a），NR數據庫中共有 60, 943個基因與其他物種同源（圖1b）。 圖1：轉錄組注釋 2、差異表達基因分析 差異表達分析表明，熱脅迫處理下，在C. lanuginose和C. crassifolia中，分別有94個和329個基因均在各熱應激時期顯著差異表達（圖2c.d）；兩品種共有的差異基因有421個，特有的差異分別為1299個（C. lanuginose）和5757個（C. crassifolia）（圖2e）。這些結果表明C. crassifolia中的基因表達對熱脅迫更敏感。 圖2：差異基因數量及韋恩圖 3、KEGG富集分析 富集分析表明，C. lanuginose各熱應激時期，差異基因均顯著富集于碳代謝、光合生物固碳、乙醛酸和二羧酸代謝等23條通路（圖3a）；而C.crassifolia各比較組中，分別有116條，124條和128條被顯著富集的KEGG通路注釋為氧化磷酸化、光合作用、植物激素信號轉導、 苯丙素生物合成等相關通路（圖3b）。 圖3：KEGG富集分析
研究結論
本研究比較了C. lanuginose和C. crassifolia之間響應熱脅迫的差異表達基因和重要代謝途徑。該結果增加了我們對鐵線蓮在熱脅迫下的響應機制和候選基因的理解，為進一步分析鐵線蓮響應熱脅迫的分子調控機制及耐熱性高的鐵線蓮品種選育提供參考。
文章三原文索引： Qian R, Hu Q, Ma X, et al. Comparative transcriptome analysis of heat stress responses of Clematis lanuginosa and Clematis crassifolia[J]. BMC plant biology, 2022, 22(1): 1-16. 文章三鏈接： https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-022-03497-w
本研究的轉錄組測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
