茶树氮响应时间序列转录组分析及CsNAC2的功能探究

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ynhz009
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氮素与茶鲜叶产量与品质密切相关,氮素高效利用是茶树栽培可持续发展的关键。本研究以‘中茶108’一年生扦插苗为材料,采用不同浓度硝态氮进行营养液培养,对其嫩叶和根进行不同时间点的取样和基于时间序列的转录组分析,明确茶树不同组织在不同氮素水平下转录水平的动态变化规律;通过组织间、不同氮浓度处理及不同时间点的转录组差异分析,挖掘茶树氮响应和吸收利用相关的基因并构建这些基因的共表达网络,并初步研究了茶树氮响应关键基因CsNAC2的功能,研究结果如下:(1)为了研究茶树氮响应的分子机制,茶树在氮饥饿处理后,对嫩叶和根组织在不同浓度硝酸钾(0.2 m M KNO3、2.5 m M KNO3)和时间点(0 min、15 min、45 min、2 h、6 h、2 d)进行取样。PCA分析和STEM分析结果显示,茶树根和叶组织间的差异最大,处理和时间序列上也存在差异,表明在茶树氮处理过程中,根叶组织存在不同的基因调控网络。(2)根氮处理时间序列共鉴定出2376个差异表达基因。根差异基因聚类分析及功能富集结果显示,根氮处理15 min、45 min时细胞内对外界的刺激反应增强,2 h时茶树氮代谢和能量代谢的水平提高,6h时主要受到生物节律的调控,不同时期茶树次生代谢途径均受到氮素影响。发现1个与氮素处理相关的模块,筛选茶树氮代谢调控的核心基因,发现CsNAC2处于主要的核心地位。发现2个特异性响应低氮而上调表达和1个特异性响应正常氮而上调表达的模块。鉴定根中部分与离子吸收(或转运)及氮响应相关的转录因子。(3)叶氮处理时间序列共鉴定出6257个差异表达基因。叶差异基因聚类分析及功能富集结果显示,6 h下调表达基因主要富集在碳代谢、氨基酸的生物合成等,6 h上调表达的基因主要富集在核糖体、植物激素的信号转导等;在2 h特异性被正常氮激活,而对低氮并不敏感,这些基因主要富集在氨基糖和核苷酸糖代谢、淀粉和蔗糖代谢、脂肪酸代谢等,全时期下调表达基因主要富集在MAPK信号通路,甘油脂代谢等。发现1个与氮素处理可能相关的模块,其中Cs NRT1/NPF6.1是许多TFs的靶点,C2H2转录因子与多个氮相关基因相关性较高。发现2个特异性响应低氮而上调表达和4个特异性响应正常氮而上调表达的模块。鉴定嫩叶中部分与离子吸收(或转运)及氮响应相关的转录因子。(4)CsNAC2基因在叶片和根组织中表达,均在氮处理前期(15 min~2 h)上调表达。转录因子和氮相关基因的共表达网络分析结果表明,CsNAC2具有较高的连接度,认为该基因在根部可能具有响应硝酸盐且参与根部硝酸盐转运及同化过程。因此,克隆了CsNAC2全长909bp的序列,编码303个氨基酸。不同组织的实时荧光定量结果显示,CsNAC2在茶树根中具有较高的表达水平。拟南芥T1代Pro NAC2::GUS转基因植株进行组织化学染色,结果显示,CsNAC2在拟南芥的根部有明显的染色。通过构建超表达载体35S::CsNAC2,获得稳定遗传转化的拟南芥和杨树超表达株系。
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