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小麦苗期干旱、高温和旱热共胁迫转录表达谱及ABD部分同源基因表达分化分析

刘振山  
【摘要】:干旱、高温尤其是干旱高温共胁迫严重影响了小麦的产量和品质,但目前对于小麦抵御多重胁迫的分子机理尚不清楚。为研究小麦在转录水平上对以上三种胁迫的响应,我们以小麦抗旱耐热品种TAM107幼苗为材料,进行1小时和6小时的干旱(DS)、高温(HS)以及早热共胁迫(HD)处理,利用Illumina Hiseq2000测序平台对其进行了高通量转录表达谱分析,并首次在全基因组水平对部分同源基因响应旱热胁迫时的差异进行了探讨。另外,为研究小麦苗期和成熟期耐热性的相关性,我们利用小麦全基因组芯片对比分析了TAM107苗期叶片和灌浆中期旗叶的高温响应转录表达谱。具体结果如下: 1、通过分析发现64-83%的差异表达基因在干旱、高温以及旱热共胁迫下都表现出响应,但仍然有1,738(16%)和2,482(23%)个基因特异受旱热共胁迫诱导上调和下调表达。差异表达基因的GO (Gene Ontology)功能富集分析显示:逆境胁迫相关代谢途径(如“1esponse to water deprivation"、"heat acclimation"、"response to wounding"、"defense response to bacterium")在三种胁迫共同上调的基因中表现出显著富集,植物正常生长发育和代谢相关的途径(如叶片形态发育、细胞大小调控、淀粉和脂质合成、光合作用)在三种胁迫共同下调的基因中显著富集,而表观遗传调控(如DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质沉默、小RNA诱导的基因沉默)、RNA的代谢和修饰等代谢途径只在旱热共胁迫特异响应的基因中显著富集。 2、通过结构域搜索的方法在小麦基因组中注释到4375个转录因子基因,分布在51个基因家族,其中1328个在旱热胁迫下表现出显著差异表达。胁迫响应转录因子在不同家族中分布不均衡,差异表达转录因子最多的7个家族(FAR1、NAC、bZIP、bHLH、AP2/ERF、WRKY、 Myb-related和Myb)占所有差异表达转录因子总数的50%。表达模式聚类分析显示,差异表达的转录因子可以分为20种不同的表达模式,包括干旱、高温和旱热共胁迫共同响应、特异响应以及在不同时间点响应。利用顺式作用元件和共表达分析,我们分别预测到1503个HSFs和564个DREBs调控的候选目的基因,并对其转录调控网络进行了分析。发现部分非生物逆境胁迫相关代谢途径同时受这两类转录因子的调控(冷、盐、旱胁迫和机械损伤响应、ABA响应途径等),也有代谢途径只受HSFs(如叶绿素代谢)或DREBs(如黄酮类物质的合成)特异调控。另外,HSFs和DREBs调控的目的基因中还包括一些已知的植物抗早耐高温关键转录因子基因(如RAP2.4、STZ和HB-7)。 3、基于高通量RNA-Seq和IWGSC释放的小麦基因组信息,我们开发了小麦ABD部分同源基因表达定量新算法,并对干旱和高温胁迫下小麦部分同源基因的表达分化进行了分析。模拟数据和qRT-PCR验证结果证明新算法可靠性较高。分析结果显示:(1)苗期小麦叶片中分别有37%和49%的基因其A、B、D部分同源基因在正常和胁迫条件下发生了显著表达分化;(2)胁迫越剧烈A、B、D部分同源基因表达分化程度也越高(旱热共胁迫单独旱热胁迫,胁迫后6hlh);(3)鉴定到27个基因其部分同源基因对不同的胁迫类型(干旱、高温或者旱热共胁迫)表现出响应;(4)分别鉴定到5、17和21个基因其部分同源基因在干早、高温和旱热共胁迫后不同时期(1h和6h)表现出不同的响应模式;(5)样本间聚类分析发现A-subgenome和D-subgenome的总体表达模式更相似,B-subgenome与它们差别较大。 4、通过对比小麦苗期叶片和成熟期旗叶的高温胁迫转录表达谱,我们发现大部分(87.5%)差异表达基因在苗期和成熟期的叶片中对高温胁迫的响应趋势一致。GO功能富集分析显示苗期叶片和成熟期旗叶高温诱导上调表达的基因所富集的代谢途径也基本一致,包括‘"response to heat"、"response to tempreture stimulus"、"protein folding"和‘"response to high light intensity"等。


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