杨树干旱响应转录组测序分析

【摘要】：干旱是限制杨树生长及产量增长的重要因素,大多数杨树抗旱能力较弱。小叶杨(P.simonii)在我国分布广并具有耐低温、耐干旱等特点,是进行抗旱机制研究较为理想的材料,美洲黑杨‘I-69’杨(P.deltoides)也是我国较为重要的杨属树种,但其抗旱能力则较差。为了进一步探究杨树干旱应答的分子机制,本研究通过对正常水分条件和干旱条件下生长的美洲黑杨‘I-69’杨和小叶杨叶片的转录组进行测序,并对测序数据进行分析研究,包括测序数据质量控制、reads与参考序列比对、差异表达基因筛选、差异表达基因注释、新转录本识别、可变剪接识别。测序原始数据质量控制后,从美洲黒杨正常水分组、美洲黒杨干旱胁迫组、小叶杨正常水分组、小叶杨干旱胁迫组的四个样本中共获得17.33Gbp数据。分别将四个样本的clean reads比对到杨树参考基因组和参考基因,通过比较正常水分组与干旱处理组间样本间基因的表达水平,分别筛选出两种杨树样本间的差异表达基因。随后对差异表达的基因做GO注释及KEGG Pathway富集分析,以分析差异表达基因的功能及其参与的主要生物学过程。美洲黒杨正常组与美洲黒杨干旱胁迫组之间的10,398个差异表达基因中,有791个差异表达基因被注释到胁迫应答(response to stress)过程中;小叶杨正常组与小叶杨干旱胁迫组之间的9,269个差异表达基因中,有637个差异表达基因被注释到胁迫应答过程中。KEGG Pathway富集分析结果显示,这两个杨属树种不同水分处理组间的差异表达基因中,均有上调表达基因被注释为ABF转录因子编码基因、ERF转录因子编码基因、MYC转录因子编码基因。通过比较两个杨属树种中这三类转录因子编码基因发现,这两个杨属树种不同水分处理组间的差异表达基因中,有7个相同的ABF转录因子编码基因,有8个相同的ERF转录因子编码基因、17个相同的MYC转录因子编码基因,但同一个转录因子类基因的在这两个树种中表达量变化有一定的差别,并且小叶杨干旱相应过程中有三个上调表达的ABF转录因子类基因、3个ERF转录因子类基因、8个MYC转录因子类基因,在美洲黑杨干旱相应过程中表达量并无明显变化。结果显示ABF、ERF、MYC这三类转录因子在杨树干旱响应机制中可能发挥着重要的作用,同时,研究结果也暗示了在分析中发掘的基因在不同杨属树种中表达模式的不同可能会影响杨树干旱耐受的能力。另外,通过本研究中组装的转录组与现有的基因信息对比,分别从美洲黒杨正常水分组样本中检测到300个新转录本,从美洲黒杨干旱处理组样本中检测到333个新转录本,从小叶杨正常水分组样本中检测到235个新转录本,从m小叶杨干旱处理组样本中检测到268个新转录本。此外,研究中分析了四种可变剪接类型:Alternative 5’splice site(A5SS)、Alternative 3’splice site(A3SS)、Exon skipping(ES)、Intron retention(IR)。研究发现四个样本中,IR发生的频率均远高于其它3种可变剪接类型。