转录组分析披露单一和组合干旱和热应力的影响在大麦旗叶重组基因的表达

介绍

今天,众所周知,理解转录组是重要的解读基因组的功能元素。可持续改进的遗传和分子技术创造了一个更好的探索植物基因组,包括大麦(Harb et al ., 2020;2020年亨利,)。下一代测序(门店),提供高通量分析在全基因组水平符合成本效益的方式,让我们开启大麦基因组(简历。Morex)在2012年,第一次(IBGSC, 2012)。在接下来的几年里,更新版本参考大麦的基因组发表Mascher et al。(2017)使用染色体构象捕获和映射Monat et al。(2019)从多个库,采用短内容测序数据类型(TRITEX)。最近,大麦基因组组装(MorexV3)的最新版本发布使用PacBio读排序(Mascher et al ., 2021)。同时,第一个大麦pan-genome概念被报道Jayakodi et al。(2020),而Rapazote-Flores et al。(2019)发布了大麦基因参考文本数据集(BaRTv1.0)。总之,强大的资源大麦基因及其功能进行了广泛的研究,在不断变化的环境条件下可用。

极端气候,干燥和炎热,近年来由于全球气候变暖加剧。政府间气候变化专门委员会(联合国)预计,地球大气层的变暖每0.5°C会导致更频繁的和无所不在的干旱事件明显增加全球的严重程度(联合国政府间气候变化专门委员会,2021报告)。植物永久生存斗争在各种环境压力和在现场条件下,他们通常暴露于几个危害而不是只有一个(铃木et al ., 2014)。例如,往往伴随着高温、干旱和分子反应的植物复合应力无法轻易推断从每个应力单独的影响(普拉萨德et al ., 2011)。一些基因,即。,those determining the trade-off between signaling pathways (e.g., phytohormones) or the underlying universal stress response (e.g., detoxification), can have the same regulatory status under different stresses (Prasch Sonnewald, 2015)。另一方面,两个不同的压力因素可能引起stress-specific策略,有时需要相反的反应。例如,打开和关闭的气孔是首选植物暴露于高温和干旱期间,分别为(Zandalinas et al ., 2016;许et al ., 2021)。因此,在同现,植物也会生成一个惟一的分子响应。文献对大麦的非生物压力的非常有限,主要是基于生理的比较大麦基因型而不是基因表达谱的变化(艾哈迈德et al ., 2013)。大麦识别转录组调制组合引起的非生物压力,包括干旱和温度增加,在很大程度上仍然失踪。

反应植物的约束条件是一个非常复杂的现象,涉及到众多的反应机制。迄今为止,许多研究都集中在植物分子适应环境压力,许多应激基因已经被报道,也在大麦(Gurel et al ., 2016;赵et al ., 2020;Mareri et al ., 2022)。这包括检查embryogenesis-related后期蛋白质的保护作用(LEA)在脱水过程中,和LEA dehydrins属于第二组最常见的研究在不同的植物物种(Yu et al ., 2018)。此外,基因编码的第3组LEA蛋白被广泛称为响应干旱、盐度、热量和冷压力(肖et al ., 2007;“et al ., 2014)。同时,脱落酸(ABA)的监管网络,一个突出的使者植物应激反应,一直得到广泛的研究(马et al ., 2018);候选基因提出了ABA的生物合成与分解代谢大麦(费德勒et al ., 2015)。大量的基因在热应激反应与潜在角色已确定,与所扮演的中心角色编码热休克蛋白(休克)(Chang et al ., 2007)。他们在保护中发挥作用的胞内蛋白变性和保持其稳定和功能通过蛋白质折叠;因此,他们充当监护人(Baniwal et al ., 2004)。不同的HSP-encoding基因已经被列在大麦(Reddy et al ., 2014)。热应力因素的重要作用(hsf)的感应热应激反应也被证实在模式植物研究中,因为他们通过交互与热休克(调节热保护Scharf et al ., 2012)。提出了候选基因编码hsf大麦的系统发育分析(Mishra et al ., 2020)。

尽管大型工厂努力研究这个复杂的监管机制对压力的反应因素,植物适应性的遗传和环境监管,包括大麦、各种条件(如干旱、高温),基本上仍未被承认的(多斯桑托斯et al ., 2022)。尽管旗叶的重要性在开花和籽粒产量测定进行了研究,在分子特性研究相对较少的旗叶大麦。非生物应力发生在生殖阶段的可用性受到限制,从光合营养物质转移和存储器官。在这个发展阶段,旗叶的可行性及其高效的光合作用的活动是非常重要的(时et al ., 2004)。在灌浆期旗叶起着基本的作用在谷物。作为最顶部的叶子,它拦截很多易位的峰值吸收阳光和提要。旗叶时丢失或破坏,粮食产量减少(Ojanpera et al ., 1992)。我们先前的研究表明,一个终端缺水对旗叶期对产量构成更具破坏性的早期压力大麦(相比Mikołajczak et al ., 2017)。毫无疑问,需要深刻的分子的研究来填补这一缺口对旗叶在环境刺激下的行为。大多数转录组报告关注年轻叶检查(例如,韦娜et al ., 2016;曾庆红等人。,2016年),减少对根(例如,Janiak et al ., 2019),非常有限的全基因组表达的变化研究大麦皇冠组织已报告(Svoboda et al ., 2016;Mikołajczak et al ., 2022)。大麦的稀疏对应于分子证据特点旗叶相关主要代谢物分析(坦普勒et al ., 2017;妞妞et al ., 2022)。同时,Hosseini et al。(2016)检查的影响钾治疗初级代谢和脱落酸积累在大麦旗叶两个基因型对比压力的宽容和接触时间的干旱。此外,作者分析了两种ABA-related基因的表达变化通过实时qPCR。事实上,全球转录组re-modeling旗叶中,特别是在干旱和热相结合,到目前为止还没有研究大麦。

因此,本研究旨在破译干旱和热浪的影响在全基因组基因表达的旗叶大麦。我们使用高通量测序的信使rna识别基因与应对干旱或热及它们的组合。我们假设复合应力下的转录组变化不能视为单一的添加剂影响压力,但是基因的某个子集,例如,与普遍的功能,可以在不同环境中相同的反应。其次,我们假设压力诱导基因表达的变化也取决于旗叶的形态。然而,我们预期,尽管旗叶的形态是由基因决定的,单核苷酸突变没有明确的影响在不利条件下不同的多态基因的表达。转录组数据分析以及评估表型和旗叶的叶绿素荧光参数。

材料和方法

植物材料由七个重组自交系(瑞来斯,称为MCam)开发的春大麦穿越简历。Maresi(欧洲)和CamB1(叙利亚)育种线(Mikołajczak et al ., 2016;Mikołajczak et al ., 2017;Mikołajczak et al ., 2020团队的谷物Phenomics,波兰科学院植物遗传学研究所。登记入册根据旗叶大小被分为三组:小(S),中等(M),大(L) (表1,图1)。五旗叶的每个基因型用于定义平均尺寸和计算叶面积(叶的矩形框架)。

非生物压力应用

实验是在人工气候室进行完全控制条件下根据Kuczyńska et al。(2019)和Mikołajczak et al。(2022)与修改。空气湿度60% - -70%,234年µmol m⁻²年代⁻¹PAR辐照度(阿波罗8号灯生长)。每个锅(H-LSR 4.5 L;21厘米直径20厘米高)充满了肥沃的土壤和泥炭的混合物(3:1,w/w),然后锅是随机分布的人工气候室的长椅上。十种子播种在每个壶,和植物的数量被减少到5后萌发。首先,所有的植物都生长在8°12/12 / 14°C和h(晚上/天)光周期为一个月和明年16°8/16 / 22°C和h(晚上/天)光周期到下植被的季节最佳土壤水分,即。,70%以上的水容量(FWC),一些强调变异的变化。总的来说,用两个温度和水四个环境变量应用政权:控制条件(C)如上所述;干旱(D)土壤水分在20% FWC和温度在摄氏度;高温(H) -20°和30°C(晚上/天)和最佳的土壤水分;和组合的压力治疗(HD) -20°和30°C (FWC晚上/天)和20%。非生物压力施加在旗叶阶段(39 BBCH,大约。播种29-47天后根据基因型)和维持七天。生物样品(旗叶)分子分析收集在两个时间点,即第三(T1)和第七(T2)天的压力。 Soil moisture was controlled gravimetrically by the daily weighing of each pot. The number of pots was set to provide sufficient material for molecular studies and phenotyping.

全基因组表达分析

旗叶从所有实验收集大麦基因型变异在两个时间点(T1和T2),他们立即在液态氮冷冻和储存在−80°C到分析。中提取总RNA(1 - 2µg)一式三份使用试剂盒(RRID: SCR_008539,http://www.qiagen.com、希尔登,德国)RNeasy植物迷你工具根据制造商的指示。基因组DNA污染被两次,即。,on-column DNase digestion (RNase-Free DNase Set, Qiagen) and using the DNase Max Kit (Qiagen) during and after RNA isolation, respectively. Three flag leaves sampled from different plants of each genotype in a pot formed one replication, and three such replications were examined. RNA quantity, quality, and integrity were evaluated following the study byMikołajczak et al。(2022)。cDNA文库建设(TruSeq困mRNA)和信使rna序列是由Macrogen Inc . (RRID: SCR_014454,http://www.macrogen.com首尔,韩国)使用一个Illumina公司NovaSeq6000平台以150 - bp paired-end配置和读对的数量从18.3到40.9 M /样品。

表型特征

所有植物都是手动成熟后收获播种后(约69 - 84天取决于基因型和治疗),和植物架构相关的性状与产量构成测量。初级(主要)和二级(横向)茎检查,以及主要物候阶段被发现;总的来说,26日特征进行评估(T1-T26)。此外,九叶绿素荧光参数(F1-F9)测量使用FluorPen FP 110 / D装置(光子系统工具,PSI、Drasov、捷克共和国)的旗叶植物在第三个(T1)和第七(T2)天的压力在治疗。经过30分钟的暗适应,采用分离leaf-clips,旗叶立即暴露的饱和光脉冲强度3000μmol m⁻²年代⁻¹和所有参数测量。三个复制用于上述观察,每个五植物组成的一个壶。分析了表型性状和叶绿素荧光参数的完整列表,与相应的标识符/缩写,给出补充表9和补充表9 b,分别。

数据分析

的IBSC_v2大麦芽(运用植物rel。48;RRID: SCR_008680,http://plants.ensembl.org/index.html)基因组大会被用作参考SNP和基因表达分析。后删除adapter-related序列和质量削减使用AdapterRemoval版本。2.1.7 (RRID: SCR_011834,https://github.com/MikkelSchubert/adapterremoval,舒伯特et al ., 2016)(参数:-minquality 20岁,最小长度50),mRNA-seq读取被映射到嗨参考序列使用大礼帽版本。2.1.1 (RRID: SCR_013035,http://ccb.jhu.edu/software/tophat/index.shtml,金正日et al ., 2013)(参数:最大的没有。不匹配的= 1,没有混合,-no-discordant);映射效率是61.8% - -83.9%。使用featureCounts函数读取与记录一致被数Bioconductor (RRID: SCR_006442,http://www.bioconductor.org/),R 3.6.1 (RRID: SCR_001905,http://www.r-project.org/Rsubread库;廖et al ., 2019),以及由此产生的数据受到微分表达式分析DESeq2版本。1.22.2 (RRID: SCR_015687,https://bioconductor.org/packages/release/bioc/html/DESeq2.html)(爱et al ., 2014)。(度)之间的差异表达基因治疗和控制样本发现基因的特征意味着表达式中至少10单位(DESeq2估计),|日志₂(FC | > 3,罗斯福< 0.01。主坐标分析(PCoA)日志₂度(FC)值是基于欧氏距离的矩阵。基因本体术语浓缩使用苗条的注释和分析工具在geneontology.org (RRID: SCR_002811)。加权基因co-reaction网络分析了使用WGCNA库(RRID: SCR_003302,http://www.genetics.ucla.edu/labs/horvath/CoexpressionNetwork/在R) (Langfelder Horvath), 2008年;Langfelder Horvath), 2012年)使用以下参数:β= 10,完整的链接聚类方法,cutHeight = 0.95, minsize = 20。SNP调用mRNA-seq数据集中分别从三个生物复制的7个基因型,在T1的最佳条件,进行使用samtools / bcftools管道(李,2011)(过滤参数:% 8 > 60岁加> 0.10,DP > 80)。维恩图被画在r中使用“维恩”包SNP蛋白质翻译效果预测使用VEP工具(运用植物;麦克拉伦et al ., 2010)。SNP数据分析使用PCoA基于矩阵的简单匹配相似性系数之间基因型和分层聚类通过完整的链接方法。统计检验和分析表型和叶绿素荧光数据进行GenStat 19 (RRID: SCR_014595,http://www.vsni.co.uk/products/genstat/)(VSN国际2017)。创建主成分biplots定心和正常化后数据。方差分析是在一个包含固定效应模型进行治疗,旗叶大小,时间点,对这些因素的相互作用。加权特征相关网络分析进行联合对比表型和表达数据使用WGCNA库使用以下参数:β= 6,完整的链接聚类方法,cutHeight = 0.98, minsize = 10。

结果

全基因组表达分析

总的来说,2457个差异表达基因(度)至少有一个18岁的比较中发现的三个治疗(H D和HD)和控制条件(C)三旗叶大小组织在两个时间点(补充表1)。一般来说,到达小旗叶的大小(S)有更多的表达下调的基因(T1和D除外),而在大叶组(L),调节基因多,独立于类型的压力和时间的抽样;植物中旗叶大小(M)有更多的调节基因在H D和HD但低于表达下调的时间点。显示更多的基因诱导表达的反应比到H D和高清,尤其是在T2 (表2)。多出三倍度被观察到第七天的压力(T2)比第三天(T1) (图2一个),然而在M的度H组治疗类似的时间点(表2)。大部分的度在T1(约。80%)也出现在T2。基因型组年代2倍更常见的度和植物群M比这些在L组;值得注意的是,349度之间共享所有分类组(图2 b)。有1521度D和高清之间共享,而95度被共享的所有压力条件。治疗D和HD ca的表达影响。9倍比H基因(图2 c)。

主坐标分析(PCoA)的日志₂度(FC)值显示较低的基因表达变化反应应用应力在旗叶组L M组相比,在年代组和转录组的反应明显不同于其他的(补充图1)。

功能解释的差异表达基因,该基因本体论(苗条,geneontology.org)浓缩为一组分析做至少三度显著的对比(1037个基因)(补充表2)。为主,过多条款“光合作用”和“反应”相关的各种因素;“响应非生物刺激”这个词是最显著的富集在所有情况下(L组除外)。同时,“对脱落酸”一词明显富集在所有情况下(H治疗除外)。旗叶的大小,定义的组内度确定集团L确定最低数量的富集条件。低数量的丰富去观察条件比D和H高清。然而,条款共享所有H的治疗方法是更重要的比其他疗法,有趣的是,包括“渗透压力反应”和“氧化应激反应。“总的来说,一组丰富的条款并没有随时间变化(他们稍微多在T2),和类似的意义对于每个观测时间点之间。几丰富条款具体旗叶的大小,压力变种,或时间点(补充表2)。值得不是条款”应对热”,“氧化应激反应,”和“反应渗透压力”M组比例过高的叶子,而与磷酸酶活性和脱磷酸作用是特定于第二个时间点(T2)。

其次,解释功能的一组基因的表达反应类似于压力,我们使用日志₂18 (FC)值对比co-reaction构建基因网络,显示15个模块(M1-M15) (补充表1,补充表3)。为了更好的总结,获得模块进一步分组的相似的响应度分配给每个模块(基于模块eigengenes)。在此基础上,我们选择了三个加入模块(MI-MIII)包含度最相似的表达式(表3),的苗条的富集分析(表3 b)。一般来说,在模块度MI(86个基因)H相对控制条件C反应积极,而在D和HD基因表达降低或类似条件C这些度被无数地注解为氧化还原酶,受体蛋白激酶,叶绿素a / b结合蛋白(根据NR蛋白质数据库)。这些发现是相关词浓缩的结果,显示,即。,that the terms photosynthesis and response to abiotic or to light stimuli were overrepresented in this set of DEGs.

度分配模块信息产业部(225个基因)强烈表达C和H D和HD相对独立于T2旗叶的类型;在T1也证实,但只对基因型属于集团m .这个模块,再一次,富含oxidoreductase-related基因(NR蛋白质数据库)和众多的观察与荷尔蒙相关的基因,主要与脱落酸对应的监管途径(植物Reactome)。我们确认了术语“应对脱落酸”过多度内模块信息产业部。丰富的条款我们还发现,即,terms “response to cold” and “response to temperature stimulus.”

基因表达谱的基因从模块MIII(55)从模块类似MII所有组的旗叶大小随着时间的推移,除了度影响D和高清在T1,宁愿积极监管地位相比模块信息产业部在团体年代和l与ABA的生物合成相关的基因和信号转导和MAPK信号通路在模块MIII特别丰富。然而,只有条款相关的脂质分解代谢是过多了。

接下来,去词浓缩分析(geneontology.org)应用于揭示所有组之间349度常见的函数定义为旗叶大小(图2 b,补充表4)和95度之间共享压力治疗(图2 c,补充表4 b)。在第一种情况下,生物过程类别包含最丰富的条件,主要与反应各种因素有关,包括水不足,温度刺激,和脱落酸;术语“低温驯化”最高折叠浓缩。三过多方面发现了分子内的功能类别(术语“类胡萝卜素加双氧酶活动”丰富了最强的),但这些条款被发现细胞组件。度分配给这些条款中所有模块定义的基因co-reaction网络(M4和M7除外)。治疗组之间共享度(属于模块M6、M7 M9-M13),浓缩去术语大多是类似于上面提到的生物过程中的类别;此外,“氧化应激反应”,“应对ROS,”和一些photosynthesis-related条款过多。分子内的功能类别,有,其中,“赤霉素20-oxidase活动”和“绑定的蛋白质、四吡咯或叶绿素”。一般来说,光系统II相关条款以及叶绿体细胞组件类别丰富。

最后,365个基因的表达是完全受干旱和热量被用于去传播的分析。然而,没有明显的结果被发现在生物过程,分子功能,细胞组件类别。因此,我们另外测试豹蛋白质类群体(pantherdb.org)和发现了一些丰富enzyme-related术语,即。”加氧酶”、“氧化还原酶”、“代谢物互换酶”,“水解酶,”和“运输车”(这个词图2 c,补充表4 c)。

度的子集分配给所选功能注释

我们提取术语注释集度(见注释补充表1)在基因的分布,对方向,差别,对这些显著不同的边际分布的微分计算监管事件在整个实验中(3008 / 3957)。这种方法使我们能够想象的去术语分配基因的表达特别增加或减少在应用治疗(图3,补充表5);此外,在分析一个基因可以被视为在几个“微分表达式事件”(DE事件),可以显示不同的表情反应定义对比。

度分配到光合作用和条件密切相关

一般来说,度与光合作用有关,大多数条款密切相关的反应消极压力因素相对于控制。事实上,有53度分配到光合作用的表达减少对压力的反应(189 DE事件),扣除HORVU2Hr1G090070,只调节基因型组在T2 D (补充表6)。几乎90%的度观察组年代,特别是在T2 D和HD(包括11个基因特定于高清),而在T1只有高清诱导一些重要基因表达的变化。大约40%的度M组也发现,大部分在高清在两个时间点。HORVU2Hr1G010690,只有一个基因表达降低集团在D和L T2。大约1/4的光合度治疗之间共享,但是H和高清,之间没有共同度D平行不显著,被确定。更有趣的是,4倍度由H在T1比T2检测。基因编码叶绿素a / b结合蛋白是最多数地度的代表在这个子集。几个基因与光系统I反应中心的亚基。

另一方面,有一些度分配给“叶绿体”和“叶绿体类囊体膜”(蜂窝组件)的表达反应积极压力;大约1/4和1/5的事件分别“upregulations”(图3,补充表5)。度一半以上是D之间共享和高清数字不重要在H。有趣的是,有一个调节度,HORVU2Hr1G038830,常见的H和HD(没有出现在D)之间在L组在这两个时间点,在T1组;它编码ferredoxin-NADP还原酶(补充表6)。表达下调基因的表达谱分配给两个方面类似于上述光合作用相关的度,因为他们部分之间共享这两个术语。此外,我们发现表达下调度与ATP合酶CF1ε亚基基因(6)和NADH-plastoquinone氧化还原酶亚基3 J和K(12基因),常见的“叶绿体”与“叶绿体类囊体膜”条款,表达特定的组S (T2)在D和D和高清,分别。观察反过来,增强表达的基因主要在团体S和M D和高清下,特别是在T2。其中四个基因编码的早期HV58 light-inducible蛋白质分子质量高。几个调节基因编码未知蛋白质(蛋白质预测根据NR蛋白质数据库);然而,使用植物Reactome数据库,我们发现HORVU4Hr1G050510参与了HSFA7 / HSFA6B-regulatory网络由干旱和ABA诱导,而HORVU2Hr1G005320精氨酸和脯氨酸代谢有关。同时,其中一个,HORVU3Hr1G070850编码苹果酸脱氢酶(EC: 1.1.1.40)。三度被发现有相反的规定状态在M组,即。,gene expression was enhanced in D and HD in T2 but reduced in T1 in H. They encoded putative 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenases (HORVU5Hr1G044510, HORVU5Hr1G054970), and HORVU5Hr1G092850 (a predicted protein) was involved in ABA biosynthesis and mediated signaling according to the Plant Reactome database (补充表1)。

度分配给干旱的反应

上面的一个方面去揭示对应于“应对水不足,”18度。一般来说,他们反应积极响应外加应力(图3,补充表5在T2),主要是在D和HD组S和M, L少;它也证实在T1 (M组补充表6)。三度D需要具体问题具体分析,H,并没有高清。基因HORVU7Hr1G088140编码PYL2降低了脱落酸受体表达在高清,T1组S和M, D, T2-group l .另一个基因HORVU6Hr1G080670,编码bZIP转录因子,表达下调只是在H (M组,T1)。8度检测的注释dehydrin(不同类型),而且几乎所有人都在应对干旱(D, HD)在旗叶大小T2组。值得注意的是,他们还调节在T1组M基因HORVU5Hr1G092100 (dehydrin DHN2)中只有在M在D组,T2。同样,HORVU4Hr1G074130编码膜联蛋白D4-like是专门在集团在T2 M (D和HD)。相比之下,另一个基因编码膜联蛋白(D1) HORVU7Hr1G037080,增加了表达组和L(但不是在M组)在T2 HD和D,分别。两个基因也被注释为热响应。

度分配给热响应

不去术语注释”应对热”被发现的基础上计算边际分布度(图3)。因此,获得的概述度与热有关,我们分析了基因的调节状态出现在数据集注释如下:“应对热”(去:0009408),“细胞反应热量”(去:0034605),“热调节细胞反应”(去:1900034),“热休克蛋白绑定”(去:0031072),“热适应,”和“积极的调控转录的RNA聚合酶II启动子在热应激反应”(去:0061408)(补充表6)。这显示32度,其中9中反复提到的类别。最大量的基因编码的热休克蛋白(休克)。调节热状态度不均匀。八个基因表达下调和最DE事件观察组在T2,主要在H和/或高清。四个基因之间共享这些治疗在M组。他们编码HSP23 (HORVU2Hr1G077710 HORVU6Hr1G077710), HSP70 (HORVU3Hr1G086500)和HSF (HORVU7Hr1G087690)。同样的对比,基因HORVU5Hr1G094380(假定的HSF-type),在应对h .专门underexpressed相反,有11个调节基因,主要在T2组S和M D,高清。然而,HORVU4Hr1G063350 (HSP20-like伴侣)增加了表达只在T1 M组在治疗。另一个基因编码的表达HSP20 (HORVU0Hr1G020420)另外增加在HD组年代和L(也在T2 H)在两个时间点。 Interestingly, gene HORVU3Hr1G069590 encoding heat shock factor C1b showed enhanced expression always in response to D and HD in T2 in all groups of flag leaf size; it was also confirmed for group M in T1. In turn, gene HORVU7Hr1G088920 encoding heat shock factor C2b was upregulated specifically to group M in D and HD, T2, similarly to gene HORVU4Hr1G074130 encoding annexin D4-like as mentioned previously. Noteworthy, 13 DEGs within group M were found to have opposite regulation status dependent on time or stress treatment. They were upregulated in T1 mostly in D and/or HD, and not changed significantly in H (with two exceptions), whereas in T2 all of them were downregulated in H, and interestingly, they became not significant in D (with two exceptions). One of such gene, HORVU4Hr1G090090 encoding heat-responsive transcription factor HSF85, was upregulated in D and HD but downregulated in H. Two genes encoding HSP20 (HORVU3Hr1G020500, HORVU3Hr1G020490) changed expression status also in response to HD, from positive in T1 to negative in T2. All significant DE events observed for groups S and L showed “upregulation” status.

度分配给脱落酸

16度注释“应对脱落酸”被发现的表达调节反应压力因素有一个例外,即。上述旱灾HORVU7Hr1G085130基因(图3,补充表5,补充表6)。事实上,大多数的探测度dehydrins编码,和他们也分配给干旱的反应,所以同样的行为观察。反过来,基因HORVU3Hr1G069590(编码HSFC1b)注释也热响应。此外,我们确认HORVU1Hr1G059950(编码蛋白质CS41 Em)在所有组中定义的旗叶的大小,主要在D在两个时间点。否则,HORVU6Hr1G058000编码ECERIFERUM 1只增加了表达组S (D和高清,T2),而HORVU7Hr1G045630 HVA22编码蛋白质,是调节在D组M和L,在T2高清。

相比之下,几乎没有下调度分配给GO术语“脱落acid-activated信号通路”,包括基因编码bZIP转录因子和脱落酸受体PYL2上面提到的。另一个基因,HORVU4Hr1G055220 PYL4脱落酸受体编码,降低了表达式在D组,在T2高清,随着时间的推移在M在D组(补充表6)。

事实上,我们发现19额外度编码LEA蛋白,根据Interpro数据库,但是他们不带注释的ABA反应(补充表1)。一般来说,他们属于LEA1 LEA2子组,在组S和M D和HD T2。然而,两个基因表达下调在T2在HD组旗叶大小HORVU4Hr1G026770 (M组除外),第三个基因,HORVU7Hr1G012310(编码LEA1),降低了表达只在D组,在T2高清。这些基因影响H。

度分配到脂质运输

奇怪的是,我们确定了“脂质运输”一词在与充分调节度类别(图3,补充表5)。所有人(有一个例外)属于脂质转运蛋白家族(LTP)编码基因,包括ns-LTP6 ns-LTP1前体,三个ns-LTP2-like基因。他们调节主要针对D和HD组S和M;然而,HORVU5Hr1G109100专门在H (M组,组在T2在T1) (补充表6)。

度分配到叶片发育

由于研究基因型与不同大小的旗叶在我们的实验中,我们决定跟随的反应度分配给“叶片发育的调控”这个词(去:2000024)。只有一个这样的度,HORVU1Hr1G046740被发现(补充表6)。它编码的淡水螯虾蛋白质和显示减少表达个人的干旱引起的组织在T2和L。没有表情变化是观察在m组扩大小组参与叶片发育的基因,我们使用了工厂Reactome数据库(补充表1)。这显示10额外度与叶片发育的监管途径,包括六个基因编码酶。四个编码半胱氨酸蛋白酶,在三种情况下,表达增加D和HD T2在所有组定义的旗叶大小;也证实在T1组m。有趣的是,第四个基因,HORVU7Hr1G119930,表达下调是专门在S在D组,在T2高清。类似的观察表达调控两个基因编码细胞色素P450,即。,HORVU5Hr1G057180 and HORVU5Hr1G081060 (downregulated additionally in group L). We detected one gene, HORVU5Hr1G097900, encoding putative TF RL9 (leaf rolling), which had reduced expression in D and HD in groups S and L in T2. None of the DEGs were significantly affected by H.

单核苷酸多态性

SNP调用mRNA-seq数据显示17261年多态标记(纯合子),其中包括16875个SNP交办的一些影响蛋白质翻译VEP工具(表4)。包含有4552个基因单核苷酸多态性,其数量在一个单一的基因范围从1到45 (补充表7)。SNP高影响影响是最丰富的,由于停止密码子(stop_gained_variant)的引入,而SNP修饰符影响是多在5”或3 ' utr和内含子或非编码记录。

一些遗传组成之间的联系和旗叶大小PCoA分析,证实了。,MCam67 with a large flag leaf was significantly distanced from the other group of genotypes, and MCam48 and MCam109, representing a group of medium flag leaf size, showed the closest similarity (补充图2)。

基因本体术语富集分析基因的翻译效果高透露过多的条款只在分子的功能类别,主要与绑定不同的化合物;最大的褶皱浓缩观察术语“ABC-type运输活动”(补充表8)。

接下来,我们分析了度,是否包含单核苷酸多态性与高组基因型之间的转换效应和多态定义根据旗叶大小,在压力下的反应不同。在这12基因识别,只有两个似乎有一些遗传多态性和基因表达之间的关系。基因HORVU3Hr1G002550(蛋白激酶域)之间多态植物群M(等位基因C / C)和组和L (T / T)等位基因;它不是组织差异表达的M在任何情况下,但这是在高清表达下调,T2组和L (D)。同样,基因HORVU6Hr1G084070(分配给应对干旱/ ABA)显示SNP多态性之间的植物组织M(等位基因T / T, MCam109除外)和S和L(等位基因C / C)但是在表情上唯一的区别是,在M组基因过表达在这两个时间点在D,高清,而观察组和L度只有在T2。在度分配给另一个选择的条款上面提到的只有一个基因,HORVU7Hr1G101310, SNP高翻译效果检测的带注释的脂质运输子集。然而,尽管苏格兰民族党多态性发现组间L(等位基因C / C)和S和M(等位基因G / G),没有基因表达的调控基因型的差异。

评估表型

外加应力的影响因素对表型在所有三组基因型相似。结合高清的平均效应对表型类似于D的影响比h .一般而言,负面影响的不利条件下研究了特征观察,扣除的分蘖数(T1)和主茎的基部节间长度(T5)。最大的减少在高清或D发现grain-related特征(T15, t16.1 T19-T21)。和损失(max。80%),一般来说,更大的小旗叶的大小(补充图3)。大小leaf-dependent物候学的差异是明显的旗叶和标题阶段的平均值,即。旗叶面积的增加,植物早些时候到达阶段,甚至十几天;轻微的压力诱导交替是指出在这两个阶段。另一方面,D和HD造成最大的延迟达到完全成熟(大约10天)内L组相对于C和h .方差分析证实了显著(P < 0.001)旗叶大小对物候学的影响(T24-T26) (补充表9)。反过来,一个重要的治疗效果(P < 0.001)和交互的旗叶大小×观察治疗(P < 0.01)只有在完全成熟(T26)。所有来源的方差分析显示显著的影响变化的情况下收获后九个特征(T3、T4、T8, T9, T13 T14, T19, T20,和T22)。治疗和旗叶大小有很强(P < 0.001)影响的特征,而他们的交互作用显著影响一半的特征分析(至少在P < 0.01)。平均值的最大压力诱导分化的叶绿素荧光参数Pi_Abs和DI0_RC被发现,一般来说,减少和增加,分别,特别是在T2 (补充图3 b)。结合高清最强的减少造成Pi_Abs旗叶大小团体,以最大的程度(2.5倍减少相对于控制)在M参数组DI0_RC显示最大的阳性反应(2倍增加),再在集团M D和高清。其他参数略受不利条件,排除小旗叶大小基因型在第一个时间点暴露在H (T1),所有参数都是确定的最大平均值(DI0_RC除外)。显著影响的方差分析显示所有的变异来源大部分的叶绿素荧光参数,主要是在P < 0.001 (补充表9 b)。最大的显著影响,在所有特征,观察治疗及其与时间的交互和旗叶大小(扣除Pi_Abs,显著P < 0.01)。另一方面,旗叶大小对光合特性的影响,最低,只有Fv_Fm (P < 0.001)和Pi_Abs (P < 0.01)有显著影响。的影响和交互时间×旗叶大小是重要的七参数。

主成分分析(PCA)证实的类似行为表型(图4一)和叶绿素荧光(图4 b)特征在两个治疗组,即。,a similar effect of conditions C and H as well as a coincidence between D and HD impact.

我们也进行了相关的网络分析表型性状(收获后)和基因表达之间的对比D, H,和HD v c这揭示了一个重要的和消极的反应之间的关系的三个基因的表达,HORVU1Hr1G066100 (r = 0.65), HORVU2Hr1G026820 (r = 0.61), HORVU2Hr1G036720 (r = 0.65),和单株粒重差异(T21),即,增加每个基因的表达诱导下D和HD和粒重降低相对于对照组,观察独立旗叶的大小(补充表1,图5)。

讨论

高通量测序的mRNA发现干旱和热敏基因的表达差异影响个人和非生物压力大麦旗叶相结合。在全球意义上,转录组签名双重压力下更类似于高温干旱造成的影响比。显然,工厂认为干旱更严重比热在我们的实验装置。建议同现的压力下,植物可能优先响应策略强调第一或其影响效应被认为更加强烈(Kumar Pandey et al ., 2015)。Prasch和Sonnewald (2015)指出四种方法的植物复合应力响应:可加性,合作,特质,和支配,这表明特质是最常报道的研究人员在不同的植物物种面临多重压力。例如,一个相当独特的分子同时应对干旱和热相比,个人压力被观察到拟南芥(拉斯穆森et al ., 2013)、高粱(Johnson et al ., 2014)和小麦(Rampino et al ., 2012)。这是不符合我们的研究,大约3/4的度D和高清之间是很常见的。因此,我们认为干旱期间主导组合压力治疗和转录组比独特的反应是主要的共享。这似乎可以理解当我们应用严重干旱和适度增加温度实验。同样的,Rizhsky et al。(2004)发现的转录组响应拟南芥结合干旱和热引起的更类似于单比高温干旱,大约一半的成绩单在哪里之间共享干旱及其组合。结束,植物响应多个压力由共享和独特的转录组的组合变化,及其比例取决于各种因素如基因型或压力严重程度和持续时间。

此外,表达co-reaction网络分析表明,一些度玩各种功能(例如,与ABA信号相关的基因或脂质分解代谢)也有类似的监管下干旱和在其结合热;另一方面,这样的观察度一致表达式之间的热量和控制条件。有趣的是,其中,有氧化还原酶显示对比度相关的行为,即。,年代ome were overexpressed and others were downregulated under D and HD in relation to H and C. It would seem that oxidoreductase-related genes should be generally upregulated in response to stressors, as indicated byGharaghanipor et al。(2022)在物观察增加大量的oxidoreductase-coding成绩单盐度下大麦基因型。同时,Szurman-Zubrzycka et al。(2021)确定大规模upregulation氧化物酶编码基因在大麦根低博士然而,在相同的研究中,作者发现降低和调节基因与应对铝氧化物酶治疗。提到基因的这种相反的行为也被观察到的叶子甘蔗受到干旱(Contiliani et al ., 2022)。对比调节氧化还原酶的基因编码可以用这一事实来解释他们构成一个大家庭的酶具有复杂功能,除了防御压力,调节细胞内稳态和植物开发(王et al ., 2018 b)。

我们证实了基因表达时间。,a four-day difference in exposition to adverse conditions had a large impact on transcriptome re-modeling since more DEGs were found on the seventh day compared to the third day of stress. Secondly, it was proved that stress-induced reaction of most of the early-responsive genes was maintained at the later period of plant exposition to stress. We claimed that stress severity was forcefully perceived by plants in the following days, therefore they needed more time for adjustment to adverse conditions. This situation was also observed for an increased temperature effect over time but to a lesser extent relative to other stress treatments, except for genotypes with medium flag leaf size.

本研究证明了应激re-modeling的转录组的大小也取决于标志叶片。众所周知,非生物应力影响叶子的形态和生理机能。叶滚动和跛行以及叶大小/面积减少干旱已报告在不同物种(杨et al ., 2021),包括在小麦旗叶的修改(威力克et al ., 2018)。热应力也使卷曲,枯萎的树叶(西迪基et al ., 2015)。因此,转录组变化似乎依赖国旗真人大小的预期。我们表明,长期的压力诱导的基因型中最大量的基因表达的变化在旗叶体积小。也许小旗叶认为压力强,和增强re-modeling转录组被要求保护的约束条件下叶片活力。一般来说,植物转录组的反应和小旗叶不同于其他更多的表达下调的基因,但深入洞察选择集度的反应表明,植物在集团年代更像那些属于集团M比l .反过来,当只考虑early-responsive基因(T1时间点),大多数度是特定基因型与媒介旗叶的大小,特别是在D和高清。这组由四个基因型,确保一些遗传变异;因此,如此快速应激反应基因的表达可以归结特别是中等大小的旗叶少和遗传背景。然而,这些发现对叶绿素荧光参数没有显著影响,根据方差分析,只有两个参数影响旗叶的大小,包括Fv_Fm。平行,的最大PSII光化学量子效率似乎最恒定的参数在强调治疗持续七天;可以预期自Fv_Fm表示大麦叶片在早期干旱胁迫(几乎不受影响Oukarroumet。2007)。这是符合的结果Daszkowska-Golec et al。(2017),没有观察到显著变化在大多数大麦品种的叶绿素荧光参数塞巴斯蒂安出现干旱的影响。然而,我们发现DI0_RC参数作出积极的回应,特别是在T2高清媒体旗叶大小的基因型。这可能表明,基因型在M组可以消除多余的能量更有效地比其他群体的基因型在治疗压力。另一方面,基因型在M组显示减少Pi_Abs最强的。这个综合参数被证明是非常敏感的早期压力情景,它对应于PSI、PSII效率提供定量信息在不利条件下植物状态(摩根et al ., 2004)。我们推测,应用应力可以影响更强烈的同化有限公司₂基因型的M组,因为它正相关与Pi_Abs以前记录(例如,范et al ., 2007)。的负面和添加剂的影响结合干旱和高温对小麦光合作用的报道佩尔多莫坚称et al。(2015),但是他们不是我们的评估的叶绿素荧光参数明确地证明了这一点,可能由于相对短期压力应用程序(7天)。

它可以强调一些旗叶大小和表型性状之间的关系。例如,植物与大的旗叶大小略好粮食产量(T21)在最佳条件下,由压力和减少特征诱导治疗(D, HD)小旗叶的尺寸就越大。它可以用这一事实来解释大叶子能够生产、和运输吸收更有效地上涨,特别是在re-watering和在灌浆期阶段。同时,延迟标题在叶子大的国旗的植物,可能造成大量引入heading-related等位基因从叙利亚的父母而不是欧洲的父母用来开发研究材料(MCam行),自CamB1基因型比半矮秆基因型Maresi(早Mikołajczak et al ., 2017)。正如所料,非生物应力对表型性状有一个负面影响,主要是D和高清;然而,分蘖数和基部节间长度增加。这个同意我们之前研究影响升高温度对大麦表型(Mikołajczak et al ., 2022)。总的来说,评估表型之间的巧合和叶绿素荧光参数显示效果的双重压力和单一的干旱也观察到在转录组水平。有趣的是,该协会网络分析显示,增加三个基因对应的表达显著降低籽粒产量在干旱和旱灾和热相结合。其中一个编码普遍压力蛋白(USP),这是参与广泛的细胞反应,其保护作用与环境压力已经建议(气et al ., 2019)。Loukehaich et al。(2012)报道称,联合包裹中番茄突变体ABA含量有了显著提高。因此,它很容易推测该基因的超表达我们的研究可能对应于ABA水平增加下压力,及其overaccumulation可能导致间接,例如,通过减少了光合作用,降低了籽粒产量。

我们推断,转录组D和高清功能更集中于H,因为在H的最低数量丰富去观察。功能,后期的反应不同于早期的主要由激活的磷酸化和去磷酸化信号。它的一个核心角色在植物的signalosome,蛋白质磷酸化和去磷酸化级联后,由激酶和磷酸酶,传递信号和影响基因表达植物适应压力(杨et al ., 2021)。显然,研究基因型与压力的防御机制是在接下来的几天的压力不足,因此植物强化信号转导通过磷酸化/脱磷酸作用机制。

度确定在大多数对比可以被认为是看家基因植物所需功能。特别是基因调节通常在压力治疗可以建议参与普遍的应激反应,因此他们可能构成承诺目标植物改善气候变化下Prasch Sonnewald, 2015)。基于富集分析,我们发现这种基因广泛与应激反应有关,包括干旱、炎热,氧化应激,活性氧和响应,等与一般过程蛋白质绑定,或者更具体地说四吡咯绑定,赤霉素20-oxidase活动。这些发现表明,活性氧的解毒由四吡咯(布希和蒙哥马利,2015年)是统一的机制来减轻干旱和热在我们的研究中。反过来,能够很好的证明,赤霉素(气)扮演一个重要角色在全植物结构的形成,以及GA信号一直建议调节压力宽容,而GA-20-oxidases至关重要酶在植物激素的调节体内平衡(Kuczyńska et al ., 2013;科尔布鲁克et al ., 2014)。因此它是合理的,基因之间共享强调治疗导致GA-20-oxidase项群体;此外,基本的角色HvGa20ox2链接到sdw1轨迹被广泛讨论,其paralogues已确定在大麦(徐et al ., 2017),一个是受高温的影响(Mikołajczak et al ., 2022)。Photosynthesis-related基因也发现,正如预期的那样,因为它是最基本的和绿色植物的关键过程。总的来说,宽阔的功能解释基因受到非生物压力确认相似类别的浓缩度跨治疗共享,因此我们的结论是,旗叶的转录组反应主要是集中在光合作用和调整不利条件下通过大量的过程,包括ABA信号和清除自由基。尽管大重叠基因影响复合应力和一个干旱,一套度期间被发现专门监管压力同现。功能上,他们不集中,但富集分析表明,独特的应对干旱和热相结合可能是部分由特定的一些酶的活性(如氧化还原酶)和跨膜蛋白(如离子通道)。解释度的集合分配给选定的功能注释,我们发现在某些基因更具体的行为。应激调制photosynthesis-associated基因表达的更频繁地发生在基因型与最小的旗叶的大小,他们多半late-responsive干旱和复合应力。几个人修改表达式只有在高清。转录组基因型的变化与媒介旗叶大小并不很多,但有趣的是,他们出现在早期应对压力和保持第二天。这些发现重叠的总体结论驱动的全基因组表达分析,即。, genotypes of group S perceived stronger the prolonged stress, while genotypes in group M responded quicker and, in that way, extended stress was not so perturbing at the transcriptome level. Noteworthy, part of this reaction of group M was exclusive, i.e., in terms of the oxidative, osmotic, and heat responses.

大多数photosynthesis-related基因表达下调在约束条件下,但是,那些增加了表达的特殊利益因为这种基因可以改善植物耐压力的目标。例如,梁et al。(2019)证明耐旱的突变体拟南芥和芸苔属植物显著过表达光合基因在博览会期间的压力。我们发现一些度高温下被调节治疗,尤其是在短期压力,但注意,热量不像干旱对植物有害我们的研究。带注释的,有趣的是,我们发现HORVU2Hr1G090070基因编码PsbQ-like蛋白质a组件的氧气演变复杂(OEC)——基因过表达特别的小旗叶在后期干旱。OEC是光系统PSII必不可少的一部分,催化分子氧的水的分离;然而,非生物胁迫对奥西功能的影响并没有引起了相关研究人员的注意到目前为止(古普塔2020年)。Daszkowska-Golec et al。(2019)观察到基因表达降低编码OEC的组件,例如,PsbO蛋白质(HORVU2HR1G057700),大麦暴露于干旱以及光合作用效率的降低。因此,我们假设upregulation HORVU2Hr1G090070可以积极影响光合活动,据说超表达的差别可以补偿部分的对这些photosynthetic-related基因在基因型组的干旱。其他基因调节在基因型D和HD组S和M被分配到叶绿体的术语和编码的高分子量light-inducible蛋白质(ELIP) HV58初,苹果酸脱氢酶或未知蛋白质精氨酸和脯氨酸代谢和HSFA7 / HSFA6B-regulatory network-induced干旱和ABA。他们已经被证明参与防御系统对压力因素在不同的物种;苹果酸脱氢酶提高水分利用效率,同时提高光合作用(太阳et al ., 2019);ELIP,虽然不认识,指出保护拟南芥从photooxidative压力(Hutin et al ., 2003)。另一方面,独特的超表达9-cis-poxycarotenoid加双氧酶(数控)编码基因被发现在M组(D和高清下),值得一提的是,米饭NCED3-overexpressing突变增加了ABA含量和增强干旱和盐耐受性(黄et al ., 2018)。这些基因不明显在大麦、学习和我们的证据可能会带来一个新的方向的进一步改善谷物。

接下来,我们专注度分配给干旱和ABA反应,其表现主要是增强在长期D和高清,旗叶大小的独立。再一次,他们early-responsive压力基因型组m .他们最多数地由dehydrin-encoding基因,这是合理的因为dehydrins的著名的多功能作用在植物适应环境危害。据报道,一些dehydrins可以受ABA (杨et al ., 2015),所以它是合理的度dehydrins确定在本研究被注释的干旱和ABA-related条款。总之,dehydrins负责稳定细胞膜和酶在非生物压力。Dehydrin-overexpressed突变体的拟南芥显示增强的耐干旱和盐碱(李et al ., 2017)。十三dehydrin-encoding大麦基因组基因被确定(托马西尼et al ., 2008);8这些基因被发现差异表达在我们的实验中,和他们upregulation与的结果是一致的Suprunova et al。(2004),他观察到大量增加dehydrin成绩单在野生大麦暴露于干旱。值得一提的是,超表达多个基因编码的dehydrins耐旱的旗叶中发现大麦的简历。尤瑟夫在缺水的情况下(Karami et al ., 2013)。有趣的是,基因HORVU4Hr1G074130编码膜联蛋白(D4-like)是专门调节基因型的M组在长期干旱及其结合热量,而HORVU7Hr1G037080编码膜联蛋白D1组中特别是在基因型和l .这可能表明一个基因的不作为可以补偿的活动。Drought-induced upregulation HORVU7Hr1G037080也是研究的记录Harb et al。(2020)。Ca膜联蛋白是一个重要的组成部分^{2 +}信号和减轻氧化应激。在拟南芥、增强annexin-1-encoding基因改进抗旱能力的表达式(Konopka-Postupolska et al ., 2009)。我们发现genotype-independent upregulation HORVU3Hr1G069590在干旱,被直接同源的EM1基因的拟南芥可能是激活ABA-dependent地,即。,transcription factor ABI5 is known to interact with this gene (卡莱斯et al ., 2002);然而,我们没有观察到HvABI5受到压力的影响治疗。据推测,一个替代ABA-dependent监管机构的EM1基因可能存在的建议拟南芥在哪里AtABI5只活跃在年轻的幼苗(吉田et al ., 2015)。此外,转录后修饰ABI5可能发生(周et al ., 2015)。其他已知的目标ABI5是LEA基因编码HVA1和HVA22蛋白质家族,确保细胞免受水不足(Casaretto和Ho 2003)。科林et al。(2020)确认upregulation两个基因在大麦干旱,而我们发现HVA22-encoding基因过表达在扩展D和HD(不含基因型组S)。然而,HORVU4Hr1G074710推定地与HVA1-corresponding Interpro标识符(IPR004238)被分配到HVA1根据Uniprot数据也增强表达的基因型组S和M (T1)在D和高清T2。这表明这两个基因,而late-responsive压力和他们的功能可以互换。总的来说,与先前的报道一致,我们观察到的几种LEA蛋白编码基因调节压力疗法,不含热量。这并不令人惊讶,因为LEA蛋白主要由干旱,据报道被诱导盐度和冻结(Kamarudin et al ., 2019)。意外,三个LEA-associated基因表达下调,尤其是组合下的压力。这一现象的解释基于文献数据仍是神秘的。或许特定草地在应对多个强调发挥独特作用尚未被发现。有趣的是,减少了编码所有基因的表达(Pyrabactin抵抗)。管理组件的ABA受体,是最好的ABA特征感知机制在植物(时et al ., 2019)。特别有趣的行为发现这些基因在基因型组的年代,即。,HORVU7Hr1G088140 encoding PYL2 was induced by short-term HD, whereas HORVU4Hr1G055220 encoding PYL4 was late-responsive to D and HD. In response to abiotic stress, ABA biosynthesis is promoted in order to activate the expression of stress-responsive genes, but the balance of its level is required during plant adaptation to stress since too high an ABA content can have negative consequences, e.g., reduced photosynthesis efficiency (王et al ., 2018 a)。我们建议减少所有编码基因的表达的需要限制ABA知觉在约束条件下保持一定平衡的激素。我们的结论是支持的徐和朱(2020)调查了ABA-deficient信号突变体的拟南芥和报道,高水平的ABA的负面影响是减轻通过阻断它的信号。

浓缩方面去分析显示一组heat-associated基因的表达模式是模棱两可的。他们中的大多数与热休克蛋白,一般来说,调节D和HD和最初不受h .休克蛋白被认为是由高温刺激,但现在我们知道它们引起的各种压力包括生物因素(公园和搜索引擎优化,2015年)。尽管如此,几个休克蛋白编码基因的非凡的减少被发现的基因型组M在T2单一热。同时,长时间的双重压力使反演监管状态的两个基因编码HSP20,改变从正(早期压力)来负。这是不寻常的发现因为一般HSP-encoding基因过表达在压力条件下;然而,非常偶然的报告也证实了热的负面影响HSP20(审核通过的规定哈奇et al ., 2019)。热休克的功能是由热休克因子协调;上述差别因此,在我们的研究中,对这些基因的基因可以被关联到一个重叠HORVU4Hr1G090090表达式下热量,减少编码HSF(假定的直接同源拟南芥HSFC1)。

多功能的脂质被记录,包括维护细胞膜的完整性或信号以响应压力(Mamode凯新et al ., 2019),导致蛋白质与脂质运输相关的主要基因的超表达干旱和复合应力下(ltp)。七十ltp分发到所有染色体编码基因被发现在大麦;这样的遍在证实他们的广泛的角色在植物功能(Zhang et al ., 2019)。有趣的是,三度LTP2-like基因被发现在我们的研究中,和HORVU1Hr1G083170也发现了et al。(2021),它对干旱、寒冷和盐度在根和发展粮食。一般来说,LTP2-encoding基因的表达被认为是特定于大麦糊粉层(Opsahl-Sorteberg et al ., 2004)。因此,我们的研究提供了新数据压力诱导的表达HvLTP2在大麦的营养组织。据说,沉重的压力造成的生产过剩LTP2从旗叶蛋白质被发展中飙升,自旗叶是一个重要的储层的化合物。

在分析度与叶片发育有关,一个奇怪的行为观察组和L的基因型。叶子形态遥远,尽管他们的旗帜的共同监管地位三度在长期压力下显示,即。,RL9(直接同源基因KANADI在拟南芥)和淡水螯虾和细胞色素P450基因编码。他们在D或高清表达下调,事实上,所有可能对应于叶子上滚动。除了已知的叶子上滚动的基因(例如,RL9;燕et al ., 2008)、淡水螯虾的超表达(关键转录因子影响叶片和花器官发展;Romanova et al ., 2021)编码基因也导致叶片卷曲拟南芥(杨et al ., 2019)。反过来,细胞色素P450属于一个大总科的酶参与多种监管机制,包括phytohormonal信号,因此他们影响植物的发展。Zhang et al。(2021)证明了细胞色素P450在转基因水稻旗叶的形状的影响。叶轧制是一个著名的辩护现象干旱限制下叶面积,减少蒸腾作用结果(Kadioglu et al ., 2012)。,这些结果可能表明一些干扰旗叶轧制压力下治疗,这似乎是特别相关的基因型组年代,强大的压力会导致更强烈的看法re-modeling转录组,正如我们上面所讨论的。

之后,我们试图推断差异表达基因能否由于SNP基因型之间的多态性。我们发现大约18%的度至少包含一个SNP突变。分析个人度与单核苷酸多态性高的翻译效果,我们无法确认这种关系;这是偶然的。此外,根据log2FC PCoA分析基因表达值对比和PCoA SNP标记之间没有一般的巧合SNP基因型多态性和微分压力因素引起的基因的表达。浓缩的基因的单核苷酸多态性高的翻译效果表明,ABC-type运输活动差异化功能基因型最多。磷酸腺苷磁带(ABC)转运蛋白属于一个大的蛋白家族和执行大量的生物功能,构成一个基本的部分植物regulome (康et al ., 2011)。尽管ABC转运蛋白的重要性,他们到目前为止还没有彻底研究了大麦。ABC转运蛋白编码基因的系统发育分析大麦显示131个候选基因,和压力诱导的表达只评估了其中几个Zhang et al。(2020)。这个研究领域的扩张大麦似乎不可避免的在不久的将来。

结论

全基因组转录组规模提供了一个开创性的洞察基因的行为大麦旗叶受到干旱、高温、和他们的组合。我们的研究表明,在复合应力下,干旱是影响基因表达的主要因素。也证实了表型性状和叶绿素荧光参数。干旱和热敏基因被确定,包括那些与光合作用有关,脱落酸信号,脂质运输。有趣的是,我们的研究提供了新数据压力诱导的表达HvLTP2基因在植物组织的大麦。一组不同的功能注释的基因被确定为压力之间共享治疗,如基因编码LEA蛋白,包括dehydrins和休克。他们可以确定宇宙的应激反应,从而构成一个有前途的谷物的目标改进对多个非生物压力。同样,调控的基因参与信号转导由磷酸化和去磷酸化是一种有效的工具来适应非生物胁迫时间延长,表明本研究。跨膜蛋白基因编码酶,调节光合效率,特别受到干旱和热还可以为谷物铺平道路的改善对多个非生物压力。一些旗叶大小和应激反应之间的关系发现:我们假设基因型小旗叶认为长期的压力越大,而基因型介质旗叶反应更快(例如,dehydrin编码基因),因此可能扩展的应力不扰动在转录组水平;国旗leaf-dependent减少籽粒产量证实了这个假设。应激基因特定的旗叶大小也发现,例如,基因编码描述复杂或(S组)HvNCED(集团),没有一般的巧合SNP的多态性基因型与微分之间通过观察压力因素诱导的基因表达。

数据可用性声明

RNA-seq数据提交存入ArrayExpress库的研究中,加入数字e - mtab - 12438。

作者的贡献

公里,AK的构思和设计研究。公里获得的资金和管理该项目。公里,正义与发展党,可进行实验,收集数据。PK和MN处理原始数据,进行统计和生物信息学分析。公里解释数据,起草,修订后的手稿与后续关键输入和批准所有作者。公里负责整个手稿。

资金

这项研究是财政支持的国家科学中心、波兰、项目奏鸣曲12号2016/23 / D / NZ9/00043。投资者没有参与研究设计、收集、分析和解释数据,决定发表,或准备的手稿。

确认

计算进行了部分的支持下Poznań超级计算机和网络中心(http://www.man.poznan.pl)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.1096685/full补充材料

引用