耐镉多年生草地早熟禾的转录调控和表达网络对镉胁迫的响应.docxVIP

耐镉多年生草地早熟禾的转录调控和表达网络对镉胁迫的响应 导读 草地早熟禾良好且发达的根系使其具备吸收和积累镉（Cd）的能力，因此在受Cd污染的土壤中具有潜在的植物修复功能。了解该物种对Cd耐性和积累的分子机制对于通过遗传改良产生新型Cd耐受性品种至关重要，然而目前尚未有充分的文献报道。本研究对Cd胁迫下草地早熟禾高Cd耐受性基因型（M）和低Cd耐受性基因型（R）的幼苗进行了比较转录组分析。在M基因型中总共鉴定出7022个上调的转录本和1033个下调的转录本，而在R基因型中仅检测到850个上调转录本和846个下调的转录本。对M基因型的进一步转录调控分析表明，由于与碳水化合物，脂质和次级代谢以及信号转导相关的多个功能基因的协调，Dof，MADS25，BBR-BPC，B3，bZIP23和MYB30可能是响应Cd胁迫的中枢转录因子。参与生长素，乙烯，油菜素内酯和ABA信号转导的差异表达基因形成信号转导级联途径，与中枢转录因子相互作用，从而最终协调了与细胞壁和细胞膜稳定性，细胞伸长和Cd耐受性相关的多个基因的表达，包括IAA，ARF，SnRK2，PP2C，PIF，BES1/BZR1，CCR，CAD，FATB，fabF和HACD。此外，鉴定出了CIPK，MAPK，WAX，UBC和E3泛素连接酶的转录后修饰，并且还参与了植物信号转导途径和非生物抗性。该研究可能有助于了解草地早熟禾中与Cd耐受性相关的转录调控和复杂的内部网络。 实验设计 结果 1??两种基因型的表型和DEG对Cd胁迫的响应 根据以前的实验数据，研究者选择了两种对Cd胁迫具有不同抗性的草地早熟禾基因型。加入1000 μM CdCl2后的60天内，大多数M基因型植物虽然生长严重受到抑制，但仍保持绿色，而R基因型植物则枯萎并发黄（图1A）。Cd的添加使两种基因型的株高显著降低，而R基因型的株高降低的更多。在R基因型中，Cd处理的根长显著低于对照，而M基因型没有显著差异。Cd处理显著降低了两种基因型的地上幼苗重量和根重。此外，在所有处理中，Cd处理的R基因型的地上幼苗重量和根重最低（图1B）。 ? 为了表征Cd胁迫下两个基因型（R和M）之间的转录组差异，使用RNA测序从四个文库中产生了总计636,831,280个片段。从头组装产生了478,702个独立基因，平均长度为630.03 bp（表S2）。来自两个比较的DEG的数目请见图1C。本研究观察到，Cd胁迫在M基因型中诱导了大量转录本（7022上调和1033下调），而在R基因型中，分别只有850和846转录本被上调和下调。该结果表明，高Cd耐受性基因型在转录水平上比低Cd耐受性基因型对Cd胁迫的响应更强。Venn图显示，两种基因型中只有183个（1.9％）转录本受Cd胁迫共调节（图1D）。 ? 进行了qRT-PCR分析以验证转录组数据的置信度，RNA-Seq和qRT-PCR数据之间的Pearson相关系数（R2）为0.934（表S3）。该结果表明，无论研究方法如何，在两种草地早熟禾基因型中Cd胁迫诱导的转录调控都是一致的。 ? 图1?Cd胁迫下两种基因型的表型，DEG和Venn图的比较。（A）Cd处理后60天的表型。（B）Cd处理后30天的植物生长特征。（C）在Cd胁迫下第24小时的DEG数量。（D）维恩图描述了响应Cd胁迫的两个基因型之间DEG的排除和重叠。R_C，R基因型的浇水良好的对照植物；R_Cd，R基因型的Cd胁迫植物；M_C，M基因型的浇水良好的对照植物；M-Cd，M基因型的Cd胁迫植物。 ? 2?DEG的GO和KEGG分析 ? DEG的GO分类显示，在3个GO术语中，最丰富的类别在两个基因型之间是相同的（图2）。就分子功能术语来说，催化活性最丰富，其次是结合，电子载体活性。在生物学过程中，最丰富的类别是代谢过程，其次是细胞过程和单一生物过程。在细胞成分中，细胞部分，细胞器和膜是最丰富的类别。此外，在所有3个GO术语中，更多的GO类别被过表达，M基因型中的几个类别被独特地富集，包括蛋白结合转录因子活性，鸟苷-核苷酸交换因子活性，细胞外基质组分，细胞外区域部分，膜封闭腔，细胞组分形成或生物发生，生物粘附和阶段，多细胞生物过程。 ? 两种基因型中，更多的DEG显著富集在代谢途径和次级代谢物的生物合成中，在黄酮和黄酮醇生物合成以及苯丙素类生物合成中观察到更高的富集因子（图3）。与GO分类相似，更多的KEGG途径显著富集在M基因型中。M基因型独特地富集了几种环境胁迫响应途径，包括苯丙烷代谢，植物激素信号转导，类黄酮生物合成，角质，蜡质生物合成，抗坏血酸代谢，脂肪酸降解。 ? 图2 M和R基因型的DEG的GO富集术语。 ? 图3?M和R基因型的DEG的KEGG途径富集。高P?值用红色表示，低P?值用绿色表示。圆圈的大小代表富集