中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (8): 1471-1483.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.004
邢羽桐(), 滕永康, 吴天凡, 刘媛媛, 陈源, 陈媛, 陈德华(
), 张祥(
)
收稿日期:
2022-08-08
接受日期:
2022-12-05
出版日期:
2023-04-16
发布日期:
2023-04-23
联系方式:
邢羽桐,E-mail:xingyt0601_yzu@163.com。
基金资助:
XING YuTong(), TENG YongKang, WU TianFan, LIU YuanYuan, CHEN Yuan, CHEN Yuan, CHEN DeHua(
), ZHANG Xiang(
)
Received:
2022-08-08
Accepted:
2022-12-05
Published:
2023-04-16
Online:
2023-04-23
摘要:
【目的】探讨高温干旱胁迫下缩节胺(mepiquat chloride,DPC)调控Bt(Bacillus thuringiensis)棉杀虫蛋白含量的生理机制,为高抗虫性Bt棉品种选育及高产高效栽培提供理论依据。【方法】2020—2021年以转Bt抗虫基因抗虫棉品种泗抗3号为材料,采用盆栽法,在人工气候室进行高温干旱胁迫,胁迫开始后立即用20 mg·L-1 DPC和清水(对照)喷施。7 d后测定铃壳杀虫蛋白含量、α-酮戊二酸含量、丙酮酸含量以及谷氨酸合酶活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量。并进行转录组测序,利用DESeq进行差异基因分析,通过GO富集和KEGG Pathway数据库注释参与DPC调节杀虫蛋白含量的差异表达基因。【结果】与清水对照相比,DPC可显著提高高温干旱条件下Bt棉铃壳中杀虫蛋白含量,提高幅度达4.7%—11.9%。在碳代谢方面,α-酮戊二酸含量、丙酮酸含量提高46%—57%和25%—29%;在氨基酸代谢方面,谷氨酸合酶活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量分别提高32%—44%、30%—40%、28%和22%—27%。转录组分析结果表明,DPC处理后上调基因7 542条,下调基因10 449条。GO和KEGG结果显示,差异基因主要涉及氨基酸代谢、碳代谢等生物过程。其中编码6-磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶、谷氨酸丙酮酸转氨酶、丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶、谷氨酸合酶、吡咯啉-5-羧酸脱氢酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶、N-乙酰谷氨酸合成酶、乙酰鸟氨酸脱乙酰酶基因表达显著上调。【结论】高温干旱下,DPC通过调节碳、氨基酸代谢增加丙氨酸、α-酮戊二酸含量,提高天冬氨酸、谷氨酸、丙酮酸和精氨酸合成能力,进而提高Bt棉杀虫蛋白含量。
邢羽桐, 滕永康, 吴天凡, 刘媛媛, 陈源, 陈媛, 陈德华, 张祥. 高温干旱下缩节胺通过调节碳和氨基酸代谢提高Bt棉杀虫蛋白含量的生理机制[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1471-1483.
XING YuTong, TENG YongKang, WU TianFan, LIU YuanYuan, CHEN Yuan, CHEN Yuan, CHEN DeHua, ZHANG Xiang. Mepiquat Chloride Increases the Cry1Ac Protein Content Through Regulating Carbon and Amino Acid Metabolism of Bt Cotton Under High Temperature and Drought Stress[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(8): 1471-1483.
表1
DPC对高温干旱胁迫下Bt棉碳、氨基酸代谢和可溶性蛋白含量影响"
年份 Year | 处理 Treatment | α-酮戊二酸含量 α-ketoglutarat content (mg·g-1 FW) | 丙酮酸含量 Pyruvic acid content (mg·g-1 FW) | 谷氨酸合酶活性 Glutamate synthase activity (µmol·g-1·min-1) | 谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性 Glutamic oxaloacetic transaminase activity (µmol·g-1 FW·h-1) | 可溶性蛋白含量 Soluble protein content (mg·g-1 FW) | 游离氨基酸含量 Free amino acid content (µmol·g-1 FW) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2020 | DPC | 0.33±0.01a | 1.5±0.6a | 4.9±0.4a | 26.8±1.1a | 14.5±0.5a | 52.5±3.1a |
清水Water | 0.21±0.03b | 1.2±0.7b | 3.7±0.2b | 19.2±0.5b | 11.3±0.6b | 41.2±5.4b | |
2021 | DPC | 0.41±0.05a | 1.8±0.4a | 4.6±0.3a | 24.6±0.9a | 15.6±0.4a | 49.6±4.8a |
清水Water | 0.28±0.04b | 1.4±0.9b | 3.2±0.1b | 18.9±0.6b | 12.2±0.1b | 40.7±3.7b |
表2
Bt棉转录组数据质量统计"
处理 Treatment | 重复 Repeat | 原始数据 Raw reads | 有效数据 Clean reads | 总映射率 Total mapped rate (%) | 唯一映射率 Uniquely mapped rate (%) | Q30 (%) | GC含量 GC content (%) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
清水 Water | I | 50384077 | 49660559 | 97.74 | 90.26 | 94.72 | 43.69 |
II | 54022636 | 53204746 | 97.78 | 89.89 | 95.10 | 43.73 | |
III | 49503273 | 48769270 | 97.84 | 89.92 | 95.03 | 43.70 | |
DPC | I | 50205819 | 49387930 | 97.61 | 89.70 | 95.16 | 43.75 |
II | 50289705 | 49524244 | 97.67 | 89.85 | 95.17 | 43.75 | |
III | 53487862 | 52617544 | 97.68 | 89.91 | 95.25 | 43.73 |
表3
高温干旱下DPC处理 vs 清水处理铃壳中差异表达基因的GO富集"
GO分类 GO classification | 上调词条 Up term | 差异基因数 Number of differential genes | 下调词条 Down term | 差异基因数 Number of differential genes |
---|---|---|---|---|
生物过程 Biological process | ATP水解耦合质子传输 ATP hydrolysis coupled proton transport | 36 | 对几丁质的反应 Response to chitin | 188 |
三羧酸循环 Tricarboxylic acid cycle | 41 | 植物型次生细胞壁生物合成 Plant-type secondary cell wall biogenesis | 85 | |
对乙烯的反应Response to ethylene | 97 | 防御反应的调控Regulation of defense response | 59 | |
乙烯激活信号通路的负调控 Negative regulation of ethylene-activated signaling pathway | 27 | 光合作用 Photosynthesis | 79 | |
亮氨酸分解代谢过程Leucine catabolic process | 11 | 对受伤的反应Response to wounding | 139 | |
脂肪酸β氧化 Fatty acid beta-oxidation | 35 | 诱导的系统抗性,茉莉酸介导的信号通路 Induced systemic resistance, jasmonic acid mediated signaling pathway | 22 | |
线粒体中电子传递(细胞色素c到氧) Mitochondrial electron transport, cytochrome c to oxygen | 9 | 对寒冷的反应 Response to cold | 191 | |
盐胁迫反应 Response to salt stress | 229 | 油菜素类固醇介导的信号通路调控 Regulation of brassinosteroid mediated signaling pathway | 12 | |
糖酵解过程Glycolytic process | 46 | 对缺水的反应Response to water deprivation | 201 | |
氨基酸跨膜转运 Amino acid transmembrane transport | 38 | 茉莉酸介导的信号通路调控 Regulation of jasmonic acid mediated signaling pathway | 39 | |
细胞组成 Cellular component | 膜组成部分Integral component of membrane | 1314 | 叶绿体类囊体膜Chloroplast thylakoid membrane | 209 |
高尔基体 Golgi apparatus | 380 | 质膜锚定成分 Anchored component of plasma membrane | 127 | |
内质网膜Endoplasmic reticulum membrane | 282 | 叶绿体Chloroplast | 805 | |
高尔基膜Golgi membrane | 216 | 光系统II photosystem II | 44 | |
内质网高尔基中间室 Endoplasmic reticulum-Golgi intermediate compartment | 25 | 膜的锚固组件 Anchored component of membrane | 120 | |
液泡膜Vacuolar membrane | 216 | 质膜Plasma membrane | 1154 | |
线粒体基质Mitochondrial matrix | 56 | 叶绿体类囊体Chloroplast thylakoid | 80 | |
内质网Endoplasmic reticulum | 320 | 纤维素合酶复合物Cellulose synthase complex | 12 | |
线粒体呼吸链复合体IV Mitochondrial respiratory chain complex IV | 9 | 光系统I Photosystem I | 24 | |
液泡Vacuole | 228 | 叶绿体基质Chloroplast stroma | 254 | |
分子功能 Molecular function | 谷胱甘肽转移酶活性 Glutathione transferase activity | 42 | DNA结合转录因子活性 DNA-binding transcription factor activity | 934 |
质子转运ATP酶活性,旋转机制 Proton-transporting ATPase activity, rotational mechanism | 24 | 序列特异性DNA结合 Sequence-specific DNA binding | 539 | |
细胞色素C氧化酶活性Cytochrome-C oxidase activity | 9 | 木聚糖o-乙酰转移酶活性Xylan o-acetyltransferase activity | 21 | |
氨基酸跨膜转运蛋白活性 Amino acid transmembrane transporter activity | 39 | 叶绿素结合 Chlorophyll binding | 37 | |
脂肪酰辅酶A结合Fatty-acyl-coA binding | 15 | 微管结合Microtubule binding | 111 | |
钴离子结合Cobalt ion binding | 33 | 水道活动Water channel activity | 26 | |
乙酰辅酶A C-酰基转移酶活性 Acetyl-CoA C-acyltransferase activity | 8 | 亚油酸13S脂氧合酶活性 Linoleate 13S-lipoxygenase activity | 10 | |
泛醌细胞色素C还原酶活性 Ubiquinol-cytochrome-C reductase activity | 12 | 苯丙氨酸解氨酶活性 Phenylalanine ammonia-lyase activity | 9 | |
烯醇辅酶A水合酶活性Enoyl-CoA hydratase activity | 16 | 蓝光感光活性Blue light photoreceptor activity | 10 | |
蔗糖跨膜转运蛋白活性 Sucrose transmembrane transporter activity | 14 | DNA结合 DNA binding | 721 |
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