【文献解析-水稻|重金属胁迫|转录组】水稻根中镉和砷胁迫相关基因的转录组(RNA-seq)分析

  • 2019-11-28 15:03:01
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英文题目:A transcriptomic (RNA-seq) analysis of genes responsive to both cadmium and arsenic stress in rice root


  名:Science of the Total Environment  发表时间:2019.05   IF5.589

作者单位华南农业大学

测序产品:真核有参转录组             

样品来源:水稻

文章类型:研究型

 

英文摘要

     Cadmium (Cd) and arsenic (As) are nonessential and toxic elements in rice that often occur together in contaminated paddy field soils. To understand whether rice has a common molecular response mechanism against Cd and As toxicity, 30-day seedlings (Oryza sativa L. indica) were exposed separately to Cd and As3+ in hydroponic cultures for up to 7 days. Root transcriptomic analysis of plants exposed to Cd and As for 3 days revealed that a total of 2224 genes in rice roots responded to Cd stress, while 1503 genes responded to As stress. Of these, 841 genes responded to both stressors. The genes in common to Cd and As stress were associated with redox control, stress response, transcriptional regulation, transmembrane transport, signal transduction, as well as biosynthesis and metabolism of macromolecules and sulfur compounds. In plants exposed to Cd and As separately or in combination for 3 and 7 days, qRT-PCR verification revealed that the glutathione metabolism associated gene Os09g0367700 was significantly up-regulated with respect to unexposed controls and had a positive synergistic effect under combined Cd and As stress. In addition, the redox control related genes Os06g0216000, Os07g0638300 and Os01g0294500, the glutathione metabolism related gene Os01g0530900, the cell wall biogenesis related genes Os05g0247800, Os11g0592000 and Os03g0416200, the expression regulation related genes Os07g0597200 and Os02g0168200, and the transmembrane transport related genes Os04g0524500, also varied significantly with respect to an unexposed control and displayed synergistic effects after 7 days of simultaneous exposure to Cd and As. Our identification of a novel set of genes in rice which responded to both Cd and As3+ stress may be of value in mitigating the toxicity of co-contaminated soils. These results also provide a deeper understanding of the molecular mechanisms involved in response to multi-metal/loids stress, and may be used in the genetic improvement of rice varieties.


研究背景

水稻是世界上最重要的粮食作物在人民的日常生活中发挥着十分重要的作用。水稻具有很强的吸收CdAs的能力,可以通过膜通道将其运输到植物中,用于具有相似物理和化学性质的营养元素。镉(Cd)和砷(As)是水稻中有毒的元素,通常一起出现在受污染的稻田土壤中。Cd胁迫促进活性氧(ROS)的产生,导致脂质过氧化和膜功能损伤,并且通过竞争性结合蛋白质中的巯基(-SH)官能团,Cd可以抑制某些转录因子的活性。As与蛋白质中的巯基(-SH)和氨基(-NH2)基团结合,从而降低酶活性并增加ROS相关的氧化损伤。


实验设计


研究结果:

1.Cd和As处理下差异表达基因


      基于RNA-seq发现CK vs Cd和CK vs As中分别鉴定出2224和1503个显着差异表达的基因,有841个CK vs Cd和CK vs As共表达的基因(图1a)。在Cd胁迫下1690上调和534下调,在As胁迫下983上调和520下调(图1b)。


2.共表达差异基因的GOKEGG分析

       

        CK vs CdCK vs As共响应的差异基因GO富集分析结果表明:氧化还原对照,蛋白质磷酸化和水解,转录调节,代谢,应激反应和防御反应被显著富集。KEGG途径富集分析结果表明,CdAs处理的植物富含类似的代谢途径,包括苯丙烷和氨基酸的生物合成和代谢,植物激素信号传导,内质网蛋白加工以及淀粉,糖, 脂质,萜类和谷胱甘肽。





3.蛋白质相互作用网络分析


        蛋白质蛋白质相互作用(PPI)网络表明,在Cd胁迫下,由Os01g0742400,Os05g0576800Os06g0692300,Os06g0692500Os07g0597200Os08g0203300Os09g0423200Os12g0281300编码的8种蛋白质具有高度连接性(图2a)。在As胁迫下,由Os06g0692500Os07g0597200Os08g0203300,Os08g0247700Os08g0500700Os09g0423200Os10g0475900编码的7种蛋白质具有高度连接性(图2b)。其中有四个(Os06g0692500,Os07g0597200,Os08g0203300Os09g0423200)是CdAs胁迫植物的PPI网络中高度连接核心的一部分。

 


4.水稻根系CdAs特异基因的RNA-seq鉴定及qRT-PCR验证


       RNA-seq表明,CdAs处理下绝大多数基因可分为氧化还原,谷胱甘肽代谢,细胞壁生物发生,表达调控和跨膜转运相关基因。此外,这些基因大多数在CdAs处理下显著上调(图3a-e)。qRT-PCR结果与RNA-seq结果相一致,同时用CdAs处理时两者表现出正协同效应,结果进一步证明CdAs在植物中引发许多相同的解毒系统,以在水稻的多重胁迫解毒中发挥新的和关键的作用;另外,除了协同效应之外,CdAs还可以在植物中具有拮抗相互作用(图4a-e)。







5. CdAs的协同作用和拮抗作用


      CdAs共同处理下有些化合物表现出协同作用,表明镉和砷在植物中引发了许多相同的排毒系统,这些基因对CdAs胁迫的协同反应意味着它们可以以协同的方式表达,从而在水稻多胁迫解毒中发挥新颖而关键的作用。除了协同作用外,CdAs在植物中也可能具有拮抗作用,同时用CdAs处理后基因的表达相对于对照的偏差要小于CdAs分别处理的累加效应。




结论:

        CdAs处理共表达基因与氧化还原反应,跨膜转运,信号转导和硫化合物的生物合成和代谢相关。

        qRT-PCR验证表明谷胱甘肽代谢相关基因相对于对照显着上调,并且在CdAs的组合下具有正协同效应。


文章亮点

        拓宽了我们对CdAs胁迫下水稻根系中共表达分子机制的理解。

        有助于阐明水稻根系响应不同重金属胁迫的分子机制,以及创建具有多重胁迫抗性的栽培品种。

 




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