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转录组与代谢组联合解析四个椰子品种响应盐胁迫的分子调控机制

【摘要】:椰子是海南的省树,在海南人民的经济和生活中起着非常重要的作用。不同于其它的作物,椰子的传播方式非常独特,成熟的椰子果随着洋流进行传播,着陆后,在沙滩上发芽生长,据文献记载,我国的椰子可能源于马来半岛,在汉代,随洋流进入我国,并形成海南本地的高种椰子群落。由于椰子的传播和生长特点,使得椰子非常耐盐(适度的嗜盐),适度的灌浇海水能增加椰子的产量,在菲律宾甚至用海水来浇灌椰子树。然而,由于椰子种植区域的限制,目前,以椰子为研究对象的科研单位非常少,使得椰子的研究一直滞后,椰子耐盐的机制也未被阐述。本研究以海南本地高种,香水椰子,黄矮和红矮为研究材料,本地高种,香水椰子对盐害的耐受能力更强,而黄矮和红矮相对较弱。应用转录组分析和代谢组研究椰子耐盐的潜在分子机制。本研究用300 mmol/L的溶液处理四个不同品种椰子的幼苗,并取其新叶片分为两份。其中一份提取椰子叶片总RNA并进行转录组测序。另一份进行代谢组成分测序。通过转录组数据,我们共注释29109个基因,并用log以2为底的函数对其进行均一化处理。其中四个椰子品种10天、5天、1天转录组数据与0天转录组数据相比,差异表达倍数在两倍以上的基因共有746个。结合差异表达数据,我们重点关注细胞壁、细胞膜、可溶性小分子、去氧自由基、离子通道相关基因。在这些基因中,细胞壁相关基因有15个、脂质相关基因有40个、转运蛋白相关基因有16个、活性氧清除物质相关基因有17个、有机可溶性物质相关基因有3个、转录因子基因有52个。通过代谢组数据的分析,我们发现四个椰子品种10天、5天、1天代谢组数据与0天代谢组数据相比,差异表达倍数在2倍以上的代谢产物有440种,其中类黄酮物质多达147种。对椰子四个不同品种转录组和代谢组数据联合分析后得出以下结论。椰子可能主要通过角质层的增厚、细胞壁结构的改变、生物膜转运蛋白的增加以及活性氧清除物质的增加四个方面来响应盐胁迫。1.角质层增厚相关的蜡质合成基因CER1、CER2、CER3与非特异性脂质转移蛋白基因LTP3、LTP4、LTP5。相较于其他脂类相关的表达基因拥有更高的表达量和差异表达倍数。其中CER2的差异表达倍数最高,高达6倍且FPKM值在四个品种中均在100以上。2.细胞壁相关基因纤维素合成酶基因CSLD1和木葡聚糖转糖苷酶基因/水解酶基因XTH2被明显诱导表达,而木葡聚糖转糖苷酶基因/水解酶基因XTH1、XTH3、XTH4、XTH5下降表达。在这些基因中,木葡聚糖转糖苷酶基因/水解酶基因XTH2表达最强烈,其在四个椰子品种中均被诱导表达,且差异表达倍数高达5倍。椰子可能通过大量表达木葡聚糖转糖苷酶基因/水解酶基因XTH2,使椰子细胞壁变得更加紧密,从而增强耐盐性。3.ABC转运蛋白G家族基因ABCG2、ABCG3与钾离子通道蛋白基因AKT相较于其他转运蛋白差异表达基因拥有更高的表达量,维持细胞内外Na+与K+浓度平衡可能是椰子响应盐胁迫的重要手段。4.活性氧清除物质相关基因中,过氧化物酶基因POD1、POD2、POD3、POD4、POD5、POD6和谷胱甘肽转移酶GST1、GST2、GST3、GST4、GST5,均被明显诱导表达。尤其谷胱甘肽转移酶GST2的FPKM达到4000以上。类黄酮物质具有解除金属离子毒害和抗氧化的功能,在类黄酮生物合成途径中,类黄酮生物合成相关差异表达基因CHS、CHI、F3H、ANR、LAR、LDOX、DFR、FLS等与类黄酮代谢产物柚皮苷查尔酮、表儿茶素、杨梅素、槲皮素、山奈酚、二氢山奈酚、高良姜素、阿夫儿茶素、天竺葵素、二氢槲皮素、表没食子酸儿茶素、矢车菊素、花翠素、没食子儿茶素、圣草酚、柚皮素、芹菜素、木犀草素、根皮素、二氢杨梅素等均具有较高的表达量且类黄酮代谢产物与之所对应的合成酶基因也具有一致的变化趋势。此外,查尔酮合成酶基因CHS1、CHS2、CHS3、二氢黄酮醇还原酶基因DFR和无色花青素还原酶LAR均被其上游激活差异表达转录因子MYB1与TT2诱导表达。其中无色花青素还原酶LAR的FPKM值最高,达到700以上。且在类黄酮物质中,无色花青素参与催化生成的阿夫儿茶素的表达量最大,峰面积数量级达到了8。可见类黄酮物质在椰子响应盐胁迫中发挥着重要的作用。

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2 海南日报记者 李佳飞 特约记者 黄良策;[N];海南日报;2020年
3 记者 许雅 通讯员 谷家福 吴思敏;[N];海南农垦报;2019年
4 本报记者 钟颢;[N];海南农垦报;2019年
5 记者 傅人意;[N];海南日报;2020年
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7 重庆商报-上游新闻记者 唐小堞;[N];重庆商报;2020年
8 本报记者 徐晶卉;[N];文汇报;2020年
9 本报记者 操戈 邓卫哲;[N];农民日报;2019年
10 记者 傅人意 李佳飞;[N];海南日报;2019年
11 本报记者 张晴丹;[N];中国科学报;2019年
12 张晴丹;[N];粮油市场报;2019年
13 本报记者 夏贞吉;[N];海南农垦报;2019年
14 记者 操戈 邓卫哲;[N];农民日报;2019年
15 本报记者 李佳飞 实习生 梁小奕;[N];海南日报;2019年
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17 记者 傅人意;[N];海南日报;2019年
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19 记者 吴雪君;[N];工人日报;2018年
20 本报记者 黎鹏 通讯员 张晓玲;[N];海南农垦报;2018年
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