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文獻解讀

集思慧遠客戶發表文章《比較轉錄組分析揭示秈稻苗期耐鹽敏感基因型對鹽脅迫的分子響應》

FABURIQI:2019-03-17 LIULANCISHU:471

  今年2月,與集思慧遠合作的客戶在Scientific Reports雜志上發表了一篇題為"Comparative transcriptome analysis reveals molecular response to salinity stress of salt-tolerant and sensitive genotypes of indica rice at seedling stage"的文章,通過轉錄組測序及基因結構分析,為基因型間耐鹽機制提供了基礎。



  低溫、干旱和鹽堿化等非生物脅迫對植物的生長和生產力構成了極大的威脅。隨著現代農業的發展,土壤鹽分已成為一種環境。許多研究表明,土壤中過高的鹽分會抑制植物根系的整體營養供應和元素吸收。水稻是起源于亞洲的禾本科植物,是世界上最重要的糧食作物之一。由于它的基因組相對較小,其也被認為是單子葉植物基因組研究的模型,并且水稻是一種無法擺脫環境壓力的植物。因此,鹽分脅迫是對水稻生產力的全球性威脅。全球變暖導致鹽的持續入侵,勢必會阻礙沿海地區和其他鹽堿地區的水稻種植。


  在本研究中,為了全面了解鹽脅迫對水稻的分子響應,對水稻幼苗葉片進行了轉錄組分析。本研究使用兩個水稻亞種秈稻品種,包括耐鹽基因型Xian156和鹽敏感基因型IR28。在施鹽后0h、48h和72h,從這兩種基因型中獲得了18個RNA文庫,共鑒定了1,375個新基因和148,286個新基因結構的SNPs。栽培水稻有許多野生親緣關系,其中一些親緣關系已經利用基因組和轉錄組的高通量測序進行了研究,其中包括Oryza rufpogon Griff。本論文是第一個使用水稻亞種秈稻作為實驗材料的轉錄組報告,這也是一種有價值且廣泛分布的水稻亞種。此外還進行了GO分類和功能分析,以更好地理解鹽脅迫響應DEGs的功能。這些基因主要參與激素和鈣信號傳導途徑,轉錄因子,離子代謝和轉移,氮代謝和次生代謝,這些因子鹽脅迫作用下被富集。


  Figure 1. The symptoms of seedlings showed the salt tolerance of the rice sensitive IR28 genotype and the tolerant Xian156 genotype.

  圖1敏感型IR28和耐鹽型Xian156鹽脅迫后的苗期癥狀


  在第一個24h,這兩種基因型之間沒有差異。經鹽處理48h后,兩種基因型均表現出萎蔫癥狀,而敏感型IR28與耐鹽型Xian156相比更為明顯。在72h時,耐鹽基因型表現為中度萎蔫癥狀,敏感型IR28基因型表現為重度萎蔫癥狀(圖1)。因此選擇0h,48h和72h的時間點來表征基因表達以探索鹽脅迫的可能分子機制。


  Figure 2. GO classification of newly identified genes in rice.

  圖2 水稻新鑒定基因的GO分類


  為了深入了解新發現的水稻基因的功能,將這些基因與GO、Nr、SwissProt、KEGG和KOG數據庫中的研究序列進行比較后,對這些基因進行注釋,其中有969個新基因被注釋到GO條目。在細胞組分中,涉及細胞部分(848)、細胞(822)和細胞器(782)的注釋基因是最豐富的。生物過程最常見的三種類型是代謝過程(464)、細胞過程(449)和單個有機體過程(322)。在分子功能上,結合(418)、催化活性(391)是最豐富的。該分布比與所有已知水稻基因GO富集分析的比率相當一致。


  Figure3. The expression of validated miRNAs by qPCR.

  圖3 用qPCR方法驗證miRNAs的表達


  為了驗證RNA-seq數據,選擇三種基因用于通過qPCR進行分析。在受到鹽脅迫48h后,BGIOSGA003836和BGIOSGA021937的表達量急劇下降,然后在72h后保持穩定。TIFY 10A基因(BGIOSGA031997)的表達模式在這兩種基因型中是不同的,因為在鹽脅迫48h后,其在耐鹽品種中上調了3.6倍,而在敏感品種中下調了0.57倍。BGIOSGA031997的表達在耐鹽品種中下降到對照表達的72h左右,而在敏感品種中表達略有上升(圖3)。


  Figure 4. Genome-wide distributions of SNPs (A) and DEGs (B) in the rice genome.

  圖4 水稻基因組中SNPs(A)和DEGs(B)的全基因組分布


  此外,該論文還研究了SNPs和DEGs的分布情況,以確定它們之間的相關性。相關性表明,這些SNPs可能與水稻染色體某些區域的鹽脅迫耐受性有關。這些SNPs可用作分子標記,用于基于圖譜的克隆和可能與耐鹽性脅迫相關的基因功能表征。


  總之,該研究揭示了在鹽脅迫適應期鹽脅迫介導的信號轉導途徑。所鑒定的差異表達基因也可為水稻育種過程中選擇耐鹽育種材料提供參考。


  點擊原文鏈接http://www.nature.com/articles/s41598-018-19984-w查看論文全文