环境适应性-玉米

比较转录组揭示玉米不同根应对盐胁迫机制

文章题目：Comparative Transcriptome Profiling of the Maize Primary, Crown and Seminal Root in Response to Salinity Stress

期刊名: PLOS ONE

IF: 3.234

发表时间：2015

研究背景

•  土壤盐胁迫会严重影响作物生长和产量；

•  拟南芥主根和侧很受环境影响，尤其是盐胁迫；

•  尽管玉米根系整体易受盐胁迫影响，但是关于玉米根系各部分对盐胁迫的敏感程度并没有进行深入研究；

•  初生根相较于侧根和种子根，抗盐胁迫能力较强；

•  运用转录组测序技术阐明根系生长过程耐盐性相关的分子机制，

研究方法

•  材料准备和盐处理：将培育好的玉米种子分别转移到含0和100 mM的NaCl溶液中，分别培育24h和72h，检测盐对玉米根生长的抑制；

选取10-15个个体，取每种类型根尖端1cm，迅速放入液氮中冷冻，并转入-80℃中保存；

•  RNA提取：TRIzol reagent (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)

•  生物学重复：3个

•  文库构建及测序：6个RNA  libraries (PR, PR-salt, CR, CR-salt, SR and SR-salt)：，Illumina HiSeq 2000平台测序；

•  信息分析：质控、比对、聚类分析、基因表达差异分析（FDR≤0.001，log2(treatment/control)≥1）、差异表达基因功能富集分析（GO、KEGG）

数据验证：qPCR

•  可溶性糖含量的测定

研究结果

1.不同根系生长期耐盐能力

•  盐胁迫会影响植物生长；

•  前人研究表明盐胁迫下拟南芥初生根比侧根敏感；

•  虽然玉米根系在盐胁迫下整根过程都敏感，但是不同生长时期根系如何应对盐胁迫的研究并不深入；

•  转移到100 mM的NaCl溶液中培育24h，初生根(1% reduction)比种子根(60%)和冠根(70%)受抑制少(Fig. 1A)；

Fig. 1A The relative elongation rate of the three types of maize roots after 24h in 100 mM NaCl

•  转移到100 mM的NaCl溶液中培育72h，结果与24h相似(Fig. 1B,C)；

•  不同盐浓度条件下玉米根的伸长速率揭示玉米primary root (PR) 对盐耐受性要高于crown root (CR) 和 seminal root (SR)；

•  差异结果表明不同时期根系中的转录模式不同。

Fig. 1B The relative elongation rate of the three types of maize roots after 72h in 100 mM NaCl

Fig. 1C The root morphology of PR, SR, CR with lengths of approximately 6 to 10 cm treated with 0 and 100 mM NaCl for72 h.

2.差异转录基因的鉴定：

•  共444个基因受盐胁迫调控(Fig. 2A)；

•  其中，初生根在盐处理过程中，212个基因受盐胁迫调控（13个上调、199个下调）；183个基因在盐处理后特异调控(Fig. 2C)；

•  对比盐处理和未处理的冠根，盐处理中共有148个差异基因（54个上调、94个下调）； 94个基因在盐处理后特异调控(Fig. 2C) ；

•  种子根在盐处理后，共有33个上调基因和126个下调基因(Fig. 2C)；其中111个基因在盐处理后特异表达；

Fig. 2A The total number of genes regulated by salinity stress in the three types of root.

Fig. 2C The number of genes responding to salinity stress in each root type.

•  聚类分析：初生根和冠根之间的差异基因显示出不同的转录模式，但经过盐处理后差异基因的转录模式相似(Fig. 2B) ；

Fig. 2B Cluster analysis of salinity-regulated genes

•  盐处理后，初生根、冠根和种子根的差异基因主要呈下调趋势：初生根 (93.9%) 冠根 (63.5%) 和种子根 (79.2%) (Fig. 2C) ；

•  结果表明初生根、冠根和种子根中差异基因的不同转录模式可能与不同生长时期根系耐盐调控机制有关；

Fig. 2C The number of genes responding to salinity stress in each root type.

4.差异表达基因的验证

从444个差异表达基因（DTGs）中随机挑取16个进行qPCR验证。

•  盐处理后，GRMZM2G339122 (EXP1)在初生根中呈下降趋势，而在同其他时期变化不明显；

•  GRMZM2G010251 (NRT2:1)在初生根中呈下降趋势，但是在冠根和种子根中呈上调趋势；

•  但也有qPCR结果与转录结果不一致的。

Fig 3. qRT-PCR validation of differential transcription identified by RNA-Seq. Each column represents an average of three replicates, and bars indicate SEs.

5.差异表达基因（DTGs）功能富集分析：

•  GO富集分析：生物过程-细胞过程、代谢过程;

•  细胞组分：细胞膜等；

•  分子功能：结合、催化活性、细胞器等(Fig. 4). ；

•  3个分类中初生根中的差异基因多于冠根和种子根；

•  结果表明盐胁迫包括抗氧化活性和转录因子活性，伴随溶质的合成：脯氨酸、海藻糖、甘露醇、甜菜碱等。玉米根系（尤其是初生根）的主要调控机制；

Fig 4. Functional classification (GO) of salinity-regulated genes in the maize PR, CR and SR.

•  KEGG富集分析：

•  盐胁迫调控的主要合成途径：氧化还原、糖基水解、ABA信号转导等(Fig.5).

Fig 5. Pathway analysis (KEGG) of salinity-regulated genes in the maize PR, CR and SR.

•  与氧化还原酶活性相关的差异基因：

•  盐胁迫主要是渗透压和离子胁迫，前者植物能够快速感知并出现表征：影响根系生长、水分吸收、细胞扩增等，进而导致活性氧的产生（降解蛋白、脂质和DNA等），影响植物生长；

•  为减轻盐胁迫的伤害，植物进化出一系类抗氧化酶和无酶化合物等；

•  单体型地理分布：

•  阐明农业气候特征相关的单体型的起源和传播，选用330当地品种中与地理分布相关的SNP；

•  Ma1/SbPRR37：先前确定的功能变体，主要位于southern Africa中高纬度kafir品种中(Fig. S5)；

•  株高相关：dw2, dw3和SbHT9.1,在亚洲和非洲各地区具有不同的等位基因分布(Fig. 3 E–G)；

•  SbHT9.1致病基因（GA2-oxidase）普遍存在于East African durra, Indian，Durra和Chinese，其他地方较少 (Fig. 3G)；

•  Dw2：主要存在于northeast Africa和Asia (Fig. 3E)，这与east African and Asian地区的半矮生型高粱具有相似的遗传基础；

•  总的来说，矮生型等位基因主要从durra (dw1, dw2, dw4)和kafir (dw3) 当地品种中进行选择。

•  花序分枝长度相关等位基因的地理分布表明多数等位基因控制分支长度(Fig. 4 B–D)；

•  与较长分支相关的次要等位基因主要位于West African guinea populations。

•  总结：

•  阐明高粱遗传多样性有助于物种保护、种植资源的收集以及后续的资源收集；

•  全基因组遗传图谱有助于通过扩大种质的多样性、提高GWAS的分辨率、分子标记辅助选择和基因组选择等促进分子育种；

•  通过作物改良培育适合当地生长的作物品种，不同作物种质资源基因组分析对于支持非洲、亚洲及半干旱地区的农业可持续发展具有重要意义。