科研 | Rice:基于杂草稻幼苗转录组的耐冷机制综合评价与分析(国人1区佳作)

编译:菜鸟菠萝,编辑:十九、江舜尧。

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杂草稻(Oryza)是栽培稻(Oryza sativa L.)的近缘种。它具有很强的非生物胁迫抗逆性;然而,人们对其耐冷性的综合机制研究较少。本研究以空育131为耐寒对照,采用综合评价指数D对133份杂草稻品种的耐冷性进行了评价。133个品种中有39.8%的品种被鉴定为耐冷性强的品种,说明杂草稻群体总体上确实具有较强的耐冷性,并鉴定出两个耐冷性强的品种,分别为WR29和WR157。回归分析表明,氮含量指数、超氧化物歧化酶含量(SOD)、丙二醛(MDA)含量等指标与耐冷性显著相关(P<0.0 5),可作为鉴定耐冷性的指标。通过对本研究中鉴定的耐冷品种WR157的转录组分析,与对照组相比,处理组共鉴定出4645个DEGs,其中2123个上调DEGs,2522个下调DEGs,在2123个上调的DEG中有911个属于98个 KEGG类别,在2522个下调的DEG中有1103个属于115个类别。进一步分析表明,GO:0019740和GO:0006808与氮素利用有关;GO:0009269和GO:0009414与胁迫反应有关;GO:0016491和GO:0016614与氧化还原酶活性有关。同时,基于5个形态指标和9个生理指标的综合评价,揭示了不同地区杂草稻品种的耐冷性,并通过转录组分析揭示了一些与耐冷性相关的指标。研究结果为进一步的耐冷性研究提供了可靠的评价方法,并揭示了一些与耐冷性相关的基因,这将有助于研究人员培育栽培稻品种以提高其耐冷性,同时这些性状有助于提高幼苗的成活率和生长能力,以及未来的产量。

论文ID

原名:Comprehensive Evaluation and Analysis of the Mechanism of Cold Tolerance Based on the Transcriptome of Weedy Rice Seedlings

译名:基于杂草稻幼苗转录组的耐冷机制综合评价与分析

期刊:Rice

IF:3.513

发表时间:2020年2月

通讯作者:张辉、韩龙植

通讯作者单位:中国农业科学院作物研究所

DOI号:10.1186/s12284-019-0363-1

实验设计

水稻(Oryza sativa L.)是最重要的主食作物之一,而非生物胁迫严重影响其产量,其中冷害对栽培稻的生长和产量影响最大。杂草稻作为它的近缘种,尽管它的谷物产量较少,同时是耕地稻田中的一种草害。但杂草稻对胁迫(冷,干旱和盐分)具有很强的抵抗力。

本文以133种杂草稻品种中的30个品种为主在中国科学院温室中进行实验。以空育131(强耐寒品种)为对照,在相同条件下生长至3.5叶期。将冷寒处理组转移到自然低温条件下,其它条件与仍在原始生长环境中的对照组的条件一致。每天将幼苗自然低温处理12h(早8:00~晚20:00),处理7天。根据水稻的标准方法评估耐寒性,于0、3、7d统计叶片枯萎度(LWD),将处理过的幼苗恢复7d后,统计对照及处理组存活率(SR= Ts/CKs)、叶绿素含量(CRI)= Tc/CKc)及氮含量指数(NRI= Tn/CKn)。使用SPSS 17.0进行PCA(主成分分析)分析,相关性和显著性分析。通过综合评价指数D筛选出6个耐寒材料WR16,WR21,WR20,WR155,WR164和WR157。然后测定这6个材料的SOD,CAT,TPI,MDA,Pro,ATPase,ABA,Chl和GSH等指标,评价这6个材料耐寒性,筛选出耐寒性强的材料WR157。以强耐寒性材料WR157为主进行转录组测序分析。

结果

1 基于5种形态指标的耐寒性评价

通过PCA分析将5个形态指标生成了两个综合指标,CI(1)和CI(2),分别有54.54%和32.01%的贡献率,累积贡献率达到86.55%(Table1)。通过综合指数计算苗期耐寒性的综合评价值D,根据D值进行耐寒性评价,D值越大,耐寒性越强。其中WR29的D值为0.8328,WR157的D值为0,8219。对照空育131的D值为0.8181,表明WR29和WR157比对照空育131的耐寒性更强,共筛选出6个材料。而通过回归分析结果表明NRI与耐寒性显著相关(r=0.926,P<0.01),表明NRI是一个耐寒性评估的关键性指标。

Table 1综合指数CI(x)和贡献率

2 基于生理指标的耐寒性综合评价

6个材料的9个生理指标的PCA分析表明,前3个的CI的贡献率达到了93,84%(Table 2),计算综合耐寒性指数pD(Table 3)结果表明,WR157具有最大相对耐寒指数,WR155则具有最小耐寒指数(Fig1)。回归分析结果表明,SOD和MDA是评估耐寒性的重要指标(Fig2,Fig3)。pD的SOD值(r=0.971,P<0.01)与pD的MDA的值之间存在显著的正相关(r=0.921,P<0.01)(Fig2,Fig3)。针对形态和生理的耐寒性综合分析,筛选了与耐寒性显著相关的性状,并基于转录组分析,关联分析这些性状与耐寒性相关途径。

Table2综合指数p CI(x)和贡献率

Table3每个品种不同的综合评价值

Fig1 6个材料的9个生理指标的耐寒性变化趋势

Fig2 6个材料的SOD变化

Fig3 6个材料额MDA变化

3 基于转录组学的苗期耐寒性分析

选择抗寒性强的品种WR157用于转录组分析。共鉴定出4645个差异表达基因,分别有2133个上调差异表达基因和2552个下调差异表达基因(Fig4),上调差异表达基因中1721个被注释,其中226个基因被命名,226个基因中有10个基因显著上调(log2倍数变化> 5.0)。下调差异表达基因中,1886个被注释,210个基因被命名,210个基因中有14个基因显著下调(log2倍数变化<-5)(Fig4)。

Fig4 WR157T和WR157CK之间上调(红色)和下调(绿色)的差异表达基因(共4645个DEG)

4 基于差异表达基因的GO分析

通过GO分析表明,所有上调表达的差异基因中545个富集在分子功能,694个富集在生物学过程中,149个富集在细胞组成中(Fig5)。在下调的中,612个富集在分子功能,772富集生物学过程,182个富集在细胞组成。其中上调表达的差异基因(共175个terms显著富集)中(Over_represented_pValue<0.05),在生物过程中富集了113个,在分子功能中富集了51个,在细胞组成中富集了11个;下调基因(共182个terms显著富集)中在生物过程中富集了120个,在分子功能中富集了51个,并且在细胞组成中富集了11个。基于上述差异表达基因,分析了显著富集的前20个terms(p<0.05),其主要分布在细胞组成和生物过程类别中,包括细胞部分,细胞内和细胞生物合成过程,细胞内部分,细胞内细胞器,细胞器,细胞大分子生物合成过程,大分子生物合成过程,基因表达,细胞质和核糖体(Fig6)。其中GO:0019740和GO:0006808参与了氮的利用,这与我们将NRI与耐寒性相关的发现相一致。 GO:0009269和GO:0009414与胁迫响应有关,这表明这些DEG与耐寒性有关。GO:0005623和GO:0044464显示了与细胞组成有关,其中有1072个DEG富集;GO:0016491显示了与氧化还原酶活性相关,其中有266 个DEG的富集;并且GO:0016614,GO:0016616,GO:0016667,GO:0016627和GO:0016715均与氧化还原酶活性相关,这支持我们使用MDA和SOD作为耐寒性评估指标。

Fig5 GO富集分析;*:pValue<0.05

Fig6 前20个term富集的DEG数

5 KEGG通路分析

KEGG通路分析结果表明,在2123个上调的DEG中有911个属于98个KEGG类别,在2522个下调的DEG中有1103个属于115个类别。上调表达的可分为9类(Fig7,Fig8),其中核糖体途径有55个DEG;表明该途径可能调节应激诱导基因的表达。植物激素信号转导途径有42个DEG,表明这些途径也可能与胁迫反应有关。氨基酸的生物合成途径富集36个DEG;植物与病原体的相互作用途径富集了35个DEG;苯丙氨酸,酪氨酸和色氨酸(三种必需的芳香族氨基酸)的生物合成途径富含13个DEG。磷脂酰肌醇信号传导途径有11个DEG,肌醇磷酸代谢途径有10个DEG,2-oxocarboxylic acid代谢途径富集10个DEG。

Fig7 根据KEGG分析,在WR157T和WR157CK中上调DEG的通路富集分析。

Fig8 KEGG通路中每个类别中显著上调的DEG数量

讨论

杂草稻耐寒性评价

对于每种杂草稻,其恢复指数反映了其耐寒性。在这项研究中,研究者根据SR,CRI,NRI和LWD的值选择了综合恢复指数D,并选择RLWD7来评估耐寒性。通过回归分析,结果发现NRI与耐寒性相关,因此不仅可能是耐寒性的组成部分,而且可以作为水稻耐寒性的评估指标。对DEG的GO分析表明,GO:0019740和GO:0006808与氮的利用和调节有关,这证实了NRI在对抗冷害方面确实起着重要作用。此外,参与光合作用相关的GO:0009765,GO:0019684和GO:0015979也表明叶绿素也可以是耐寒性评估的重要指标。同时,叶绿素含量也是用作非生物胁迫的指标。而SOD可用作鉴定杂草稻耐冷性的生理指标,因此研究者测量了6个品种的SOD活性,发现pD和SOD活性(Fig2)以及pD和MDA含量(Fig3)之间存在显著的正相关。因此,pD值可用于对不同水稻品种的耐寒性进行分类,而SOD和MDA对水稻的耐寒性评估产生关键影响。GO:0016491,GO:0016614,GO:0016616和GO:0016667与氧化还原酶活性有关,并且可以解释SOD活性和MDA含量作为重要评估指标。其它生理指标也可能与耐寒性相关:GO:0009415和GO:0009414与水分利用率相关,这表明耐寒性与抗旱性有关。

耐寒品种的转录组分析

所有显著上调或下调的DEG都与植物的抗逆性或抗氧化性有关。OS08G0189900编码类萌发素蛋白GmGLP10并增强了对细菌的抵抗能力。OS01G0566500可以缓解植物的氧化胁迫,这与在低温胁迫条件下产生的MDA和SOD有关;OS08G0509100与脂氧合酶的合成有关,同时激活大豆(Glycine max)的抗氧化能力等。

KEGG分析将上调和下调的DEG进行分类,其中主要为核糖体通路(Fig8)。该通路可能主要调节应激诱导基因的表达。核糖体是由蛋白质和rRNA组成的重要细胞器。随后的rRNA修饰主要发生在核糖体中,这些rRNA修饰在发育等相关过程中响应环境变化(寒冷,干旱和盐分)。这表明在不利条件下核糖体修饰有助于基因表达的翻译调控。同时还有植物激素信号转导通路,表明该通路与胁迫反应相关,如脱落酸(ABA),水杨酸和乙烯对非生物胁迫有一定作用。激素信号转导的交互性质使防御反应的介导成为可能。氨基酸的生物合成也可能在对压力的反应中起作用,有研究表明甘氨酸提高了水稻的耐冷性。

研究结果表明,基于5个形态指标和9个生理指标的综合评估显示,不同地区的杂草稻品种具有不同的耐寒性水平,并通过转录组分析筛选了一些与耐寒性相关的基因。该研究结果为进一步的耐寒性研究提供了可靠的评估方法,并揭示了一些与耐寒性相关的基因,这将有助于研究人员培育栽培水稻品种以提高其耐冷寒性。

评论

非生物胁迫对农业生产影响越来越大,特别冷胁迫影响水稻产量。目前有关耐寒性机制的研究较少,但其在预防和减少寒冷损害中起着重要作用。本文以133份杂草稻为材料,通过五个形态学指标评估了133个品种的耐寒性,以综合评价指数D筛选了6个耐寒性材料,同时以9个生理为主筛选出1个代表性品种(WR157),通过转录组分析来鉴定耐寒性并分析了耐寒性机理。为进一步研究水稻耐寒性机理提供了信息。


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