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转录组分析研究草莓果实对外源精氨酸应答 导读 精氨酸（Arg）在植物发育和生长过程中起到很大的作用，但是关于他在草莓果实发育和生长起到的调控作用还不是十分清楚。本研究发现草莓果实着色后Arg含量降低，外源Arg抑制果实着色。研究者对Arg处理和没有Arg处理的草莓果实进行了全面的转录组分析，并鉴定到了大量的差异表达基因和代谢产物。作者还发现Arg对果实成熟有抑制作用，这与生理参数变化一致，包括果实硬度、花青素含量、糖含量、吲哚乙酸（IAA）含量、脱落酸（ABA）含量等。同时，研究者发现Arg会降低热激蛋白（HSPs）基因和抗氧化酶先关基因的表达量，提高草莓抗热性。本研究阐明了Arg延缓草莓果实成熟的分子机制，为草莓进一步改良和栽培提供遗传信息。 实验设计 结果 1?草莓果实发育时Arg含量变化 ? 根据前人研究，草莓果实发育可分为7个阶段：小绿（SG）、大绿（LG）、脱脂（DG）、白色（Wt）、初红（IR）、偏红（PR）和全红（FR）（图1）。HPLC分析表明，精氨酸（Arg）含量从SG期到FR期逐渐降低，并在FR期达到最低水平（图1）。在果实成熟过程中，其他14中氨基酸含量也逐渐降低，如天冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、组氨酸、苏氨酸、丙氨酸、脯氨酸、胱氨酸、酪氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等。这些结果表明，精氨酸在草莓果实发育过程中起到重要作用。 ? 图1.草莓果实七个发育阶段的精氨酸含量。用高效液相色谱法测定精氨酸含量。每个阶段用3个果实进行检测。 ? 2??精氨酸对草莓果实成熟的影响 ? 为进一步确定Arg在草莓果实成熟中的作用，研究者选择了20个DG期的果实并进行Arg处理（图2a）。对照组采用无菌水处理8天，观察全红、2/3红和1/3红的比例。精氨酸和无菌水处理果实的比例分别为7：28：10，33：10：2（图2d）。结果表明，与对照组相比，Arg延缓了果实膨大（图2b）。外源精氨酸显著促进了内源精氨酸的积累，促进了Put含量的积累，但对Spm和Spd的含量没有显著影响（表1）。为了解Arg对果实着色的影响，研究了几种与成熟相关的植物激素的含量（表1）。与对照组相比，外源Arg会抑制乙烯释放和ABA积累，促进IAA积累（表1）。同时，Arg也会延缓果实软化（图2c）。以上结果表明，Arg对草莓果实着色的影响可能与ABA、乙烯和IAA有关。 ? 图2.?Arg对草莓果实着色的影响。20个DG期草莓果实进行200μM精氨酸处理，无菌水作为对照。a.处理前后DG期草莓果实表型。b.花青素含量。c.果实硬度。d.每个处理下每个表型的果实数量。 ?表1.?草莓果实Arg处理后生理指标变化。 ? 3??精氨酸处理后转录组分析 ? 为了研究Arg促进草莓果实成熟的分子机制，研究者进行了转录组测序分析。Arg处理和对照组分别产生了460M和433M的raw?reads，过滤后42829134条clean reads。共鉴定到108087个基因，并根据表达量水平进行分组（图3a），其中有28503个基因的表达量大于1。为验证实验的可靠性，研究计算了各个样本间的基因表达水平的相关性系数（图3b），并进行了主成分分析（图3c）。 ? 图3.不同处理样本的分析。a.Arg处理草莓果实表达量水平，共鉴定到108087个基因，对照组和Arg处理组基因数量基本一致。b.相关性矩阵展示样本间相关性。CK和Arg组间颜色最深，表明同一处理组样本间相关性最高。c.对照组和Arg处理组进行了PCA分析，相同处理的样本间相似性较高。 ? Arg处理和对照组中共鉴定到4419个差异表达基因，其中有1826个上调表达，2593个下调表达（图4a）。对差异表达基因绘制火山图，以展示上调和下调差异表达基因的差异性（图4b）。 ? 图4.?DEG分析。a.DEG聚类分析。每行代表一个基因，每列代表一个样本，红色代表高表达基因，绿色代表地表达基因。b.火山图展示了上调和下调差异基因的水平，图中蓝色为下调基因，红色为上调基因，灰色为无差异基因。? 4??GO和KEGG分析 ? 为确定DEG的生物学功能，对DEG进行了GO分析。将其主要分为三个功能类别：分子功能（MF）、细胞组分（CC）和生物过程（BP）。共有2163个DEG注释到GO数据库的2881个GOterms上，其中包括833个MF?terms，1780个BP?terms和268个CC?terms。BP中富集最多DEG的GO?terms为“代谢过程”和“细胞过程”，MF分类中“催化活性”和“绑定”是富集醉倒DEG的GO?terms，CC中富集醉倒DEG的GO?terms为“细胞膜”和“细胞”。在所有GO?terms中，选择了富集程度最显著的10个terms绘制图5a