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利用Plantarray植物生理表型平台研究干旱胁迫下黑松的转录组分析

发布时间:2022-05-16 点击量:70

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Transcriptome analysis of Pinus halepensis under drought stress and during recovery

干旱胁迫下黑松恢复期的转录组分析

林木利用各种策略来应对干旱胁迫,这些策略涉及复杂的分子机制。黑松分布于整个地中海盆地,是最耐旱的松种之一。为了破译黑松用来抵御干旱的分子机制,我们进行了大规模的生理和转录组分析。本文从一个生长条件不理想的半干旱地区选择了一棵成熟的树木进行扦插繁殖。然后使用高通量实验系统连续监测整个植物的蒸腾速率、气孔导度和VPD。在气孔前反应、部分气孔关闭、最小蒸腾、灌水后、部分恢复和完全恢复六个生理阶段对植物的转录组进行了检测。在每个阶段,将暴露于干旱处理的植物的数据与从灌溉良好的对照植物收集的数据进行比较。干旱胁迫下的黑松转录组是使用双端 RNA-seq 创建的。在经过干旱处理的树木和对照树木之间,总共鉴定出约6000个差异表达的非冗余转录本。聚类分析揭示了与光合作用、活性氧 (ROS) 通过抗坏血酸 (AsA) 循环清除、脂肪酸和细胞壁生物合成、气孔活性以及类黄酮和萜类化合物的生物合成相关的转录物的应激诱导下调。上调的过程包括叶绿素降解、通过AsA非依赖性硫醇介导的途径清除活性氧、脱落酸反应和热休克蛋白、thaumatin和exordium的积累。干旱恢复诱导逆转录转座子的强烈转录,尤其是逆转录病毒相关转座子1-94。干旱相关转录组阐明了该物种对干旱和恢复的动态反应,并揭示了新的机制。

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图1.干旱和恢复过程中黑松全株蒸腾速率和冠层气孔导度的变化

本文评估了在不同灌溉制度下生长的植物的生理反应。最初,对植物进行7天的充分灌溉,然后暂停灌溉46天,以施加越来越大的胁迫压力,然后恢复灌溉。监测两个主要参数以确定干旱严重程度:中午的E和中午的gsc。与停止灌溉19天后的对照植物相比,干旱处理导致第26天中午E和gsc显著减少(图1)。尽管图1B中的E是五个重复的平均值,图1C中的gsc是单个植物的,但在整个实验过程中E的模式与gsc的模式匹配,并且这两个参数与VPD的每日变化相关(图1)。随着干旱的持续,干旱处理的树木的gsc从第21天的319逐渐下降到第26天的171,并在干旱期结束时降至94 mmol s-1 g-1(图1C)。恢复灌溉后,经干旱处理的树木的E和gsc恢复到干旱处理前记录的水平,表明干旱处理并非结束。在gsc的基础上,选择了两株干旱处理和两株灌溉(对照)树木,在六个不同生理阶段进行分子研究。选择的转录组分析阶段(图1C)如下:(D1)第 21 天的气孔前反应,319 gsc;(D2) 第27天气孔部分关闭,171gsc;(D3) 第 53 天的最小蒸腾作用,94 gsc;(D4) 在第54天用116gsc 灌溉后;(D5) 在第56天部分恢复,271gsc; (D6) 在第69天完全恢复,gsc为523mmol s-1g-1。

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图2.响应干旱和恢复的差异表达(DE)转录本

在上述六个生理阶段对干旱处理和对照树木的基因表达谱分析使我们能够分析在干旱处理植物和对照植物之间差异表达的转录本(图2)。一般来说,随着干旱的进展,DE转录物的数量逐渐增加,在恢复过程中逐渐减少。转录下调在干旱响应中占主导地位,而在重新浇水和整个恢复期间,转录上调占主导地位(图2)。在 D1 阶段的干旱处理和对照克隆中仅鉴定出 27 个上调和 27 个下调的转录本。与在 D2 阶段收集的生理数据一致,此时注意到 gsc 减少(图2B),223个转录本上调,而370个转录本下调。在D3阶段,在观察到的蒸腾速率和gsc时(图1B和3B),注意到878个转录本的上调和1490个转录本的下调。再浇水几个小时后,在D4阶段,2071个转录本上调,而1505个转录本下调。这些数字在D5阶段(部分恢复)减少到537个上调转录本和510个下调转录本。上调转录本的数量在 D6 阶段(完全恢复)急剧增加至1275,而此时下调转录本的数量已下降至336(图 2A)。总共发现黑松转录组包含 6035个DE转录本,其中2466个先前报道过,3567个是从头组装的。转录组包括1035 (17%) 个无注释的重叠群和 650 (10.1%) 个与逆转录转座元件相关的重叠群。为了识别不同生理阶段常见的转录本,分别为D2-D6阶段的上调和下调转录本生成了两个维恩图(图2C和D)。下调转录本的最高重叠在阶段D3和D4之间,这表明 >50% 的常见转录本表明重新浇水后逐渐恢复。上调转录物的最高重叠D4和D6之间,其中大多数是逆转录转座子。上调转录本的第二高重叠在D3和D4之间,表明重新浇水后逐渐恢复。

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图3.干旱和恢复期间黑松中反转录转座子的表达模式

集群20主要由在D4和D6阶段上调的转录本主导。该集群包括1405个转录本,其中646个转录本没有注释。该集群还包括与逆转录转座子相关的489个转录本。这些诱导的逆转录转座子属于HAT、Ty1、Ty3 和Tf2家族(图6)。然而,具有243个相关转录本的最主要的逆转录转座子是1-94(图6B 和C)。在该簇的其余275个转录本中,8个是TF,44个与光合作用相关,22个过氧化物酶-64转录本,18个核糖核酸酶 (RNase) H转录本和10个内切核糖核酸酶切丁酶转录本。在簇6和27中看到了28个逆转录转座元件的类似模式,它们总共包括130个转录本。

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