中国南瓜获得性耐热的转录组分析及相关基因家族鉴定

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植物只能固定生长在某一地方无法自主躲避高温环境,所以植物进化出不同的适应机制以便在不利条件下生存。当植物暴露在短期高温环境中被诱导产生抵御严酷高温的能力,这种现象称为获得性耐热(acquired thermotolerance)。中国南瓜作为较为耐高温及耐旱的植物,其本身就具有较高的基础性耐热,对南瓜幼苗进行获得性耐热的研究,不仅能够了解南瓜获得性耐热的分子机制,而且为进一步提高南瓜的耐热性提供理论依据。本研究通过对24份南瓜材料进行热害指数调查,筛选出耐高温的候选材料,随后测定候选材料的高温半致死温度,筛选出耐高温的“24”号中国南瓜材料进行实验,通过测定过氧化氢酶活性来确定热诱导和高温胁迫处理的时间;“24”号中国南瓜幼苗长到两叶一心期时,分两组进行不同的热胁迫处理,取样测转录组。根据RNA-seq测序结果比较两种不同的热胁迫处理之间的差异,分析中国南瓜耐热的分子调控机制,发掘南瓜获得性耐热的关键基因。利用中国南瓜基因组数据库进行搜索对比筛选出热激蛋白70家族基因,然后用生物信息学技术对基因家族进行鉴定,同时对其不同模式下的基因表达进行分析。研究结果如下:(1)通过热害指数调查结果对24份南瓜材料进行排序,热害指数较低的耐热候选品种为:8、23和24号南瓜材料,结合高温半致死温度的测定结果:24(55.36℃)>23(54.14℃)>8(48.78℃),确定最耐热的南瓜材料为“24”号中国南瓜。(2)结合过氧化氢酶活性随温度处理的变化,选定两种不同热处理的试验方案。获得性热处理试验(经过38℃热诱导):南瓜幼苗在25℃条件下生长至两叶一心期,随后置于38℃较高温度中适应180 min,再让其在25℃下恢复5 h,最后在45℃条件下高温胁迫处理180 min;热处理试验(无38℃热诱导):25℃条件下生长至两叶一心期,直接置于45℃的高温胁迫180 min。(3)获得性热处理试验中共有6193个差异表达基因,热处理试验中共有6293个差异表达基因。分析两种不同热处理之间的差异发现没有经过38℃热诱导处理,南瓜需要启动更多的基因功能以便植物体能够更好的抵御高温胁迫。KEGG pathway富集显示有10条KEGG富集途径是获得性热处理所特有的,其中内质网中的蛋白质加工(csv04141)途径中富集基因数量最多,这条途径富集了大量的热激蛋白和热激转录因子,主要与内质网相关蛋白质降解有关。利用Map Man软件对差异表达基因进行代谢途径可视化分析,结果表明没有经过热诱导过程的差异表达基因在生长素信号转导途径中下调明显。(4)从Pfam蛋白家族数据库中下载HSP70(PF00012)结构域的隐马尔可夫模型文件,对中国南瓜的蛋白序列进行隐马尔可夫模型(HMM)搜索,共得到15个Cm HSP70基因。基因家族的结构分析表明Cm HSP70基因家族含有大量响应生物/非生物胁迫的顺式作用元件;表达分析表明经过38℃热诱导过程可以诱导部分Cm HSP70基因表达量增加,而且除Cm HSP70-10外都参与高温胁迫的响应过程。利用RNA-seq技术在转录组水平对中国南瓜叶片两种不同热胁迫处理下的分子调控机制进行研究,结果表明热诱导过程不仅能够激活热激蛋白等基因的表达,同时还能够诱导代谢和细胞调节使其更好的适应之后的高温胁迫。这些结果为更好的了解南瓜获得性耐热的机制提供理论依据。
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