多重转录组比较研究胡杨和灰杨耐盐机制

发布时间：2020-08-22 01:25

【摘要】：胡杨(Populus euphratica)和灰杨(P.pruinosa)是一对近期分化的姊妹物种,对盐胁迫有着极强的耐受能力;但灰杨对盐胁迫的耐受能力更强。两个物种均分布在干旱盐碱的荒漠地区,是我国西北荒漠重要的造林物种,对西北沙漠与荒漠生态系统可持续发展的维持起着关键作用。我们利用第二代测序转录组研究手段对胡杨和灰杨的盐胁迫下的基因表达变化式样进行了深入研究。1.胡杨与灰杨与其他非耐盐杨树对盐胁迫响应的差异与胡杨和灰杨相反,毛果杨和毛白杨是两个盐敏感的杨树。为了鉴定这些杨树对盐胁迫的不同响应基因,我们比较了四种杨树愈伤组织在持续盐胁迫下转录水平的差异表达状况。四种杨树鉴定的直系同源基因有7822条,在其中找到了702条差异表达基因。通过层级聚类得到的基因共表达模式显示,这盐敏感杨树和两种耐盐杨树在盐胁迫下的基因表达有显著的差别。在盐敏感杨树物种,我们找到了6个基因对盐胁迫有一致性响应,包括6磷酸葡萄糖酸内酯酶(6-phosphogluconolactonase 4),棉子糖合成酶(raffinose synthase),热激蛋白20(hsp20),WRKY,过氧化物酶15(peroxidase 15),脂肪酸去饱和酶(fatty acid desaturase),这些基因与植物广谱的抗逆以及能量代谢相关。在两个耐盐杨树中我们找到了5个基因在盐胁迫中保持一致的响应,包括氧化还原酶(oxidoreductase activity),过氧化物酶(peroxidase),NADH,细胞色素p450(cytochrome P450)和GDSL脂肪酶(lipase GDSL);已有研究表明这些基因与植物耐盐高度相关。2.胡杨和灰杨盐胁迫下萌发种子的比较转录组比较胡杨和灰杨都具有耐盐能力,但是在耐盐能力上灰杨要略胜一筹。我们利用比较转录组学来研究不同盐浓度处理下两个物种萌发种子的表达谱,来探究他们耐盐的异同。我们发现随着盐浓度的升高,两个物种细胞内核糖体以及能量代谢相关基因的表达量均受到了显著的抑制,包括14个核糖体相关基因(图3.10)、糖酵解反应中非常关键的果糖1-6二磷酸脱氢酶(MSTRG.17398.2)和一个参与到光呼吸中的氨基转移酶(CCG021502.1)。两个物种同时响应盐胁迫高表达与二者耐盐胁迫相关的共有基因包括海藻糖磷酸化酶(TRP,MSTRG.15348.2)、去泛素化特异性蛋白酶(UBP9,MSTRG.23479.3)以及GDSL脂肪酶(GLIP1,CCG030033.1)。灰杨比胡杨更加耐盐的主要原因可能是该物种在高浓度胁迫下能够维持更多抗逆相关基因转录本的表达,如SCARECROW-like 8基因(CCG030097.1)、维生素B6合成酶(PDX1,CCG023950.1)、几丁质诱导子受体激酶(CERK1,MSTRG.17436.3)、过氧化氢酶2(CATALASE 2,MSTRG.2944.19)以及乙酰乳酸合成催化酶(CSR1,CCG012489.1);特别是灰杨关闭了两个耐盐有害基因的转录,一个是蛋氨酸裂解酶(MGL,MSTRG.26043.4),该基因的高表达使拟南芥对氧化胁迫更加敏感;另外一个是一个NUDX家族的水解酶,拟南芥中敲除该基因会使拟南芥的NADPH循环效率增高、耐盐性增加。关闭这两个基因有可能是灰杨更加耐盐的关键原因之一,当然这还需要进一步的实验支持。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S792.11;Q943.2
【图文】：

灰杨,毛果杨,转录组,胡杨

图 2.1 胡杨、灰杨、毛果杨和毛白杨的转录组中基因表达量分布结果Figure 2.1 The RPKM distribution in each time point for four Populus.物种聚在一起，这也就说明这两个盐耐受物种和两个盐敏感物种的基因表达模式具有显著的差异。这说明胡杨和灰杨这两个盐耐受物种与毛果杨和毛白杨这两个盐敏感物种，可能在各自的祖先分枝上就存在不同的基因表达适应性进化。另外，我们还发现胡杨和灰杨的两个 0h 样本聚在了一起，而这两个物种的盐胁迫样品却分开了；这说明在适应不同的盐生境时，这胡杨和灰杨这对近缘种存在不同的调节式样，在代谢通路中存在适应性分化。这些结果也与之前的研究结果相一致[25, 27, 28]表 2.2 四个物种的蛋白编码基因和直系同源基因数量Table 2.2 Summary of gene number and orthologous pairsFeature ValueNumber of predicted genes (CDS)

时间序列,灰杨,毛果杨,同源基因

15图 2.2 胡杨、灰杨、毛果杨和毛白杨的 7752 个直系同源基因的 RPKM 层级聚类分析。Figure 2.2 Hierarchical clustering of all samples by spearman correlations based on RPKM of7,752 orthologous genes.接下来，我们利用软件 edgeR 对每个物种的时间序列鉴定差异表达基因。我们选择的差异表达基因需要满足以下三个条件:（1）Rpkm 值在所有样本的分布中标准差大于 1（2）log2 (FPKMtime1/FPKMtime2) was > 1 或者 < -1，（3）显著性检验的 p 值（FDR）＜0.05。最终在胡杨、灰杨、毛果杨和毛白杨中分别共鉴定了 1461，1906，1776，2400 个上调或下调的差异表达基因（图 2.3a，2.3b）。为了进一步对四个物种进行比较转录组学分析，我们将所有的差异表达基因和 7822 个 1:1 的直系同源基因集取交集，共得到 1335 个差异表达的直系同源基因，然后我们筛选在任何物种中都要满足 RPKM 值至少在一个时间点上＞0 的差异表达基因，最后共有 702 个差异表达的直系同源基因用于后续的分

饼图,灰杨,毛果杨,差异表达基因

图 2.3 胡杨、灰杨、毛果杨和毛白杨两个时间点的差异表达基因数量。黄色为上调，蓝色为下调(倍数变化> 2 或< 0.5, FDR < 0.05)。(a) 两个耐盐物种差异表达基因（胡杨（下半部分）和灰杨（上半部分）.(b) 两个盐敏感物种差异表达基因（毛果杨（下半部分）和毛白杨（上半部分）。(c)两个时间点两两物种直系同源基因差异表达基因饼图。Figure 2.3 Number of differentially expressed genes showing up- (orange) or down- (blue)regulationbetween two time points (foldchange>2 or< 0.5, FDR < 0.05). (a)Thenumber of DEGsin the two salt-tolerant species (P. euphratica (Lower half) and P. pruinosa (Upper half)). (b) Thenumber of DEGs in the two salt-sensitive species (P. trichocarpa (Lower half) and P. tomentosa(Upper half)). (c) Venn diagram of differentially expressed orthologous genes in the four species atany pair of time points.析研究（图 2.3c）；其中有 109 个是两个盐耐受物种特有的，287 个和 159 个基因分别只在灰杨和胡杨中特异性表达；73 个是两个盐敏感物种共有的、不同于盐耐受物种的差异表达基因，另有 378 个和 46 个基因分别只在毛白杨和毛果杨中特异性表达（图 2.3c）。

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