怀菊花响应黑斑病病原菌相关基因的转录组学分析

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怀菊花(Chrysanthemum morifolium Ramat.)是我国著名的“四大怀药”之一,有着巨大的商业价值。在生产上,由链格孢属真菌引起的黑斑病是造成怀菊花产量和品质下降的重要因素之一,种植抗病品种能够有效地防控该病的发生和流行,目前,从分子水平上培育菊花抗病品种的育种技术安全可靠,但有关怀菊花响应黑斑病病原菌侵染的分子机制的研究有待继续深入。为了从转录组水平上研究怀菊花响应链格孢属交链孢菌(Alternaria sp.)引起的黑斑病的应答反应,本研究以怀菊花接种无菌水0 d(对照)及接种A.sp.后3 d和5 d的叶片为材料,提取总RNA,构建样品的cDNA文库,利用Illumina HiSeq 2000测序平台进行了转录组测序分析,结果如下:1.获得了怀菊花响应黑斑病病原菌相关基因转录组测序的基本信息。本次测序共获得了544,411,736个Raw Reads,对其进行过滤之后,CmCK01、CmCK02、CmCK03、CmA31、CmA32、CmA33、CmA51、CmA52、CmA53分别获得了56,583,406、62,933,114、53,182,862、62,100,372、47,401,094、62,287,656、66,060,304、58,149,022、57,499,778个高质量的clean reads,共58.6 G的数据量,每个样品中碱基识别正确率达99%的序列均在94%以上,拼接组装后,取最长转录本作为Unigene,共得到了350,833个转录本和162,252条Unigene,平均长度分别为822 bp和701 bp,最短的均为201 bp,最长的均为106,811 bp,中等长度的分别为537 bp和397 bp,转录本和Unigene的长度在500 bp以上的分别有185,500和64,500个,各占52.9%和39.8%,在1000 bp以上的分别有92,614和30,545个,各占26.4%和18.8%,拼接得到的短序列占比多于长序列,符合转录组序列长度分布的一般规律。2.获得了Unigene在多个数据库中的功能注释信息。通过Blast将Unigene序列与蛋白数据库NR、GO、KOG、KEGG、SwissProt、PFAM及核酸数据库NT进行比对,对于比对时设置的E-value阈值,NR、NT、SwissProt、KOG均为1e-5,GO为1e-6,KEGG为1e-10,其中至少在一个数据库注释上的Unigene共有57,890条,占35.67%,在7个数据库同时注释上的Unigene共5124条,NR蛋白数据库注释上了48,795条,NT核酸数据库注释上了17,796条。3.得到了Unigene的GO、KOG及KEGG功能分类信息。基于Nr及Pfam两个数据库的注释信息,被归类到GO功能分类三个大类的37,239(23%)条Unigene共涉及到56个更为具体的亚类。三个大类生物学过程、细胞成分及分子功能各有89,121(54.9%)、55,661(34.3%)和45,263(27.9%)条Unigene;亚类中结合(binding)及细胞过程(cellular process)包含的Unigene数目最多,分别有21,179(56.9%)和20,485(55.0%)。共有16,034条Unigene在KOG数据库被注释到了25个功能类别上,其中R类一般功能预测(general function prediction only)包含3037个Unigene,数目最多,占19.0%。根据14,356条Unigene的KEGG注释进行了Pathway一二三级分类,KEGG代谢通路一级分类的5个大分支在二级分类中被分为32条通路,其中被注释到信号转导通路(signal transduction)的Unigene数目最多,有1673条,占11.7%,在三级分类中被分为276条通路,碳代谢(carbon metabolism)途径Unigene数目最多,有537条,占3.47%,此外,与抗病相关的代谢途径,如植物激素的信号转导(plant hormone signal transduction)和植物与病原菌互作(plant-pathogen interaction)等分别有381和363条Unigene。4.初步了解了Unigene的结构信息。对Unigene的蛋白编码序列(CDS)和微卫星位点(SSR)进行分析,共得到了85,218条Unigene的CDS序列及分布在14,705条Unigene序列中的16,581个SSR位点,其中CDS长度分布在201300 bp的Unigene最多,SSR类型中单核苷酸重复类型最多。5.基本明确了差异表达基因的相关信息。(1)CmA3 vs CmCK0和CmA5 vs CmCK0之间符合|log2foldchange|>l的条件的差异表达基因分别有16,550和13,559条,其中有8422个共表达差异基因;(2)GO富集到的功能类别中蛋白磷酸化(protein phosphorylation)和蛋白激酶活性(protein kinase activity)最显著,KEGG显著性富集到了植物与病原菌的互作(plant-pathogen interaction)、植物激素信号转导(plant hormone signal transduction)、苯丙烷的生物合成(phenylpropanoid biosynthesis)、类黄酮生物合成(flavonoid biosynthesis)等代谢通路,以植物与病原菌的互作和植物激素信号转导通路最显著。显著性富集到的这些功能类别和代谢通路大多数与植物抗病相关且差异表达基因上调的明显多于下调的,此外,那些参与光合作用等的代谢通路相关的一些差异表达基因则被显著性下调;(3)怀菊花在黑斑病的胁迫下,启动了SA、JA/Eth、MAPK、Ca2+介导的多条信号途径,可能通过调节活性氧的平衡来抵御病原菌的入侵,激活了WRKY、ERF、MYB、bHLH、NAC等大量的与抗病相关的转录因子高表达,其中MPK6/MPK3途径及WRKY33转录因子可能发挥着关键作用。以上应答黑斑病病原菌的怀菊花转录本及其潜在功能的分析,丰富了怀菊花基因表达谱,挖掘了大量的候选差异表达基因,为怀菊花抗病品种的培育及研究怀菊花抗黑斑病的机制奠定了基础。
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