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基于RNA-seq技术的金银花转录因子分析及其与山银花的差异转录组学分析

王檀檀  
【摘要】:金银花(Lonicera japonica Thunb.)是我国具有悠久使用历史的传统药用植物,用于感染、炎症、高热症和高脂血症等疾病的治疗,其主要活性成分为绿原酸、木犀草苷和环烯醚萜等。山银花与金银花同为忍冬属植物,其药用功效与金银花相似,也收录在《中华人民共和国药典》。其中,灰毡毛忍冬(Lonicera macranthoides Hand.-Mazz)是产量最高的一种山银花,在山银花中研究最多。目前对金银花与山银花的研究大多集中于活性成分含量变化及其合成路径关键酶基因的发掘上,对其相关转录调控机制却鲜有报道。本文采用转录组学方法对金银花(L.japonica)花期中五个生长发育过程的转录因子表达谱进行了综合分析,并对金银花(L.japonica)与山银花(灰毡毛忍冬,L.macranthoides)茎、叶、花三种组织的转录组数据进行了差异比较分析。主要结果如下:(1)金银花花期不同阶段的转录因子调控机制分析我们从金银花五个时期的转录组数据中鉴别出1,316个转录因子,分属52个家族,其中最大的五个家族分别是bHLH,ERF,MYB,bZIP以及MYB-related。差异表达的转录因子共有917个,包含差异表达转录因子最多的五个家族依次是bHLH,ERF,MYB,bZIP和NAC。对差异表达转录因子的聚类和GO富集分析显示,转录因子可以与多种植物激素协同作用调控金银花的次生代谢与生长过程。在次生代谢方面,转录因子MYB12和MYB44在金银花不同花期可能对黄酮类化合物合成有调控作用。在生长过程方面,NAC与WRKY家族的转录因子包括NAC19、NAC29、NAC53、WRKY70、WRKY54 和 WRKY53 可能联合多种激素以及活性氧调控金银花的衰老过程。另外,LSD家族的三个转录因子LOL1,LOL2以及LSD1在金银花SOD酶合成方面可能存在拮抗作用,进而影响金银花的抗氧化能力。(2)金银花与山银花茎、叶、花三种组织的转录组比较分析通过对金银花与山银花转录组数据进行de novo组装与生物信息学分析,从转录因子与次生代谢相关基因两方面对金银花与山银花进行比较。转录因子方面,金银花中共鉴别出641个转录因子,分属49个家族,其中成员数量最多的五个家族分别是bHLH、C3H、NAC、MYB related和ERF;山银花中共鉴别出352个转录因子,分属42个家族,其中成员最多的五个家族分别是C3H、ARF、bHLH、ERF和MIKC MADS。另外,组织间转录因子的差异表达情况在金银花与山银花中表现出显著差别,说明金银花与山银花体内的转录调控机制差异显著。次生代谢方面,我们基于KEGG注释和GO富集分别对金银花与山银花的差异表达基因进行了分析。在苯丙素类生物合成通路方面,金银花与山银花组织间的差异表现出相似性,并且我们推测苯丙素类化合物生物合成相关基因在三种组织中的活跃程度是茎叶花。在萜类化合物生物合成以及黄酮类化合物生物合成方面,金银花与山银花之间差异明显。我们推测,黄酮类化合物生物合成相关基因的活跃程度在金银花中为茎叶花,而在山银花中为叶茎花;萜类骨架生物合成通路相关基因的活跃程度在金银花中为花叶茎,而在山银花中为花茎叶。本文首次从转录因子角度揭示了金银花不同发育阶段的转录调控机制,并基于转录组数据对金银花与山银花组织间及物种间进行了差异分析与比较,为忍冬属药用植物生长发育过程及活性成分变化的分子机制研究提供了参考依据。


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