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不同成熟度無花果比較轉錄組分析

2024-01-30 20:36劉姚李彭生張金云陽桂芳張方秋楊光
經濟林研究 2023年3期
關鍵詞:轉錄組

劉姚 李彭生 張金云 陽桂芳 張方秋 楊光

摘 要:【目的】為揭示無花果果實成熟的分子機制及無花果果實品質改良和新品種選育提供參考?!痉椒ā恳圆煌墒於龋⊿1: 八成熟,S2: 九成熟,S3: 全熟)的‘芭勞奈無花果果實為材料,利用Illumina 高通量測序技術,進行轉錄組測序和數據de novo 組裝,對不同成熟度果實的Unigene 進行比較,篩選差異表達基因,并對差異表達基因進行轉錄因子分析、GO 富集分析和KEGG 富集分析?!窘Y果】通過測序共獲得65 676 條Unigene序列,篩選出差異表達基因15 620 個,其中八成熟與九成熟果實有1 508 個差異表達基因,九成熟與全熟果實有11 385 個差異表達基因。GO 富集分析結果表明:八成熟與九成熟果實的差異表達基因主要富集在核糖體相關的細胞組分以及糖酵解、ADP 和ATP 代謝等過程;九成熟與全熟果實的差異表達基因主要富集在植物細胞壁相關的細胞組分以及果實成熟、發病原和谷氨酸代謝等過程。KEGG 分析結果表明:八成熟與九成熟果實的差異表達基因主要富集在糖酵解、丙酮酸代謝、碳代謝和氨基酸合成代謝等途徑;九成熟與全熟果實的差異表達基因主要富集在糖酵解、脂肪酸代謝、淀粉和蔗糖代謝以及氨基酸合成代謝等途徑?!窘Y論】篩選出的調控果實成熟的關鍵基因包括26 個與乙烯合成及信號轉導相關基因,44 個與ABA 合成及信號轉導相關的基因。

關鍵詞:無花果;轉錄組;差異表達基因;果實成熟度

中圖分類號:S663.3 文獻標志碼:A 文章編號:1003—8981(2023)03—0214—10

無花果Ficus carica 為??芃oraceae 無花果屬Ficus 多年生灌木或小喬木,原產于地中海沿岸,是人類馴化較早的經濟作物之一。其果實具有極高的營養、保健和藥用價值,享有“21 世紀人類健康的守護神”“抗癌斗士”等稱號[1-2]。無花果是優良的經濟樹種,為高端果樹品種,具有巨大的開發潛力和價值[3]。然而,由于成熟的無花果皮薄多汁,采摘后易腐爛,果實保存期僅為2 ~ 3 d,嚴重制約了無花果大規模種植和產業發展。

根據成熟生理特性,水果可分為呼吸躍變型和非呼吸躍變型。呼吸躍變型果實成熟時,產生大量乙烯,呼吸速率急劇上升,具有較強后熟作用。例如,蘋果一般在成熟前采摘,在儲運過程中完成成熟過程。非呼吸躍變型果實在成熟過程中不出現乙烯釋放高峰和呼吸速率高峰,其發育和成熟無明顯階段性,無后熟現象。例如,草莓必須在完全成熟時采摘,若在未成熟時采摘,果實不能在儲運過程中完成成熟過程[4]。無花果則表現出特殊的雙重成熟機制:果實成熟的后期出現乙烯釋放高峰和呼吸速率高峰。無花果的果實成熟后迅速衰老,但無明顯的后熟現象,只有在樹上完熟后才能采摘,未成熟果實采摘后,通過乙烯處理難以誘導果實軟化成熟[5]。為了延長保鮮時間,果農往往根據經驗在無花果果實八成熟時采摘。

然而,八成熟與全熟的無花果果實間品質差別較大。完熟果實的總糖含量、糖酸比和維生素C 含量顯著高于八成熟果實,糖酸比呈現跳躍式增長[6]。市場調查結果也顯示,消費者更喜愛全熟的無花果果實[6-7]。無花果的果實品質和保鮮時間的矛盾一直困擾著無花果種植者,限制了無花果的規模生產。近年來,有一些關于無花果果實采收成熟度及采后保鮮的研究報道,主要的采后保鮮方法包括氯化鈣浸泡、1- 甲基環丙烯(1-MCP)熏蒸、熱激處理、冷激處理、低溫保存以及過氧乙酸處理等[8],但無法從根本上解決無花果儲存的問題。利用現代生物技術手段篩選調控果實成熟的關鍵基因,解析無花果果實成熟的分子調控機制,對于果實品質改良和新品種選育具有重要意義。轉錄組測序技術是探究植物發育分子機制的重要技術方法[9-11],已被廣泛應用于文冠果[12]、杜仲[13]和忍冬[14] 等非模式植物果實發育機制的研究中。目前,有關無花果果實成熟機制的研究鮮見報道。為了探明無花果果實不同成熟階段基因表達情況,為深入開展無花果果實成熟的分子調控機制研究提供參考,本研究中以無花果主栽品種‘芭勞奈為材料,使用轉錄組測序技術建立不同成熟度無花果果實的轉錄組數據庫,篩選不同成熟度的差異表達基因,并進行分類、富集分析,重點分析激素合成和信號轉導途徑的差異表達基因。

1 材料方法

1.1 試驗材料

供試無花果果實采自廣東生態工程職業學院種質資源圃(113°38′E′,23°20′N),無花果樹齡為4 a,品種為‘芭勞奈。選擇長勢一致、無病蟲害的植株,采摘八成熟(S1)、九成熟(S2)和全熟(S3)的果實。每個時期設置3 次生物學重復,每次重復選取3 個植株的9 個果實(每植株3 個果實)。切除果實頭部和尾部,去除果皮,取中間直徑3 cm 左右的果肉部分,將每次重復的樣品充分混勻,用錫箔紙包裝后置于液氮中速凍,保存于-80 ℃冰箱中備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 文庫構建及轉錄組測序

使用EASYspin 植物RNA 快速提取試劑盒提取無花果果實的總RNA,使用Nano Photometer 分光光度計和Qubit 2.0 熒光計檢測總RNA 的純度和濃度,使用Agilent 2100 生物分析儀檢測RNA完整性。經檢測合格的RNA 樣品用于cDNA 文庫的構建。用帶有Oligo(dT)的磁珠富集mRNA,并將mRNA 片段化,以mRNA 短片段為模板,合成cDNA 的2 條鏈[15]。對雙鏈cDNA 進行加工修飾,末端加poly(A)尾并連接測序接頭,最后進行PCR 擴增,完成cDNA 文庫的構建[15]。采用HiSeq4000 測序平臺進行轉錄組測序。文庫構建及轉錄組測序由天津諾禾致源科技有限公司完成。

1.2.2 De novo 組裝

將經測序獲得的原始數據去接頭和引物序列,過濾掉低質量序列,即N 含量超過該read 堿基數的10%,或堿基數(Q ≤ 20)超過該條read 堿基數的50%,獲得高質量序列[16]。使用Trinity 軟件對高質量序列從頭組裝拼接獲得轉錄本序列[17],然后使用corset 軟件去冗余,篩選最長的Cluster序列作為Unigene[18],進行后續分析。

1.2.3 差異表達基因篩選及轉錄因子預測

采用FPKM(fragments per kilobase of transcriptper million fragments mapped)法衡量基因的表達量,使用DESeq2 軟件分析不同成熟度果實樣品之間RNA 的差異表達情況[19-20]。設置Rf < 0.05且|log2(Fc)| ≥ 1 為篩選標準(Rf 為錯誤率,Fc 為變化倍數),篩選差異表達基因(DEGs)。使用iTAK 軟件預測轉錄因子[21]。根據PlnTFDB和PlantTFDB 數據庫中定義好的轉錄因子家族及規則[22-23],通過hmmscan 比對的方式鑒定差異表達基因中的轉錄因子。

1.2.4 差異基因功能富集分析

使用DIAMOND Blastx 軟件將篩選的DEGs序列進行GO 注釋和KEGG 注釋分析[24],并采用clusterProfiler 軟件對差異基因進行GO 功能富集分析和KEGG 通路富集分析[24]。通過差異基因表達分析和KEGG 通路富集分析,篩選無花果果實成熟過程中與乙烯和ABA 信號轉導途徑相關的差異基因[25],使用Origin 軟件繪制差異基因熱圖。

2 結果與分析

2.1 轉錄組測序數據分析

對無花果果實樣品進行高通量測序分析,共獲得690 319 966 原始讀序,各樣品的有效堿基平均為10.95 G,測序錯誤率為0.03% ~ 0.04%,Q20 堿基含量最小值為96.12%,Q30 堿基含量最小值為90.56%,GC 含量最小值為46.44%(表1)。經組裝獲得65 676 個Unigenes 序列,平均長度為1 873 bp,其中長度不小于1 000 bp 的Unigenes 有43 070 條。一般而言,N50 長度在800 bp 以上被認為組裝序列的完整性較好。本研究中組裝獲得的序列N50 為2 638 bp(表2)。以上各項數據指標說明測序數據質量可滿足后續分析的要求。

2.2 差異基因表達分析

通過比較不同成熟度的無花果果實的基因表達,共獲得15 620 個差異基因。與九成熟果實相比,八成熟果實有1 508 個差異基因,其中上調1 158 個,下調350 個。與全熟果實相比,九成熟果實有11 385 個差異基因,顯著多于與八成熟果實的差異基因,其中上調6 502 個,下調4 883 個。與全熟果實相比,八成熟果實差異基因最多,為13 932 個,其中上調7 986 個,下調5 946 個。經進一步分析發現,在八成熟和九成熟時期特異性差異表達的基因有274 個,在九成熟和全熟時期特異性差異表達的基因有1 219 個,在八成熟和全熟時期特異性差異表達的基因有3 462 個。此外在八成熟、九成熟、全熟時期有540 個共同差異表達的基因。

2.3 差異基因轉錄因子分析

轉錄因子是基因表達調控的關鍵因子。通過對不同成熟度無花果果實的差異表達基因進行轉錄因子預測,共獲得2 936 個轉錄因子。由圖1 可見,在八成熟和九成熟時期果實有113 個顯著差異表達的轉錄因子,在九成熟和全熟時期果實有678 個顯著差異表達的轉錄因子。對轉錄因子家族排名進行分析后發現:在八成熟和九成熟時期顯著差異表達的轉錄因子中占比最高的是Jumonji 家族(11.5%),包含13 個顯著差異表達的轉錄因子,其次是NAC 和AP2/ERF-ERF 家族,占比均為8.85%;在九成熟和全熟時期顯著差異表達的轉錄因子中占比最高的是SET 家族(5.01%),包含34 個顯著差異表達的轉錄因子,其次是bZIP 和bHLH 家族,占比分別為4.57% 和4.42%。

2.4 差異基因的GO 富集分析

對不同成熟度無花果果實的差異表達基因進行GO 富集分析,結果表明,差異表達基因被富集到生物學過程、細胞組分以及分子功能三大類。排名前50 的GO 組分如圖2 所示。在生物學過程方面,八成熟和九成熟時期果實的差異表達基因主要富集在糖酵解、ADP 生成ATP、ADP 代謝、嘌呤核苷二磷酸代謝等過程,而九成熟和全熟時期果實的差異表達基因主要富集在果實成熟、發病原和谷氨酸代謝等過程。在細胞組分方面,八成熟和九成熟時期果實的差異表達基因主要富集在胞質核糖體和核糖核蛋白體亞基,而九成熟和全熟時期果實的差異表達基因主要富集在植物細胞壁、膜(質膜和內膜)及錨定組分。在分子功能方面,八成熟和九成熟時期果實的差異表達基因主要富集在丙酮酸激酶活性、乙醇脫氫酶和NAD+ 活性以及堿金屬和鉀離子結合;而九成熟和全熟時期果實的差異表達基因主要富集在神經酰胺和二氫神經酰胺葡糖基轉移酶活性。

2.5 差異基因的KEGG 富集分析

對不同成熟度無花果果實的差異表達基因進行KEGG 富集分析,富集最顯著的20 條通路如圖3 所示。八成熟和九成熟時期果實的差異表達基因主要富集在糖酵解、丙酮酸代謝、碳代謝和氨基酸合成代謝等途徑。九成熟和全熟時期果實的差異表達基因主要富集在糖酵解、脂肪酸代謝、淀粉和蔗糖代謝以及氨基酸合成代謝等途徑。經進一步分析發現,3 個脂質代謝相關途徑(脂肪酸代謝、不飽和脂肪酸的生物合成和甘油脂代謝,以及4 個糖代謝相關途徑(淀粉和蔗糖的代謝、戊糖和葡萄糖醛酸轉換、其他多糖降解和其他類型的O- 聚糖生物合成)在九成熟和全熟時期果實的差異表達基因中特異性富集。

2.6 乙烯和ABA 信號轉導途徑關鍵基因的表達模式分析

在不同成熟度的無花果果實中,檢測到參與乙烯合成及信號轉導途徑相關的差異表達基因共計26 個(圖4)。與八成熟果實相比,在九成熟果實中6 個乙烯合成相關基因均上調表達,包括1 個SAMS(Cluster-2772.0),1 個ACS(Cluster-16914.0),3 個ACO(Cluster-20160.0、Cluster-20160.1、Cluster-20160.2) 和1 個信號轉導基因(Cluster-14830.0)。與九成熟果實相比,在全熟果實中共檢測到12 個乙烯合成基因差異表達,5 個上調表達,包括2 個SAMS(Cluster-1868.0 和Cluster-9519.1), 和3 個ACO(Cluster-20160.0、Cluster-20160.1 和Cluster-20160.2),7 個下調表達, 包括5 個SAMS(Cluster-12282.0、Cluster-12970.0、Cluster-17563.0、Cluster-30389.0 和Cluster-9519.0),2 個ACS(Cluster-16914.0 和Cluster-23294.0)。同時檢測到12 個乙烯信號轉導基因差異表達,1 個ETR(Cluster-26426.3)下調表達,11個均上調表達,包括8 個CRT1(Cluster-17679.2、Cluster-17679.5、Cluster-21650.0、Cluster-21650.4、Cluster-21650.6、Cluster-26931.4、Cluster-30212.2和Cluster-30212.5),2 個MPK6(Cluster-23275.5和Cluster-23275.4)以及1 個EIN3(Cluster-20645.1)。

在不同成熟度的無花果果實中,檢測到參與ABA 合成及信號轉導相關的差異基因共計44 個(圖4)。與八成熟果實相比,在九成熟果實中檢測到6 個ABA 合成基因差異表達,5 個上調表達,包括4 個ZEP(Cluster-24371.5、Cluster-24371.6、Cluster-24371.7 和Cluster-30802.0), 和1 個SDR(Cluster-13733.0),而1 個NCED(Cluster-4218.0)下調表達。同時檢測到1 個ABA 信號轉導基因PP2C(Cluster-29918.2)下調表達。與九成熟果實相比,在全熟果實中檢測到13 個ABA 合成基因,7 個上調表達,包括5 個ZEP(Cluster-24371.0、Cluster-24371.1、Cluster-24371.4、Cluster-24371.5和Cluster-24371.7),2 個NCED(Cluster-31657.4和Cluster-4218.0),6 個下調表達,包括2 個ZEP(Cluster-30802.3 和Cluster-30802.4),2 個NCED(Cluster-10575.0 和Cluster-8141.0),1 個SDR(Cluster-12339.0)以及1 個AAO3(Cluster-7523.12)。

同時檢測到PP2C、SnRK2 ABF 共28 個ABA信號轉導基因。其中,20 個上調表達, 包括13 個PP2C(Cluster-9481.1、Cluster-9481.0、Cluster-7565.0、Cluster-29918.9、Cluster-29918.8、Cluster-29918.7、Cluster-29918.4、Cluster-29918.2、Cluster-29918.10、Cluster-29918.1、Cluster-19606.0、Cluster-26571.5 和Cluster-28800.8),5 個ABF(Cluster-18662.1、Cluster-27803.0、Cluster-27803.2、Cluster-27803.4 和Cluster-29950.4)以及2 個SnRK2(Cluster-25974.0 和Cluster-29585.3),8 個下調表達,包括3 個PP2C(Cluster-20288.0、Cluster-26431.7 和Cluster-28161.0)以及5 個SnRK2(Cluster-6322.0、Cluster-29585.8、Cluster-25108.0、Cluster-20892.1 和Cluster-20892.0)。

3 結論與討論

本研究中利用轉錄組測序技術,分析了‘芭勞奈無花果果實成熟過程中基因表達的變化,共獲得15 620 個差異表達基因。八成熟和九成熟果實的差異表達基因主要富集在核糖體細胞組分、糖酵解、ADP 和ATP 代謝等過程。九成熟和全熟期果實的差異表達基因主要富集在細胞壁相關組分以及果實成熟、發病原代謝等過程。KEGG 分析結果表明,八成熟與九成熟果實及九成熟與全熟期果實的差異表達基因均在糖酵解和氨基酸合成代謝途徑富集。在九成熟和全熟期果實的差異表達基因中,脂肪酸代謝、淀粉和蔗糖代謝途徑也顯著富集。通過進一步篩選,獲得26 個與乙烯信號轉導相關的差異表達基因,獲得44 個與ABA信號轉導相關的差異表達基因?;诒狙芯拷Y果,利用相關的激素或關鍵基因延長無花果的保鮮時間,將是后續的重點研究工作。

通過對不同成熟度無花果果實進行轉錄組測序,共獲得15 620 個差異表達基因。統計發現,九成熟與全熟期果實的差異表達基因數量(11 385)是八成熟與九成熟果實差異表達基因數量(1 508)的7.5 倍,其中九成熟與全熟期果實的差異轉錄因子數量(678 個)也顯著高于八成熟與九成熟果實差異轉錄因子數量(113 個),說明從九成熟至全熟轉變過程中,無花果基因表達十分活躍,果實內部的代謝活動更加旺盛,這可能與果實處于呼吸躍變時期有關[26]。

GO 分析結果表明,八成熟與九成熟果實的差異表達基因主要富集在核糖體相關的細胞組分。果實成熟初期,核糖體蛋白基因可以在翻譯水平上進一步調控成熟相關基因的翻譯效率[15]。九成熟和全熟期果實的差異表達基因主要富集在植物細胞壁相關的細胞組分。完全成熟的無花果果實變軟,說明細胞壁的細胞成分發生顯著變化。KEGG 分析結果表明,八成熟與九成熟果實的差異表達基因主要富集在糖酵解、ADP 和ATP 代謝過程。有研究結果表明,果實開始成熟時,糖酵解途徑的關鍵酶被活化,呼吸活性增強[27],使葡萄糖分解生成ATP,為其他代謝活動提供部分能量。轉錄組測序結果與果實成熟過程的生理特征變化一致,驗證了轉錄組測序的可靠性。九成熟和全熟期果實的差異表達基因主要富集在果實成熟和發病原等途徑。推測由于成熟的無花果散發香氣,更易吸引果蠅等病蟲從果孔入侵,因此發病原等途徑顯著富集。部分糖代謝有關途徑在九成熟和全熟期果實的差異表達基因中特異性富集,這可能與九成熟至全熟期間,無花果果實中淀粉開始分解,葡萄糖和果糖等糖類快速積累有關[28]。在九成熟和全熟期果實中脂類相關代謝途徑也發生顯著變化,說明脂類物質的積累也與果實成熟密切相關。

乙烯是調控果實成熟的關鍵因素,是觸發呼吸躍變型果實成熟的重要啟動因素[29]。呼吸躍變型果實中乙烯合成有2 個系統:系統Ⅰ負責生產低濃度的乙烯,具有自體抑制的特點,控制組織的基礎乙烯含量;系統Ⅱ在呼吸躍變期生產高水平的乙烯,具有自體催化的特點。已有報道驗證植物內源乙烯合成的限速酶ACC 合成酶(ACS)和ACC 氧化酶(ACO)調控番茄[30]、香瓜[31]、梨[32]、獼猴桃[33] 和蘋果[34] 等多種果實成熟。本研究中,在八成熟與九成熟果實的差異表達基因中6 個乙烯合成基因和1 個信號轉導基因均上調表達,說明乙烯合成系統Ⅱ已經開始啟動,加速乙烯合成。與九成熟果實相比,在全熟果實中Cluster-23294.0(ACS) 顯著下調表達,說明其可能僅參與乙烯合成系統Ⅰ,躍變期果實內乙烯含量升高,負反饋調節ACS 下調表達。Cluster-20160.0,Cluster-20160.1 和Cluster-20160.2(ACO)在果實成熟過程(八成熟至全熟)一直上調表達,說明其同時參與乙烯合成系統Ⅰ和Ⅱ,促進乙烯合成,刺激果實成熟。

乙烯信號轉導途徑中,乙烯受體ETR[35] 與CTR1[36] 為負調控元件,下游的EIN2[37]、EIN3[38]和ERF[39] 在乙烯信號轉導過程中起正調控作用。本研究結果與之相符,與九成熟果實相比,在全熟果實中乙烯負調控元件ETR 顯著下調,正調控元件MPK6 EIN3 均顯著上調表達,說明乙烯信號轉導通路被激活,促進果實成熟。不同的是,在無花果果實成熟過程中,CTR1 顯著上調表達,這與其乙烯信號轉導負調控作用相悖,推測乙烯調控無花果果實成熟可能存在新的信號轉導模型。

ABA 在水果成熟衰老調控過程中起著重要作用。內源ABA 含量的升高以及外源ABA 處理均會導致水果成熟和果肉軟化[40]。張涵等[41] 經研究發現,外源ABA 處理能夠促進無花果果實的成熟,ABA 抑制劑能抑制無花果果實的成熟。喬菡[42] 經研究發現,在無花果果實成熟過程中,內源ABA含量持續增加,ABA 與乙烯協同作用誘導果實成熟。目前,尚不清楚ABA 調控果實成熟的作用機制。本研究結果表明,在無花果果實成熟過程中,ABA 合成基因發生顯著變化。植物體內ABA是在9- 順式環氧類胡蘿卜素脫氫酶(NCED)的作用下,由類胡蘿卜素合成而來,NCED 是調控ABA 生物合成的關鍵酶[43]。ABA 醛氧化酶(AAO)可將脫落醛轉化為ABA,是催化ABA 生物合成的最后一步,擬南芥AtAAO3 沉默后出現明顯的ABA 缺失[44]。本研究中,與九成熟果實相比,在全熟果實中檢測到4 個NCED 基因(2 個上調表達,2 個下調表達)和1 個AAO3 基因(下調表達)可能參與體內ABA 合成調控。

本研究結果表明,在無花果果實成熟過程中,ABA 信號轉導途徑的PP2C、SnRK2 ABF關鍵基因的表達發生顯著變化。PP2C 是ABA 信號途徑的負調控元件,SnRK2 是ABA 信號途徑的正調控元件。ABA 與受體結合,抑制PP2C 的酶活性,增加SnRK2 的酶活性,磷酸化下游目標蛋白(ABF),ABA 信號通路被激活[45]。本研究中,與九成熟果實相比,在全熟果實中檢測到5 個ABF 顯著上調表達,表明ABA 的信號通路被激活。同時檢測到3 個PP2C(Cluster-20288.0、Cluster-26431.7 和Cluster-28161.0) 下調表達,2 個SnRK2(Cluster-25974.0 和Cluster-29585.3)上調表達,推測ABF 可能參與ABA 信號轉導調控無花果果實成熟。

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[ 本文編校:聞 麗]

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