甘蓝型油菜响应缺氮胁迫的基因表达谱及共表达网络分析

发布时间：2020-05-17 19:04

【摘要】：氮是植物必需的大量营养元素,作物缺氮会出现老叶黄化、茎秆变细、植株矮小等现象,进而产量降低。我国土壤普遍缺氮,农作物产量依靠大量施用氮肥来维持。近年来,我国农田氮肥施用量逐渐升高,而氮肥利用率不升反降。大量未被作物吸收利用的氮素损失到大气、水体中,造成温室效应、水体富营养化等环境问题。探究植物高效吸收、利用氮的分子机制,培育氮高效作物,是提高氮肥利用率,降低氮肥施用量的重要研究方向。甘蓝型油菜(B.napus,AACC,2n=38)属于十字花科芸薹属,是甘蓝(B.oleracea,CC,2n=18)和白菜(B.rapa,AA,2n=20)自然杂交形成的异源四倍体植物,其种子产油量高,营养丰富,是我国种植面积最广的油料作物。甘蓝型油菜对氮肥的需求量大,但氮利用效率不高。本研究以新型甘蓝型油菜氮高效基因型D4-15和氮低效基因型D2-1为材料,通过多时间点氮饥饿转录组数据分析,探究甘蓝型油菜响应缺氮胁迫的分子机制及氮高效的机理,主要研究结果如下:1.甘蓝型油菜响应缺氮胁迫的转录谱通过RNA-Seq数据分析得到甘蓝型油菜氮高效基因型D4-15及氮低效基因型D2-1苗期根部、地上部在氮饥饿胁迫各时间点(6 h、24 h、3 d、7 d)的基因表达谱。在氮饥饿和正常供氮处理间共检测到24435个差异表达基因(|log_2(fold change)|1p.adj0.05),其中地上部19097个,根部11106个。氮高、低效基因型D4-15和D2-1间共检测到17786个差异表达基因,其中地上部13298个,根部9137个。既在氮处理间差异表达、又在基因型间差异表达的基因共8811个,其中地上部6271个,根部2521个。GO富集分析表明:氮处理间差异表达基因主要富集在含氮有机物合成、多肽及氨基化合物合成等生物途径;基因型间差异表达基因主要富集在氧化还原、氨基酸代谢、有机酸代谢、跨膜转运等生物途径。KEGG富集分析表明:氮处理间差异表达基因主要富集在光合作用、淀粉及蔗糖代谢、氨基酸代谢及脂肪酸降解等代谢途径;基因型间差异表达基因主要富集在芥子油苷生物合成、谷胱甘肽代谢、色氨酸代谢、类苯基丙烷生物合成及酪氨酸代谢等代谢途径。2.甘蓝型油菜响应缺氮胁迫的基因共表达网络对在氮处理间及氮高低效基因型间均差异表达的基因,根据其在D4-15中氮饥饿及正常供氮各时间点表达模式构建权重共表达网络(WGCNA)。根部共得到12个模块,其中6个模块在D2-1、D4-15间表达趋势有明显差异,主要与核糖体生物合成、糖代谢、脂肪酸降解及有机氮化合物代谢等途径相关。地上部共得到13个模块,5个模块在D2-1、D4-15间表达趋势有明显差异,主要与氮代谢、谷氨酸合成、丙酮酸代谢、脂肪酸代谢等代谢途径相关。选取每个网络中连通度居于前十的基因为核心基因,发现大多为植物激素相关基因,如介导生长素转运的WAT1、PGP4、IAA26 isoform X1,响应赤霉素、脱落酸及油菜素甾醇的GASA1,响应赤霉素的DAG2和响应脱落酸的LTI65等,表明植物激素在缺氮胁迫响应中具有重要的调控作用。3.甘蓝型油菜响应短期及长期缺氮胁迫的基因表达氮同化、光合作用及植物激素信号转导相关基因均响应短期缺氮胁迫(6 h、24h)。短期缺氮处理抑制了部分硝酸盐转运子及铵转运子的表达,参与氮同化的NR、NiR和谷氨酸合酶NADH-GOGAT的基因表达也主要受到抑制。光合作用中,光系统Ⅰ和光系统Ⅱ中部分光能捕获及能量传递相关的基因表达被抑制。植物激素代谢与信号转导相关基因的表达同样受到短期缺氮胁迫的影响。长期缺氮胁迫(3 d、7 d)主要影响了糖代谢、氨基酸代谢及脂肪酸合成等途径中的基因表达。长期缺氮胁迫促进了淀粉及蔗糖合成途径中一些基因的表达,糖异生途径中,地上部PEPCK的表达量降低,而PPDK的表达量升高。长期缺氮胁迫促进了与谷氨酸积累相关基因的表达,抑制了与脂肪酸合成与延长相关的大部分同源基因在地上部的表达。氮高效基因型D4-15和氮低效基因型D2-1对缺氮胁迫的响应存在差异。短期缺氮胁迫中,部分NRT、AMT及NR相关基因只在D4-15中的表达受到诱导,可能与D4-15更强的氮吸收及同化能力有关。光合作用中,部分光系统Ⅰ的同源基因只在D4-15中被诱导,可能与其更高的光合效率有关。ABA、IAA、CTK及乙烯合成相关基因也在二者中表达模式不同。长期缺氮胁迫中,参与淀粉合成、淀粉分解及蔗糖合成的一些基因仅在D4-15地上部表达量上升,可能与D4-15更高的干物重有关。与谷氨酸积累和脂肪酸合成相关的同源基因在D4-15中受到长期缺氮胁迫诱导表达,而这些基因的表达在D2-1中没有被诱导,同样表明了D4-15的抗胁迫能力可能强于D2-1。
【图文】：

甘蓝型油菜,基因型

第一片真叶开始变黄，与正常供氮植株相比，氮饥饿植株叶片数目少，叶片面积较小，根系较长（图 3.1 D）。图3.1 甘蓝型油菜氮高、低效基因型响应氮饥饿胁迫的表型差异。（A）甘蓝型油菜氮高低效基因型氮饥饿处理6 h的表型差异；（B）甘蓝型油菜氮高低效基因型氮饥饿处理24 h的表型差异；（C）甘蓝型油菜氮高低效基因型氮饥饿处理3 d的表型差异；（D）甘蓝型油菜氮高低效基因型氮饥饿处理7 d的表型差异，D2-1，氮低效基因型，D4-15，氮高效基因型，0 h、6h、24 h、3 d和7 d代表氮饥饿处理时间。Fig. 3.1 Phenotypic variation of two different genotypes of Brassica napus inresponse to N starvation. (A) Phenotypic variation of two different genotypes of Brassicanapus after 6-hour N starvation; (B) Phenotypic

差异表达基因,时间点,数目,差异表达

部 13298 个，根部 9137 个。既在氮处理间差异表达、又在基因型间差异表达的基因共 8811 个，其中地上部 6271 个，根部 2521 个（图 3.3 E、F）。图3.2 各时间点差异表达基因数目。（A）各时间点根部氮饥饿差异表达基因（-N vs+N）；（B）各时间点地上部氮饥饿差异表达基因（-N vs +N），，D2-1，只在D2-1中差异表达的基因，D4-15，只在D4-15中差异表达的基因，shared表示在二者中都显示差异表达的基因。6 h、24 h、3 d和7 d代表氮饥饿处理时间。DESeq2，|log2(fold change) | > 1 & p.adj <0.05.Fig. 3.2 Number of differentially expressed genes. (A) Number of differentially expressedgenes in the root after N starvation; (B) Number of differentially expressed genes in the shootafter N starvation, D2-1
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S565.4

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