中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (8): 1575-1591.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.08.012
收稿日期:
2023-09-18
接受日期:
2023-12-15
出版日期:
2024-04-16
发布日期:
2024-04-24
通信作者:
联系方式:
林蔚,E-mail:Linw102@163.com
基金资助:
LIN Wei(), WU ShuiJin, LI YueSen
Received:
2023-09-18
Accepted:
2023-12-15
Published:
2024-04-16
Online:
2024-04-24
摘要:
【目的】低温是导致香蕉减产的主要自然灾害之一。基于转录组与蛋白质组关联分析参与香蕉抗寒的相关基因、蛋白及信号、代谢通路调控网络,探讨香蕉抗寒的分子机制。【方法】以巴西蕉为试材,在7 ℃低温下处理1 d(Cold1)和3 d(Cold3),以28 ℃培养的巴西蕉为对照(CK),基于笔者课题组前期获得的蛋白质组数据,利用转录组测序技术检测巴西蕉在低温胁迫下基因调控网络的变化,同时与蛋白质组学数据进行关联分析,共同解析巴西蕉响应低温胁迫的分子机制。【结果】转录组分析结果显示,Cold1 vs CK、Cold3 vs CK和Cold1 vs Cold3三个对比组分别鉴定出11 370、15 460和9 619个差异表达基因,对这些基因的KEGG富集分析发现,差异表达基因在光合作用信号、谷胱甘肽代谢、α-亚麻酸代谢途径和苯丙素生物合成等多个低温胁迫关键信号代谢通路中富集。对部分差异表达基因进行实时荧光定量(qRT-PCR)分析,其中DREB、MAPK和MYB等低温调控关键基因的表达量在低温处理后显著上升,所选20个基因的表达变化趋势与RNA-seq基本相符,证实了RNA-seq的准确性。转录组与蛋白质组关联分析结果显示,共鉴定到6 211个与转录本相对应的蛋白,转录组与蛋白质呈现正相关关系,共有105个转录本及其对应的蛋白表达量共同上调,有218个转录本及其对应的蛋白表达量共同下调。GO富集分析显示,差异表达基因和蛋白在光响应、叶绿体、氧化还原酶活性等功能大量富集。此外,对差异表达基因和蛋白KEGG通路的关联分析发现,低温处理抑制了苯丙素生物合成和光合作用信号途径相关基因及蛋白的表达,促进了α-亚麻酸代谢和谷胱甘肽途径的表达。【结论】运用转录组结合蛋白质组学技术绘制了基因和蛋白质水平上的香蕉抗寒调控网络,并发现香蕉响应低温的信号通路主要涉及光合作用信号、谷胱甘肽代谢、α-亚麻酸代谢途径和苯丙素生物合成等途径。
林蔚, 吴水金, 李跃森. 转录组和蛋白质组关联分析解析巴西蕉幼苗响应低温的分子机制[J]. 中国农业科学, 2024, 57(8): 1575-1591.
LIN Wei, WU ShuiJin, LI YueSen. Transcriptome and Proteome Association Analysis to Revealthe Molecular Mechanism of Baxi Banana Seedlings in Response to Low Temperature[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(8): 1575-1591.
表1
qRT-PCR引物序列信息"
基因名称(基因ID) Gene name (Gene ID) | 引物序列 Primers sequence (5′-3′) | |
---|---|---|
正向 Forward | 反向 Reverse | |
MaMYB (LOC103972162) | CTGCCCTTTCGTCTGTCTTC | CAGTTCTCGGCAGGAGGTAG |
MaDREB (LOC103990508) | GACAGAGAGCTCAGCACACG | AGCATCGACATCATCCCAAT |
MaWRKY45 (LOC108952331) | AGTGGGTCAGAGCCTTGAGA | TGCACTCCGTCGTAAGTGAC |
MaMYBP (LOC103998926) | GCTCATCATCAAGCTCCACA | CTCGAAATGGGTGGCTGTAT |
MaWRKY33 (LOC103989687) | CGGGTTGTCTTCCATGAGAT | CCTCCAGTTGTATCCGTCGT |
MaMYC (LOC103985317) | TCTCCATGACCCAGTCCTTC | GAAGAGGACGCTGATCTTGC |
MaCPK29 (LOC103995457) | GCAATTCAGAGCGATGAACA | CCAGCCTTCTCAGTCCAGTC |
MaMAPK5 (LOC103996929) | AACCCGAGCTTGGATTTCTT | AGAAAGGGTCCATGCAAGTG |
MaWRKY24 (LOC103989687) | CGGGTTGTCTTCCATGAGAT | CCTCCAGTTGTATCCGTCGT |
MaGST U17 (LOC103994768) | TGGTTTGACAGCCACCATTA | CACTTCCGCCATCTCTTCTC |
MaGST F12 (LOC103981216) | CAACAAGGTCCTGGAGGTGT | TTGACGTGCTTCTTGTCGTC |
MaGST F10 (LOC103982403) | TGGTCGAACAGAGCATGAAG | TCCCACCACCTGTACACCTT |
MaGST zeta (LOC103995971) | TCGGCTCGAGTATTCAACCT | TTTGGAAGCGCACTAATCCT |
MaGST T1 (LOC103973270) | TTTCGAGGAGGTGAGGATTG | GATACCAATGGTCCGGAATG |
Ma14-3-3 (LOC103985456) | TGAGGATCATGTTTCCGTGA | GCCTCCTTCCTTTCATTTCC |
MaMKK5 (LOC103981573) | GGATCAACACCGACCTCAAC | CAGATGGCCACCATGAGAC |
MaCML49 (LOC103972901) | CCCAAAGGAAGGGAAGACTC | TGTTGCAGCTCCTTGTCATC |
MaCML18 (LOC103994211) | GCTTTGAACGCGTCTTCTTC | GGTCAAGCAAGGAGACCTCA |
MaCML31 (LOC104000196) | TGATTCTCGTCAATCCAACG | TTTGTCGTGCTGCTTATTGG |
MaCML10 (LOC103995933) | TTCGTCGAACTCAACACCAG | GGTCATCATGGCCTTGAACT |
MaACTIN (LOC103992883) | CGTAGCACCAGAAGAACA | CATAAAGGGAGAGGACAG |
表2
转录组测序数据质控分析"
样品名称 Sample name | 过滤后序列 Clean reads | 过滤后总数据量 Clean bases | 碱基错误率 Error rate (%) | Q20 (%) | Q30 (%) | GC (%) |
---|---|---|---|---|---|---|
CK1 | 55962510 | 8251833288 | 0.0266 | 97.39 | 92.72 | 54.51 |
CK2 | 54693020 | 7946130178 | 0.0267 | 97.38 | 92.69 | 53.64 |
CK3 | 46556340 | 6760589819 | 0.0273 | 97.16 | 92.15 | 53.30 |
Cold1-1 | 43765858 | 6433985244 | 0.0268 | 97.34 | 92.49 | 50.46 |
Cold1-2 | 49835534 | 7319445856 | 0.0275 | 97.07 | 91.89 | 50.12 |
Cold1-3 | 45665780 | 6692564466 | 0.0272 | 97.21 | 92.18 | 50.38 |
Cold3-1 | 43171118 | 6347773723 | 0.0275 | 97.07 | 91.9 | 50.69 |
Cold3-2 | 47440180 | 6960515302 | 0.0276 | 97.04 | 91.83 | 50.43 |
Cold3-3 | 43284622 | 6385904142 | 0.0276 | 97.06 | 91.86 | 50.56 |
表3
基因组对比结果"
样品名称 Sample | 过滤序列总数 Clean reads | 总比对(对比率) Totalmapped (Mapping ratio, %) | 多方比对(对比率) Multiple mapped (Mapping ratio, %) | 唯一比对(对比率) Uniquely mapped (Mapping ratio, %) |
---|---|---|---|---|
CK1 | 55962510 | 51136284 (91.38%) | 853090 (1.52%) | 50283194 (89.85%) |
CK2 | 54693020 | 49654543 (90.79%) | 792871 (1.45%) | 48861672 (89.34%) |
CK3 | 46556340 | 42271280 (90.8%) | 647597 (1.39%) | 41623683 (89.4%) |
Cold1-1 | 43765858 | 38887517 (88.85%) | 553404 (1.26%) | 38334113 (87.59%) |
Cold1-2 | 49835534 | 44029762 (88.35%) | 605472 (1.21%) | 43424290 (87.14%) |
Cold1-3 | 45665780 | 40473620 (88.63%) | 548796 (1.2%) | 39924824 (87.43%) |
Cold3-1 | 43171118 | 38239493 (88.58%) | 596851 (1.38%) | 37642642 (87.19%) |
Cold3-2 | 47440180 | 42055866 (88.65%) | 728177 (1.53%) | 41327689 (87.12%) |
Cold3-3 | 43284622 | 38397112 (88.71%) | 702198 (1.62%) | 37694914 (87.09%) |
表4
差异表达基因的COG注释分类情况"
功能分类 Functional classification | Unigene数量 Unigene number | ||
---|---|---|---|
Cold1/CK | Cold3/CK | Cold1/Cold3 | |
RNA加工和修饰 RNA processing and modification | 29 | 58 | 25 |
染色质结构与动力学 Chromatin structure and dynamics | 74 | 98 | 53 |
能源生产和转换 Energy production and conversion | 185 | 250 | 164 |
细胞周期控制、细胞分裂 Cell cycle control, cell division | 118 | 154 | 89 |
氨基酸运输和代谢 Amino acid transport and metabolisS | 255 | 385 | 251 |
核苷酸运输和代谢 Nucleotide transport and metabolism | 63 | 87 | 59 |
碳水化合物运输和代谢 Carbohydrate transport and metabolism | 505 | 604 | 413 |
辅酶转运与代谢 Coenzyme transport and metabolism | 85 | 123 | 74 |
脂质运输和代谢 Lipid transport and metabolism | 195 | 275 | 179 |
核糖体结构与生物发生 Ribosomal structure and biogenesis | 240 | 417 | 242 |
转录 Transcription | 1093 | 1396 | 898 |
复制、重组和修复 Replication, recombination and repair | 136 | 228 | 145 |
细胞壁、膜、包膜生物发生 Cell wall, membrane,envelope biogenesis | 168 | 224 | 148 |
细胞运动 Cell motility | 5 | 5 | 5 |
翻译后修饰 Posttranslational modification | 763 | 1176 | 760 |
无机离子运输和代谢 Inorganic ion transport and metabolism | 176 | 250 | 165 |
次生代谢产物生物合成 Secondary metabolites biosynthesis | 166 | 235 | 169 |
信号传导机制 Signal transduction mechanisms | 784 | 1107 | 673 |
胞内运输 Intracellular trafficking | 338 | 522 | 315 |
防御机制 Defense mechanisms | 80 | 99 | 72 |
核结构 Nuclear structure | 0 | 2 | 1 |
细胞骨架 Cytoskeleton | 133 | 173 | 98 |
表5
部分差异表达Unigene的代谢通路"
代谢通路 Pathway | 代谢通路编号 Pathway ID | Unigene数目Unigene number | |
---|---|---|---|
Cold1/CK | Cold3/CK | ||
氨基酸代谢 Amino acid metabolism | map00310 | 19 | 21 |
map00380 | 30 | 35 | |
map00260 | 37 | 42 | |
map00270 | 67 | 88 | |
map00360 | 16 | 25 | |
map00280 | 16 | 22 | |
脂质代谢 Lipid metabolism | map00071 | 12 | 26 |
map00061 | 17 | 24 | |
map00073 | 17 | 13 | |
map00062 | 26 | 24 | |
map00564 | 51 | 83 | |
map00561 | 42 | 75 | |
map00600 | 17 | 37 | |
map00591 | 16 | 12 | |
map00592 | 29 | 35 | |
苯丙素生物合成 Phenylpropanoid biosynthesis | map00940 | 100 | 116 |
α-亚麻酸代谢 α-Linolenic acid metabolism | map00592 | 29 | 35 |
辅因子和维生素的代谢 Metabolism of cofactors and vitamins | map00790 | 12 | 15 |
map00860 | 30 | 39 | |
map00760 | 12 | 17 | |
其他次生代谢产物的生物合成 Biosynthesis of other secondary metabolites | map00960 | 11 | 20 |
map00941 | 22 | 36 | |
map00940 | 100 | 116 | |
map00945 | 11 | 20 | |
类胡萝卜素生物合成 Carotenoid biosynthesis | map00906 | 16 | 23 |
碳水化合物代谢 Carbohydrate metabolism | map00040 | 34 | 43 |
map00051 | 42 | 62 | |
map00053 | 38 | 45 | |
map00052 | 27 | 36 | |
光合作用信号途径 Photosynthetic signaling pathway | map00719 | 51 | 60 |
能量代谢 Energy metabolism | map00196 | 29 | 26 |
map00710 | 51 | 60 | |
map00910 | 19 | 22 | |
半乳糖代谢 Galactose metabolism | map00052 | 27 | 36 |
谷胱甘肽代谢 Glutathione metabolism | map00480 | 40 | 64 |
[1] |
吴烁凡, 何维弟, 李春雨, 董涛, 毕方铖, 盛鸥, 邓贵明, 胡春华, 窦同心, 高慧君, 刘思文, 易干军, 姚振, 杨乔松. 香蕉抗寒分子机制研究进展. 果树学报, 2022, 39(3): 483-494.
|
|
|
[2] |
谢江辉. 新中国果树科学研究70年: 香蕉. 果树学报, 2019, 36(10): 1429-1440.
|
|
|
[3] |
王伟英, 邹晖, 林江波, 戴艺民. 香蕉抗寒技术研究进展. 东南园艺, 2018, 6(6): 61-66.
|
|
|
[4] |
王安邦, 金志强, 刘菊华, 贾彩红, 张建斌, 苗红霞, 徐碧玉. 香蕉寒害研究现状及展望. 生物技术通报, 2014(8): 28-33.
|
|
|
[5] |
doi: 10.3103/S0095452716050108 |
[6] |
doi: 10.1111/nph.v230.5 |
[7] |
pmid: 15064368 |
[8] |
doi: 10.7235/hort.2014.13009 |
[9] |
doi: 10.1016/j.cell.2015.01.046 pmid: 25728666 |
[10] |
doi: 10.1093/hr/uhac002 |
[11] |
耿小惠. 钙离子通道促进剂及抑制剂对香蕉抗寒性的影响及相关基因MaCNGC家族成员鉴定与表达分析[D]. 福州: 福建农林大学, 2022.
|
|
|
[12] |
刘嘉鹏. 褪黑素对香蕉抗寒性的影响及其机制研究[D]. 福州: 福建农林大学, 2022.
|
|
|
[13] |
doi: 10.1186/s12870-021-02868-z pmid: 33596830 |
[14] |
doi: 10.1016/j.jprot.2023.104994 |
[15] |
doi: 10.1007/s00109-006-0097-6 |
[16] |
doi: S0031-9422(15)30012-1 pmid: 26068669 |
[17] |
doi: 10.1371/journal.pgen.1001393 |
[18] |
doi: 10.1016/j.jprot.2012.03.028 |
[19] |
|
[20] |
doi: 10.1016/S1360-1385(98)01248-5 |
[21] |
|
[22] |
doi: 10.3390/ijms17081211 |
[23] |
doi: 10.1016/j.scienta.2022.110883 |
[24] |
doi: 10.1016/j.plaphy.2021.10.019 |
[25] |
doi: 10.3389/fsufs.2021.630628 |
[26] |
doi: 10.1111/tpj.2009.58.issue-1 |
[27] |
doi: 10.1016/S0168-9452(99)00252-6 |
[28] |
doi: 10.1016/j.gene.2004.03.020 |
[29] |
doi: 10.1002/jsfa.v99.12 |
[30] |
李国斌, 党林学, 郑国强, 董小云, 魏家萍, 崔俊美, 李辉, 王莹, 田海燕, 刘自刚. 甘蓝型冬油菜亚麻酸代谢参与应答低温胁迫的转录组学分析. 分子植物育种, 2023. https://kns.cnki.net/kcms2/detail/46.1068.s.20230615.1429.008.html.
|
|
|
[31] |
pmid: 12221974 |
[32] |
doi: 10.1111/ppl.1996.96.issue-4 |
[33] |
doi: 10.1016/j.scienta.2021.110373 |
[34] |
doi: 10.1016/j.scienta.2018.11.027 |
[35] |
|
[36] |
doi: 10.1034/j.1399-3054.2000.108004382.x |
[37] |
doi: 10.1093/mp/ssp106 pmid: 20035037 |
[38] |
doi: 10.1007/BF00714468 |
[39] |
doi: 10.1016/S0981-9428(00)00778-6 |
[1] | 张颖, 石婷瑞, 曹瑞, 潘文秋, 宋卫宁, 王利, 聂小军. ICARDA引进-小麦苗期抗旱性的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(9): 1658-1673. |
[2] | 戚仁洁, 宁宇, 刘静, 刘之洋, 徐海, 罗志丹, 陈龙正. 基于转录组测序的苦瓜皂苷合成相关基因的鉴定和分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(9): 1779-1793. |
[3] | 陈兵先, 张琪, 戴彰言, 周旭, 刘军. 水杨酸引发提高低温下水稻种子萌发活力的生理与分子效应[J]. 中国农业科学, 2024, 57(7): 1220-1236. |
[4] | 赵真坚, 王凯, 陈栋, 申琦, 余杨, 崔晟頔, 王俊戈, 陈子旸, 禹世欣, 陈佳苗, 王翔枫, 唐国庆. 基因组和DNA甲基化组联合分析筛选猪肉质性状关键基因[J]. 中国农业科学, 2024, 57(7): 1394-1406. |
[5] | 高晨曦, 郝陆洋, 胡悦, 李永祥, 张登峰, 李春辉, 宋燕春, 石云素, 王天宇, 黎裕, 刘旭洋. 干旱条件下玉米转座子插入关联的表观调控分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(6): 1034-1048. |
[6] | 卫乃翠, 陶金博, 苑名杨, 张彧, 开梦想, 乔玲, 武棒棒, 郝宇琼, 郑兴卫, 王娟玲, 赵佳佳, 郑军. 山西小麦苗期耐低磷特性及遗传分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(5): 831-845. |
[7] | 李法计, 程敦公, 余晓丛, 闻伟锷, 刘金栋, 翟胜男, 刘爱峰, 郭军, 曹新有, 刘成, 宋健民, 刘建军, 李豪圣. 冠层活性相关性状全基因组关联分析及其对产量性状遗传效应的解析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(4): 627-637. |
[8] | 马佳, 彭杰丽, 贾楠, 王旭, 王占武, 胡栋. 低温胁迫下链霉菌TOR3209对番茄叶绿素荧光特性和叶黄素循环的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(22): 4522-4540. |
[9] | 郭军, 邵丹, 窦套存, 马猛, 卢建, 胡玉萍, 王星果, 王强, 李永峰, 郭伟, 童海兵, 曲亮. 鸡产蛋期剩余采食量的随机回归分析及遗传标记筛选[J]. 中国农业科学, 2024, 57(22): 4568-4577. |
[10] | 韩旭东, 杨传奇, 张擎, 李亚伟, 杨夏夏, 何佳甜, 薛吉全, 张兴华, 徐淑兔, 刘建超. 玉米氮效率QTL定位和候选基因筛选[J]. 中国农业科学, 2024, 57(21): 4175-4191. |
[11] | 郭军, 曲亮, 邵丹, 马猛, 窦套存, 卢建, 胡玉萍, 王星果, 王强, 李永峰, 郭伟, 童海兵. 基于一步法全基因组关联分析解析蛋黄比率遗传结构[J]. 中国农业科学, 2024, 57(21): 4356-4366. |
[12] | 马荆鄂, 熊信威, 周敏, 吴斯琪, 韩甜, 饶友生, 王樟凤, 许继国. 基于垂体全长转录组测序分析鸡睾丸性状相关基因[J]. 中国农业科学, 2024, 57(20): 4130-4144. |
[13] | 尹军良, 李婧怡, 韩硕, 杨培华, 马佳伟, 刘奕清, 胡海骏, 朱永兴. 生姜NHX基因家族成员鉴定及其在硅缓解盐胁迫中的表达特征[J]. 中国农业科学, 2024, 57(19): 3848-3869. |
[14] | 陈菲儿, 张志鹏, 蒋庆雪, 马琳, 王学敏. 紫花苜蓿MsSPL17的克隆及生物学功能验证[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3335-3349. |
[15] | 刘桐, 王志荣, 李伟, 刘洋, 王祥儒, 赖弟利, 何毓琦, 张凯旋, 赵振军, 周美亮. 苦荞bHLH93转录因子响应铝胁迫的功能研究[J]. 中国农业科学, 2024, 57(16): 3127-3141. |
|