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多组学分析杜鹃花发育到衰老过程中的转录组—代谢组—根际微生物组综合调控模式

花匠小妙招
2024-11-18 05:50

花是植物重要的生殖器官,也影响决定了植物的观赏价值。花的发育和衰老是一个基本的发育过程,涉及多个层次的复杂调控。因此,从多组学的角度研究调控花的发育和衰老,对花卉的经济和观赏价值具有不可替代的重要意义。杜鹃种类繁多,花色绚丽,是中国十大传统名花之一。“贵州百里杜鹃”属国家5A级生态旅游示范区,是迄今为止世界上已查明的面积最大的天然杜鹃林带,具有很高的科研、观赏和生态价值。百里杜鹃收入成为当地经济收入的关键支柱。因此,研究杜鹃花发育衰老的转录组-代谢组-根际微生物组综合调控模式为植物花期调控提供科学理论依据,同时对延长杜鹃花观赏期促进百里杜鹃经济收入具有重要意义。本项目以马缨杜鹃(Rhododendron delavayi Franch)及园艺西洋杜鹃(Rhododendron hybridum)为材料,从“转录组-次生代谢产物-根际微生物群落”三者的角度,利用生物信息学技术,揭示了杜鹃花发育衰老过程中的分子调控机制,且阐述了杜鹃花发育衰老过程中次生代谢产物-根际微生物群落的调控模式,为调控延长杜鹃花期提供新的科学依据。本研究主要结果如下:1.以马缨杜鹃花发育到衰老过程中六个时期(花苞期、开裂期、传粉期、盛花期、衰老期、凋谢期)的花瓣为材料,利用高通量测序和色谱质谱串联技术,测定花瓣各时期的转录组和代谢组,分析结果发现:杜鹃花发育到衰老过程共有37031个差异基因,其中差异转录因子1057个,衰老期和凋谢期的差异基因数量最高,这说明有大量的基因参与杜鹃花的衰老过程。利用时间序列(STEM)和共表达网络(WGCNA)对差异基因进行模块化分析,结果发现有11个时间序列基因聚类群与花的发育衰老显著相关,同时花发育衰老过程的差异基因共构建为46个共表达网络模块。杜鹃花发育衰老过程中共检测到代谢物973种,利用STEM和WGCNA对代谢物进行模块化分析,结果发现有7个时间序列代谢物聚类群与花的发育衰老显著相关,同时花发育衰老过程的代谢物共构建为5个共表达网络模块。2.转录因子在植物衰老中起着重要的作用,1057个差异转录因子属于64个TF家族,利用STEM分析发现有4个聚类簇的转录因子与杜鹃花的发育衰老显著相关;结合文献分析4个聚类簇中的EIN、NAC、ERF、WRKY、ABF、MYB等转录因子都参与植物叶或者花的衰老调控。进一步分析发现Rd WRKY75与乙烯生物合成基因Rd ACS1显著正相关,且与乙烯生物合成前体S-腺苷甲硫氨酸(SAdenosyl-L-Methionine)显著正相关,它们都在衰老期表达显著上调,因此我们推测Rd WRKY75通过调节Rd ACS1的表达,影响乙烯的积累,在乙烯介导的杜鹃花衰老过程中扮演重要的角色。Rd WRKY42与衰老相关基因Rd YLS9和水杨酸信号转导相关基因Rd PR1显著正相关,且它们都在衰老期表达显著上调,我们推测Rd WRKY42可能通过直接调控衰老基因和影响水杨酸的信号转导,从而在杜鹃花衰老过程中起着正向调节作用。3.将转录组和代谢组结合分析后发现,22个差异基因模块与5个代谢物模块显著相关。通过对差异基因及代谢物进行KEGG富集后结果发现:所有模块均显著富集到谷胱甘肽代谢(Glutathione metabolism)、辅因子的生物合成(Biosynthesis of cofactors)等11条代谢通路。谷胱甘肽代谢途径中的谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)和γ-谷氨酰转肽酶(GGT)都在杜鹃花衰老期显著上调,推测这两个酶可能通过清除ROS自由基,维持花瓣细胞抗氧化水平来延缓杜鹃花衰老。4.植物激素已被揭示为启动和调节衰老过程的重要信号。通过转录组结合代谢组数据分析发现,在杜鹃花发育衰老过程中,茉莉酸、水杨酸和脱落酸3条信号转导途径可能协同参与调控作用。首先在花苞期茉莉酸含量最高,开裂期显著下降之后又持续上升,且茉莉酸与Rd COI1和Rd MYC2表达变化显著正相关,说明茉莉酸可能通过信号转导途径在杜鹃花发育早期起着正向调控作用;而水杨酸含量在衰老期含量显著上升,且与下游Rd NPR1、Rd TGA和Rd PR1表达变化显著正相关,说明水杨酸可能通过信号转导途径在杜鹃花衰老过程中起促进作用。同时脱落酸也在衰老期显著上升,且脱落酸含量变化与Rd PYL和Rd SNRK2表达变化显著正相关,说明脱落酸也可能通过信号转导途径在杜鹃花衰老过程中起促进作用。5.CircRNA充当miRNA的海绵,并通过circ RNA-miRNA-m RNA网络发挥调节作用。本研究鉴定出了10种可能与miRNA结合的差异表达的circ RNA,构建了7个circ RNA-miRNA-m RNA网络;提出circ RNA通过介导茉莉酸信号通路在花的发育和衰老过程中发挥调控作用的分子机制。6.以西洋杜鹃花发育到衰老过程中五个时期(花苞期、初花期、盛花期、衰老期、凋谢期)根系和根际土壤为材料,对根际土壤样本进行全长微生物多样性测序并对根系分泌物进行鉴定后发现:在杜鹃花发育到衰老过程中,根际细菌群落和根系代谢物都发生了变化,特别是盛花期和凋谢期变化显著。通过网络分析发现:在杜鹃花发育衰老过程中,有8个以耐铝酸胞菌(Acidocella aluminiidurans)、Tepidisphaera mucosa、食菌蛭弧菌(Bdellovibrio bacteriovorus)等构成的OTU模块与4个以槲皮素-5-O-葡萄糖醛酸苷、异鼠李素-3-O-(6''-丙二酰)葡萄糖苷、牡荆内酯等构成的代谢物聚类群显著相关,说明在杜鹃花发育过程中,根际细菌群落与代谢物有着密切的联系。同时对马缨杜鹃花发育和衰老过程中的差异花代谢物和西洋杜鹃花发育和衰老过程中差异根系分泌代谢物进行分析,发现在杜鹃花发育衰老过程中,丁香酚、咖啡酸、8-羟基喹啉、杨梅素、原花青素A2、肉桂酸和水杨酸等11个代谢物在花及根系都发生相同的显著性变化。11个代谢物与根际微生物进行跨域网络分析,结果发现11个代谢物与Flavitalea antarctica、Hypsibius dujardini、Rhizomicrobium electricum等细菌呈显著的正相关或负相关,且其中关键细菌假单胞菌与植物的生长发育有关;这表明在杜鹃花发育到衰老过程中这些根系分泌物和根际细菌可能通过相互作用参与花的发育和衰老。