项目文章 | 转录组学和代谢组学联合分析揭示旱稻地方品种17SM-19幼苗耐盐性的分子机制

2022-11-18 07:30:20, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

前言

盐度是影响全球作物生长、发育和产量的主要非生物胁迫。据估计，超过 20% 的耕地受到盐度的影响，而且随着气候变化，该问题将继续恶化。因此，了解作物耐盐性的分子机制对于促进耐盐作物的开发和栽培，保障全球粮食安全具有重要意义。

水稻是全球最重要的作物之一，是数十亿人的主食，尤其是亚洲国家的人。它是一种对盐胁迫高度敏感的糖类植物，但旱稻对盐胁迫的敏感性更为严重，因为它总是种植在雨养农田中。为了确保不断增长的世界人口的粮食供应，提高水稻作物的耐盐性至关重要。因此，探索耐盐水稻新种质，了解其分子机制，对培育耐盐水稻至关重要。

2022年9月,上海市农业科学院生物技术研究所刘成洪、陈志伟团队（一作：周龙华博士）在Frontiers in plant science期刊发表了题为 “Integrated analysis of transcriptome and metabolome reveals molecular mechanisms of salt tolerance in seedlings of upland rice landrace 17SM-19”的研究成果，通过转录组学、代谢组学研究方法，研究了旱稻地方品种 17SM-19 耐盐性的分子机制，比较盐胁迫抑制幼苗生长前后基因和代谢物的差异，这项工作将进一步丰富我们对水稻耐盐分子机制的认识，也有助于更有效地利用旱稻地方品种17SM-19。

中文标题：转录组学和代谢组学的综合分析揭示了旱稻地方品种17SM-19幼苗耐盐性的分子机制

研究对象：水稻幼苗

发表期刊：Frontiers in plant science

影响因子：6.627

发表时间：2022.9.14

发表单位：上海市农业科学院生物技术研究所

运用组学技术：转录组学、LC-MS代谢组学（由鹿明生物提供技术支持）

研究思路

研究结果

1.盐胁迫对旱稻地方品种17SM-19幼苗生长的影响

水稻幼苗叶片在 3 DAYS 时卷曲，生长也受到抑制，（NA、K含量）SNC 和 NKR 均显著增加。然而，（芽干重，茎秆重）SDW 和 RDW 没有显著下降，SKC 没有受到显著影响。结果表明旱稻地方品种17SM-19是耐盐性较高的品种。

图1 | 盐胁迫对旱稻地方品种17SM-19性状的影响

(A)水稻生长；(B)芽干重；(C)根干重；(D) Na+浓度；(E)钠钾比；(F)K-+的浓度。CK：对照组；ST：盐处理。**P < 0.01。

2.水稻幼苗不同时期对盐胁迫的差异表达基因

为了确定可以解释水稻幼苗对盐胁迫的反应的分子机制，使用转录组学分析了不同时间盐胁迫下水稻幼苗的基因表达。共有 1900 个基因在3DAYS 差异表达，1738 个基因在5DAYS差异表达。基因总数和上调、下调基因的数量在 3 和 5 DAYS 之间的基因表达不同，并且在每个实例中具有不同的上调和下调基因。

对 3 和 5 DAYS 的 DEG 进行 GO 和 KEGG 分析。在 GO 分析中，前 30 个富集条目在两个时间都均匀分布在生物过程、细胞成分和分子功能中。3 DAYS 中最显著富集的三个条目是 DNA 复制前起始复合物、细胞分裂和核小体，而在 5 DAYS 中，显著富集的条目是几丁质酶活性、多糖分解代谢过程和蛋白质复合物寡聚化。在 KEGG 富集分析中，3 和 5 DAYS 均有 16 个显著通路，但每个时间点也有 6 个独特通路。在 3 DAYS 时，独特的通路是脂肪酸延伸、淀粉和蔗糖代谢、不饱和脂肪酸的生物合成、硒化合物代谢、α-亚麻酸代谢和碱基切除修复。在 5 DAYS时，独特的通路是黄酮类生物合成、氮代谢、单萜生物合成、牛磺酸和亚牛磺酸代谢、卟啉和叶绿素代谢以及光合生物中的碳固定。

图2 | 对照（CK）和盐处理（ST）中水稻枝条转录组学的分析

(A)(B)治疗后3d、5d处特异性表达的mrna的聚类分析；盐处理后3d、5d，(C)上调和(D)下调基因的维恩图。

图3 | (A)(B)3d、5dGO分析图、(C)(D)3d、5dKEGG分析图

3.不同时期盐胁迫下水稻幼苗枝条的代谢物

采用 LC-MS 代谢组学对盐胁迫下水稻幼苗进行分析。主成分分析表明样本具有良好的组内重复性与组间差异性。结果在 3 DAYS 时检测到 174 种特异性的代谢物；在 5 DAYS 时，特异性代谢物有 172 种，不同时期的DAMs大致相似，但两个时间点之间也存在一些明显的差异，这些差异可能与不同时期盐胁迫下水稻幼苗的表型有关。

对 DAM 进行了 KEGG 分析，在 3 DAYS 时，19 个通路显著富集，在 5 DAYS 时，14 个通路显著富集。6 个通路在 3 DAYS 是独特的，包括柠檬酸循环（TCA 循环）、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、乙醛酸和二羧酸代谢、β-丙氨酸代谢、赖氨酸生物合成和谷胱甘肽代谢，而在 5 DAYS，只有精氨酸和脯氨酸代谢通路是独特的。

图4 | 对照（CK）和盐处理（ST）水稻枝条代谢产物分析

(A)样品中CK和ST中水稻幼苗代谢物的总体表达水平log10（强度）；

(B)主成分分析（PCA）；

(C)(D)盐处理后3天、5天下代谢物的火山图；

(E）(F)在盐处理后3、5天内，上调代谢物和下调代谢物的维恩图；

(G)(H）3、5天的KRGG分析图。

4.转录组学与代谢组学的相关性分析

为了描述代谢物和基因之间的关系，对前 20 个 DEG 和 DAM 在 3 和 5 DAYS 进行转录组学与代谢组学的相关性分析。在 3 DAS 的前 20 个 DEGs 和 DAMs 中，一半基因上调，一半下调，而只有一种代谢物上调。在 5 DAS 的前 20 个 DEGs 和 DAMs 中，大多数基因上调，而没有代谢物上调。其中1-O-(2-methoxy-4Z-hexadecenyl)-sn-glycero-3-phosphocholine，它在 3 DAS 上调，在 5 DAS 下调，这种差异可能与盐胁迫下表型的变化有关，该代谢物在3 DAS仅与一个基因（Os01g0642200）呈负相关，表明进一步研究该基因与代谢物之间的关系可能有助于揭示水稻耐盐性的新机制。

图5 | qPCR 检测 NRVM 中的Nppa（上图）和Nppb（下图）

(A)和(B)盐处理后3d、5d基因代谢网络图，绿色实心圆代表基因，橙色实心圆代表代谢物，红线表示正相关，绿线表示负相关；

(C)和(D)通过KEGG标记语言分析，在盐处理后，3d、5d通路中的DEGs和DAMs的网络关系图。

5.定量PCR验证基因表达

随机选择 8 个 DEG 进行 RT-qPCR 验证，包括Os12g0274700、Os04g0612500、Os09g0537700、Os01g0256500、Os01g0642200、Os12g0189300、Os01g0357100和Os04g0683700。得到结果RT-qPCR 的相对基因表达与 mRNA-seq 数据一致。

图6 | 平均值和标准误差显示

*P < 0.05; **P < 0.01.CK3，对照组3d后，CK5，对照组5d后，ST3，盐处理3d后，ST5，盐处理5d后。

研究结论

本研究中转录组学和代谢组学的联合分析为增加对耐盐旱稻地方品种 17SM-19 幼苗耐盐分子机制的理解提供了一些线索。在本研究中，根据前 20 个 DEG 和前 20 个 DAM 的相关性，转录组学和代谢组学之间存在较大差异。水稻耐盐性的分子机制可能涉及渗透调节、离子平衡和活性氧的清除。

此外，本研究提高了对OsHAK基因成员和代谢物 1-O-(2-methoxy-4Z-hexadecenyl)-sn-glycero-3-phosphocholine 在下一步水稻耐盐性方面研究的关注。

小鹿推荐

文章运用了本公司转录组学和代谢组学的分析，研究了旱稻地方品种 17SM-19 耐盐性的分子机制。比较盐胁迫抑制幼苗生长前后基因和代谢物的表达差异及功能变化。这项工作将进一步丰富我们对水稻耐盐分子机制的认识，也有助于更有效地利用旱稻地方品种17SM-19。