2017-09-20
植物生殖器官一般對外界溫度刺激更加敏感，但目前對于擬南芥花序組織熱休克反應（heat shock response，HSR）的調節機理還知之甚少。Squamosa promoter-binding-like (SPL) 基因家族作為一個植物特異轉錄因子家族, 已被證實具有參與開花時期的調節，時期轉換，葉發育的起始以及其他發育過程等許多重要的生物學功能。中科院上海植物生理生態研究所陳曉亞院士課題組利用轉錄組測序技術對其中兩個功能未知的轉錄調控因子SPL1和SPL12進行了功能分析，該研究結果已發表在Molecular Plant（IF=8.8269）雜志上， 題為“Arabidopsis Transcription Factors SPL1 and SPL12 Confer Plant Thermotolerance at Reproductive Stage”。
高溫脅迫（42℃，1h）對花序期擬南芥的影響
RNA-seq分析結果顯示： 對于開花期的擬南芥高溫脅迫（42℃）后，野生株相較于spl1spl12雙阻斷突變株有1040個基因差異表達。其中有531個基因上調，298個基因下調，同時有211個基因只在spl1spl12雙阻斷突變株中顯著表達。結合表型分析結果，發現SPL1和SPL12參與介導了擬南芥生殖生長期的耐熱性調節。
方法：對擬南芥進行高溫脅迫處理（42℃，1h），以常溫處理組（22℃）分別作為對照，選取開花期（35d）的野生株和spl1spl12雙阻斷突變株進行轉錄組測序
樣本量：4組
測序平臺：Illumina HiSeq平臺
結果解讀：
1 對擬南芥進行高溫脅迫處理引起的基因表達差異進行GO富集分析和聚類分析
RNA-seq分析結果顯示：對于開花期的擬南芥高溫脅迫（42℃）后，相較于對照組（22℃），野生株中有1939個基因上調，1479個基因下調；spl1spl12雙阻斷突變株中有1150個基因上調，1357個基因下調，GO富集結果顯示差異基因顯著富集在熱激反應應答相關通路。
圖1 基因差異表達分析和GO富集分析
圖2 不同樣品間聚類熱圖
2 對野生株和spl1spl12雙阻斷突變株中熱休克反應應答相關差異基因進行分析
對開花期的擬南芥進行高溫脅迫（42℃）處理后，野生株與spl1spl12雙阻斷突變株中共有1040個熱休克反應應答相關基因檢測到表達差異，文中根據表達特征將其分為了三類：HRD-Up（在野生株中上調）共有531個基因； HRD-down（在野生株中下調）共有298個基因下調；HRD-Neutral（在野生型中無變化但在spl1spl12雙阻斷突變株中有差異表達）共有211個基因。HRD-Up和HRD-down分類分析結果表明，SPL1和SPL12轉錄因子介導了近1/4（298/1040）的熱休克反應應答相關基因的重編程，同時對HRD-Neutral的分析表明擬南芥生殖生長期的熱休克反應除了SPL1和SPL12之外還受到其他基因的共同調節。
圖3 野生株和突變株之間熱激應答差異表達基因分類
圖4 對HRD-up基因進行GO富集分析
3 對SPL1，SPL12啟動子結合位點進行預測
GO富集分析結果顯示HRD-up基因主要富集在應激信號通路中。本文研究人員選取了HRD-up基因中能直觀反映基因轉錄表達水平的啟動子區順式作用元件進行了富集分析，結果顯示有13個HRD-up基因富集在DRE通路中，該通路包含熱休克反應的兩個正調控因子DREB2C和RAP2.6。此外DREB，DRE-like，LTRE，ABRE-like，DRE 和GCC-box 通路均與熱休克反應應答相關。基于上述分析結果，研究人員利用活性分析實驗從HRD-up基因中篩選得到SPL1的5個靶基因： CEJ1， RD29A，RPK1，ABI2和RAS1。
圖5 對HRD-up基因啟動子區順式作用元件進行富集分析
圖6 SPL1轉錄因子激活的靶基因
總結
本文對參與植物花序期耐熱性調節的兩個SPL家族的轉錄因子SPL1，SPL12基于轉錄組測序結果進行了系統的生物信息學分析，發現高溫脅迫處理和spl1spl12雙阻斷處理后，熱休克反應應答相關基因發生了差異表達。對差異表達基因進行分類分析和GO富集分析，結合表型分析結果，表明SPL1和SPL12參與介導了擬南芥生殖生長期的耐熱性調節。
參考文獻：
Chao L.-M., Liu Y.-Q., Chen D.-Y., Xue X.-Y., Mao Y.-B., and Chen X.-Y. (2017). Arabidopsis Transcription Factors SPL1 and SPL12 Confer Plant Thermotolerance at Reproductive Stage. Mol. Plant. 10, 735–748.
