基于比较转录组学探讨莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardti)和曲尾藓(Dicranum scoparium)的抗盐分子机制

来源 :山东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sungod123
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土壤盐渍化导致很多植物枯萎死亡,盐害是威胁全球植物生长和农业生产力的最重要的非生物胁迫之一。本研究对具有一定抗逆特性的莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和曲尾藓(Dicranum scoparium)运用转录组测序分别挖掘抗盐分子基础后,再基于物种间的基因的同源信息挖掘植物基部类群盐胁迫适应性状及相关应答反应的共性和特性特征,主要结果如下:莱茵衣藻在200 m M盐胁迫下24h后有10635个差异表达基因,包含5920个上调基因和4715个下调基因,重点关注了有明显差异表达的30个基因。对差异表达基因进行GO等功能富集分析,上调的unigenes富集到353个生物学过程,下调unigenes富集到313个生物过程。主要响应过程首先是在胁迫下与细胞程序性死亡调节蛋白相关的凝缩蛋白复合亚基和抗逆相关纤维蛋白家族成员相关基因显著上调;钙离子结合蛋白如钙网蛋白等显著上调,藻类通过Ca2+信号通路以调节盐胁迫反应的渗透调节;与溶血磷脂酸合成相关的可溶性溶血磷脂酸酰基转移酶相关基因上调,藻类通过调节磷脂酸来维持脂类稳态;参与氧化应激和热休克蛋白的基因如甘油醛-3-磷酸脱氢酶C亚基1和延胡索酸酶1相关基因上调,有助于蛋白质复性和维持离子稳态;与糖酵解有关的基因显著上调,推测莱茵衣藻通过增强糖酵解代谢以减少细胞内碳水化合物的积累,从而促进呼吸代谢降低盐害引起的离子毒性和渗透胁迫;衣藻还利用海藻糖作为替代能源维持内环境稳态。曲尾藓在盐胁迫下200 m M盐胁迫下24h有16153个差异表达基因:包含6646个上调基因和9507个下调基因。使用REVIGO对富集到的生物学过程进行聚类。将富含上调基因的248个BP整合到10个子集中,下调基因富集的225个BP整合到12个子集中。主要响应过程有钙调蛋白和钙依赖性蛋白激酶的同源基因上调与之前研究报道的与盐响应有关的Ca2+信号成分和转录调控因子一致,表明其在苔藓植物抗盐中的潜在功能。并且有关ABA合成的酶、ABA受体相关基因和一些与ABA相关的转录因子的同源基因的表达量在盐胁迫下的曲尾藓中也上调,揭示了苔藓植物ABA信号通路的潜在作用机制。在曲尾藓中离子稳态的重建可能依赖于不同的离子跨膜转运蛋白的高表达来调节苔藓植物细胞内的钠钾平衡。通过比较藻类和苔藓中上下调基因集以及包含差异表达基因的盐胁迫响应功能基因集得到两者相同的机制有:1.由于钙调蛋白的同源基因在苔藓和藻类中均上调,Ca2+可能通过调节苔藓植物和藻类中胁迫诱导的Ca M结合膜转运体,在植物抗逆性过程中发挥保守作用。2.CDPKs在拟南芥的同源基因CPK6在盐胁迫下,在苔藓植物和藻类中持续上调,表明CDPKs对盐胁迫响应的相似机制。3.膜磷脂信号成员相关合成基因在盐胁迫组中上调,表明表明磷脂信号磷脂酸(PA)在苔藓和藻类之间功能保守。4.参与脱落酸(ABA)生物合成的第一个酶9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶3(NCED3)的同源基因在藻类和和苔藓中上调,预测ABA3(Abscisic acid-insensitive 3)也为苔藓和藻类中的功能保守基因,ABA生物合成基因在植物基础类群中的功能和进化比较保守。5.Na+/H+交换蛋白家族(NHXs)的同源基因在盐胁迫样品中持续上调,表明这些基因在维持盐胁迫下植物离子稳态中的保守机制。除了上述在藻类和苔藓中有类似表达模式的盐胁迫潜在功能基因集,还有一些基因集包含在曲尾藓的特异性上调表达中,如与钙离子外排有关的CBL-CIPKs复合体,在本研究中拟南芥CBL1所属的直系同源基因集以及CIPK26所属的基因集在曲尾藓中均特异性上调表达,在苔藓中AP2/ERF家族的转录因子Dehydration Responsive Element Binding Protein 2A(DREB2A)的直系同源基因集、与DREB2A启动子区域互作的Growth Regulating Factor 7(GRF7)的同源基因、盐胁迫响应离子转运过程关联的Cation/H+交换转运蛋白CHX17和高亲和力钾转运体5(HAK5)的同源基因以及调节ABA信号通路的许多下游途径的SNF1相关蛋白激酶(Sn RK2)和ABA受体关联的2C型蛋白磷酸酶ABI1的同源基因在曲尾藓的盐胁迫下均上调表达。这里的许多基因在藻类中无同源基因或是无拷贝的状态,上述结果表明伴随着植物的进化,许多相应过程可能与植物登陆过程有关,并且植物类群也逐渐进化出一系列与抗逆有关的基因,如与离子装运关联的新基因或者在基因家族的复制后产生了新功能化的新拷贝。
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