原始研究的文章

前面。植物科学。,03 February 2023
秒。作物生理学和产品
卷13 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1110910

Transcriptome-based分析关键路径与产量形成阶段在不同干旱胁迫条件下谷子

王静 ^__,

Zexin太阳^__,

新王,

英唐,

欣怡李,

Chuanyou任,

Jingyao任 ,

晓光王,

Chunji江 ,

曹国伟钟 ,

胡舒立赵,

他张,

锡伯族刘,

胡舒立康,

新华社赵和

Haiqiu余 ^*

学院农学、沈阳农业大学、沈阳、中国

尽管谷子,小Panicoid作物,弹性干旱,干旱胁迫显著影响穗谷子的产量形成阶段。在这项研究中,圆锥花序形态的变化、光合作用、抗氧化保护酶系统,活性氧(ROS)系统,并渗透监管实质和RNA-seq下功能叶的光干旱胁迫(LD),重度干旱胁迫(HD),轻干旱控制(LDCK)和重抗旱(HDCK)进行了研究,得到这特定的圆锥花序形态变化,生理反应和相关的分子机制。结果表明,穗的长度和重量减少,但随着空秕率增加,产量下降了14.9%和36.9%,分别。小米的光合作用是显著下降,净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,特别是在高清愿复苏补液治疗。LD和HD治疗下,过氧化物酶(POD)增长了34%和14%,与H₂O₂相比LDCK和HDCK 34.7%和17.2%。生产能力和抑制O^{2 -}自由基在LD治疗高于HD。可溶性糖的含量是高在LD治疗但脯氨酸在HD治疗。通过RNA-seq分析,2393年和3078年不同的基因表达在LD和HD治疗。根据加权基因之间的相关分析coexpression网络分析(WGCNA)和生理特征,几个模块的co-expression网络与高度相关,和一些中心小米以响应干旱胁迫的基因被发现。表达式与固碳作用相关的更改,蔗糖和淀粉合成、木质素合成、赤霉素合成,脯氨酸合成小米进行了具体分析。这些发现提供了一个完整的角度对干旱影响谷子的产量形成通过构造一个工作模型从而为中心基因的探索提供理论基础和谷子抗旱育种。

1介绍

谷子(Setaria斜体l .)起源于中国北部大约8000年前,和是一个重要的小Panicoid作物由于小种子含有高蛋白质,矿物质膳食纤维和抗氧化剂比大主粮作物,也称为nuricereals (奥斯丁,2006;陆et al ., 2009)。最近的研究显示了谷子是葡萄糖释放率较低的友好供糖尿病患者日常消费在现代社会(Muthamilarasan et al ., 2016)。这是一个二倍体C₄作物小基因组(~ 423 mb),更少的重复DNA,繁殖周期短,作物模型对小Panicoid草作物(Zhang et al ., 2012;Kumar et al ., 2013)。由于干旱和半干旱条件的主要增长领域,反过来是关键的环境挑战,谷子叶片同步进化与厚的细胞壁,叶面积小,表皮细胞排列整齐,和高水利用率从而使其适应气候变化的能力,非生物压力像盐和干旱胁迫(乔杜里Padaria, 2015;Rana et al ., 2021)。

干旱是全球变暖的主要结果和极端气候变化不仅影响了食品安全,也已经在中国农业可持续发展的影响。在过去的几十年中,有巨大的干旱灾害造成的损失(黄et al ., 2012)。一般来说,干旱的现象是由一个复杂的大气,水文,biogeophysical流程(陆et al ., 2019)。有四种类型的干旱,气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱,农业干旱意味着植物不能刷新关键阶段,然后导致极大的降低产量或死亡(丁et al ., 2021)。先前的研究表明吉林、黑龙江、辽宁、山西、陕西、河北等,是主要的区域农业干旱灾害通过数据处理和分析(王et al ., 2019)。此外,干旱灾害已成为中国Northeast-forward阻碍植物的发展,这是主要的作物生产区域(杜et al ., 2022)。虽然,粟有能力抵抗水分亏缺在某种程度上,但它仍然是影响苗期和花序峰值阶段;和产量的直接效应是一种严重的减少(Rana et al ., 2021)。

干旱带来的损失主要来自内部生化系统外部形态雕像,然后破坏小米生产。研究表明,干旱胁迫下植物的主要伤害是膜脂质过氧化,导致细胞膜损伤,最终加速细胞膜解体(刘et al ., 2015)。积累的活性氧(ROS)的主要职责drought-induced膜损伤,包括过氧化氢(H₂O₂),超氧化物阴离子(O^{2 -})、单线态氧(¹O₂),氢氧自由基(-哦),烷氧基的激进(RO)和一氧化氮(NO) (高兰et al ., 2015)。在干旱胁迫下,酶系统活动的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)在谷子升高,SOD可以转换为超氧化物阴离子自由基(O^{2 -})H₂O₂在植物细胞中,而POD和猫可以进一步清除H₂O₂细胞内ROS水平维持在一个相对较低的水平,从而减少干旱胁迫造成的损害(Alscher et al ., 2002;Reddy et al ., 2004)。non-enzymatic系统抗坏血酸可以直接清除O^{2 -},¹O₂-哦,也从生育酚再生天然维生素e自由基,从而提供膜保护(司木露,1993;代表作了et al ., 2015)。天然维生素e可以消除由电荷转移单线态氧,谷胱甘肽、类胡萝卜素和多酚可以有效地清除过氧化氢(Roo -),羟基(-哦)和超氧化物阴离子自由基O^{2 -}(司木露,1993;米勒et al ., 2003)。

同时,活性氧的积累会影响光合作用在谷子(高兰et al ., 2015;Exposito-Rodriguez et al ., 2017)。光合作用是一个重要的生命活动在植物的生长和发展,这促进了干物质积累和产量形成。ROS的内容在谷子叶片,主要产生在叶绿体中,增加了在干旱胁迫下,活性氧的过量积累可以氧化光合色素和叶绿体膜脂质过氧化(Exposito-Rodriguez et al ., 2017;侯et al ., 2019),这将会伤害到我们的细胞结构和代谢,特别是光合作用(崔et al ., 2016)。因此,保持模拟干旱胁迫下光合作用的能力是一个重要的抗旱性的指标(他et al ., 2016年)。人们普遍认为,植物的光合作用减少的主要原因在水分亏缺下气孔关闭,阻止公司的入口₂影响叶绿体的光合活动(马et al ., 2016)。干旱胁迫对植物光合作用可以减轻通过一系列机制(高兰et al ., 2015;马et al ., 2016;Exposito-Rodriguez et al ., 2017)。渗透调节是植物的一个重要工具来缓解干旱胁迫(Exposito-Rodriguez et al ., 2017)。当受到干旱胁迫时,植物细胞可以积累大量的代谢物质如脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖等渗透调节的物质来维持细胞扩张压力稳定的蛋白质和细胞结构(马et al ., 2016)。其中,可溶性糖是drought-induced小分子溶质,包括葡萄糖和蔗糖,参与植物代谢和植物的渗透调节的影响蛋白质稳定性(拉塔病et al ., 2013)。同时,蔗糖不仅是一种形式的运输和储存光合作用同化和能源(拉塔病et al ., 2013),但是也可以在叶绿体减少玻璃化液体细胞的水势和抵抗干旱的不利的环境条件。作为光合作用的最终产品,淀粉中扮演一个重要的角色在碳吸收和平衡,植物的生长,主要积累在光周期和支持植物生长在夜间活动的周期。但这些淀粉再版模拟干旱胁迫下可溶性糖,用于参与植物细胞扩张和维护细胞完整性的维护(杜et al ., 2020)。

近年来,转录组阐述压力生物学中发挥了至关重要的作用,在研究应激相关基因的表达分析将命令式地说服。然而,RNA-seq技术已广泛应用于探测生理生化反应过程在不同作物非生物胁迫,如高粱(Abdel-Ghany et al ., 2020)、水稻(马et al ., 2016),玉米(Hayano-Kanashiro et al ., 2009;苗族et al ., 2017)和谷物(潘et al ., 2018;徐et al ., 2019)。谷子本机与非生物压力有一个小基因组耐性,更少的重复DNA,和最近公布的草案基因组序列,使在其复杂的分子生物学相关压力宽容理解植物研究人员(Bennetzen et al ., 2012;Zhang et al ., 2012)。使用转录分析,王et al。(2017)构造两个比较RNA-Seq库和701度与72 non-annotated,推理小说功能共同点小米在苗期Yadav et al。(2016)识别已知55和136年小说microrna在幼苗阶段差异表达的谷子。此外,fourteen-day-old幼苗离开的谷子PEG6000干旱处理后被用来找到度和识别24-nt siRNAs调控基因表达,涉及19 IncRNAs应对干旱和钉治疗(Qi et al ., 2013)。Zhang et al。(2019)发现耐旱品种首选高度稳定的基因表达模式的茉莉酸(JA)信号转导通路是一个可靠的方式来驱动黍稷苗期的耐旱机制。同时,三页苗期的谷子,徐et al。(2019)监控一系列相关基因的转录因子,通道蛋白基因、脯氨酸和可溶性糖的合成和ascorbate-glutathione周期短期干旱胁迫改变了妥协。

到目前为止,大量的研究集中在应对干旱胁迫分子机制限制了苗期只是注意种子形成最终产量的关键阶段。,模拟极端干旱和降水的变化在谷子的生殖生长阶段,我们调查的变化形态,生理生化指标在不同的干旱和re-watered条件下和谷子的分子响应机制不同的干旱胁迫。结果将提供光合作用,抗氧化保护酶系统,ROS系统,渗透调节的物质一起回答不同的干旱压力和re-water;小米的最终收益是如何影响不同的干旱和re-watered条件;引发的内在分子机制如何响应不同脱水,从而构建一个工作模型对干旱响应小米在产量形成阶段,也为干旱预警提供理论参考。

2材料和方法

2.1材料和实验设计

测试材料“Dajinmiao”广泛种植于辽宁省、和测试进行了避雨的北山沈阳农业大学的科学研究基地。总共有12块随机区组设计三个复制,即轻干旱胁迫(LD、45%领域水能力)和重度干旱胁迫(高清,25%领域水容量),光抗旱(LDCK, 60%水容量)和重型抗旱(HDCK, 60%领域水容量)。和每个情节是由聚氯乙烯(PVC)防水板的埋深0.6米。水保留开始在小米的启动阶段,即约50^th一天后播种。当田间水的能力drought-treated情节达到45%和25%,即90^th104年的一天,^th天播种后,相关的索引记录和决定,re-water治疗领域完成了60%的水容量,直到收获。

实验采取了田间种植模式,带播种种植,脊长度2米,脊宽度0.6米,留下300000幼苗•嗯²。施肥水平的传统施肥水平(98 kgn•哈¹,56 kgp₂O₅•哈¹140 kgk₂O•哈¹与传统的现场管理。土壤水分分析仪(模型:TD-TWB) 20厘米埋于地下,实时监测土壤水分的变化。为了保持恒定的水容量,采用少量多次的灌溉在LD和HD补液,LDCK HDCK,灌溉是根据土壤的含水量检测到20厘米的深度。

旱灾指数2.2集合

净光合速率、气孔导度和蒸腾速率完全展开国旗小米叶子被TARGAS-1测量(PP系统,据,MA)便携式光合作用从9:00点到12:00。米(凯特勒et al ., 2022)。完全展开的旗叶在LD,高清,LDCK和HDCK被三个复制并存储在-80°C。叶样品(0.2 g /复制)地面使用高通量组织磨床(SCIENTZ-48、珠海Heima仪器公司、中国),和2毫升的磷酸缓冲溶液(PBS、pH = 7.8)在4°C pre-chilled补充道,然后组织匀浆离心机在13000 r / min(宋春芳TGL-16R冷冻离心机,中国)4°C,持续15分钟。浮在表面的粗酶解,这是用来确定POD活性(愈创木酚方法),SOD活性氮蓝四唑(比色法)(Yu et al ., 2022)。0.1 g叶样品有三个复制在95%乙醇提取光合色素含量测定(乙醇液浸法)。此外,0.5 g叶样品有三个复制提取测定脯氨酸含量(茚三酮比色法),可溶性糖含量(苯酚方法),和抑制,产生超氧化物阴离子自由基(抑制和生产超氧化物阴离子测定装备,南京建成生物工程研究所,南京,中国),和过氧化氢含量(过氧化氢试验装备、南京建成生物工程研究所、中国)。在收获期间,每个治疗选择的中间行收获及其穗长、单耳重量,测量1000粒重和产量。

收益率 (公斤 / 嗯^{2}) = W 1 \times N 1 \times N 2 \times \frac{10000年}{l 1 \times W 2}

W1内核的重量,N1和N2每穗实粒数是内核的数量是穗数的数量脊,L1岭(m)的长度,和W2脊的宽度(米)。

2.3 RNA提取,图书馆建设和测序

叶总RNA提取使用试剂盒工具包(美国Invitgen,卡尔斯巴德,CA)根据协议。RNA-seq库建立了根据制造商的协议NEBNext超RNA图书馆Illumina公司准备工具包(内# 7530,新英格兰生物学实验室,伊普斯维奇。妈,美国)。RNA序列和三个生物复制分析通过使用一个Illumina公司Novaseq6000 Genedenovo生物技术有限公司有限公司(广州)。劣质阅读后删除,其余读取对齐到参考基因组Setaria italicaV2.0 (www.ncbi.nlm.nih.gov /数据中心/基因组)HISAT (HISAT2)。

StringTie 1.3.1 (ccb.jhu.edu/software/stringtie)是用于规范化和估计基因表达水平在每千碱基片段记录每百万映射读取(FPKM)。一式三份的FPKM值样本平均为每一个基因。(度)的差异表达基因被确定基于错误发现率(罗斯福)调整假定值≤0.05和褶皱的变化使用DESeq2≥2或≤0.5 (爱et al ., 2014)。表达基因的功能注释是由基因本体论(去)数据库(geneontology.org)。所有分子途径探讨了京都基因和基因组的百科全书(KEGG) (www.genome.jp kegg /)。

2.4中存在

RNA-seq数据的验证结果,选择10基因定量实时聚合酶链反应(存在)。合成第一链cDNA使用SYBR预混料交货Taq工具包(豆类,北京)根据制造商的指示。使用Primer-BLAST Gene-specifc引物设计(基因库,NCBI),分别。中存在的gene-specific引物所示表S1。引物设计完成了Probegene(江苏,中国)和合成由上海Shenggong(上海,中国)。确定转录丰度,执行中存在总量的20μL,包含大约10µL DNA模板,每个引物(50µM)和0.1µL 5µL PCR-Mix (2×)。所有反应都表现在下列条件:10分钟在95°C紧随其后40周期15 s在95°C, 30年代60°C,和融化曲线被绘制确认PCR特异性。三个生物复制和三个技术复制包含使用比较2^-ΔΔCT方法(Livak Schmittgen, 2001)与EF-1α作为内部参考基因(Kumar et al ., 2013;Shivhare和拉塔病,2016)。

2.5 WGCNA

WGCNA是由WGCNA R包(v1.69 WGCNA包,http://www.genetics.ucla.edu/labs/horvath/CoexpressionNetwork/Rpackages/WGCNA)。所有样品的原始转录数据集被过滤删除所有基因构建块FPKM(碎片‰基地)< 1与生理数据分析模块的相关性。基因丰度都是标准化的。皮尔森相关系数(pcc)对于每个基因基因的比较计算,和一个邻接矩阵构建了连接的优点。最好的力量β进行优化调整的无标度性质co-expression网络和稀疏的基因之间的联系。高度相似的集群网络中合并使用merge关闭模块函数使用cutHeight值8。Module-trait协会估计使用模块eigengene之间的相关性和表型(PPC Pvalue),它允许容易识别表达式的设置高度与表型相关。计算模块成员(毫米)基于基因表达水平和模块之间的皮尔逊相关特性在模块被用来确定核心基因。相对较高的毫米表示,这些基因在模块中有相对较高的连通性。生理数据与个体基因与基因的表达数据意义(GS)。co-expression的可视化网络和枢纽的识别基因在每个模块通过Cytosscape软件v3.91 (骑士et al ., 2022)。

2.6统计分析

生理数据的分析与方差分析评估程序SPSS 22.0统计软件的测试(美国SPSS Inc .,芝加哥,IL)。一个P值为0.05时被认为是作为一个统计上显著的阈值。图形绘制的起源(OriginPro, 2021年版)和TBtools v1.098761 (陈et al ., 2020)。

3的结果

3.1不同干旱胁迫下谷子产量的变化

在自然界中,干旱出现随机和不可预知的,也可能是被及时的降水。尽管谷子drought-resilient作物,是最敏感的水赤字从孕穗期开始成熟。为了找到干旱造成的损害,我们模拟不同干旱胁迫和降雨量的变化发现圆锥花序形态和产量。LD治疗后,小米的圆锥花序长度的108.9% LDCK和LDCK圆锥花序被数的102.6% (图1),但LDCK的穗重96.8%和1000粒是LDCK的94.9%的重量。虽然HD治疗后,圆锥花序长度缩短25.4%,穗的数量降低了1.6% (表1),穗重与HDCK相比降低了23.9% (表1)。此外,1000粒的重量比HDCK少11.4%。此外,LD和高清的压力下,小米的空率与LDCK和HDCK相比增加了30.8%和51.5%,分别。此外,干旱胁迫对小米取得重大影响产量已减少了14.9%和36.9%在LD和HD治疗(表1),分别,尽管随后补液。

图1

图1圆锥花序的形态变化在不同干旱的治疗和控制。

表1

表1圆锥花序上的不同干旱压力的影响和相关的谷子的产量因素。

3.2生理特征的变化干旱胁迫下谷子

作为静态生物,植物不能移动或积极避免不利的环境。当干旱来临,O^{2 -}自由基和氢₂O₂积累,细胞膜和细胞器被伤害,正常细胞功能异常然后抗氧化酶系统,渗透调节工作来抵消和维持正常的生长和发育。POD酶,清除超氧化物在植物和可以减少植物细胞内过氧化氢自由基的形成。LD和HD治疗下,小米在生殖生长的叶子POD含量分别增加了34%和14%,与CK相比图2一个)。与此同时,SOD含量略有增加小米离开(图2 b当小米受到干旱胁迫在生殖生长(图2 b)。此外,在生殖生长时期,LD治疗对过氧化氢的含量影响更大的叶子,和LD治疗期间,过氧化氢的含量在小米的叶子是LDCK高出34.7%,而高清的治疗方法是17.2%高于HDCK (图2 e)。生产能力和抑制O^{2 -}自由基在LD-treated小米树叶LDCK高出58%,而在HD治疗,只有4.5%高于HDCK (图2 c)。

图2

图2抗氧化酶的活动,ROS内容,渗透监管物质和光合特征在不同干旱处理;(一)过氧化物酶(POD)活性;(B)超氧化物歧化酶(SOD)活性;(C)Anti-superoxide阴离子可行性单元(ASAFR);(D)可溶性糖含量(SS);(E)H₂O₂内容;(F)脯氨酸含量(Pro);(G)净光合速率(Pn);(H)气孔电导率(Gs);(我)蒸腾速率(Tr)。*P< 0.05,* *P< 0.01。

渗透调节是植物适应干旱逆境的一个重要方式,和渗透的监管机构,如可溶性糖和脯氨酸,积极积累在缺水时。可溶性糖的含量在小米在生殖生长的叶子非常受LD治疗(图2 d),而效果并不显著影响HD治疗(图2 d)。脯氨酸的含量在小米的叶子在生殖生长时期非常受到高清(图2 f)和脯氨酸的含量在HD治疗小米的叶子是59.3%高于HDCK治疗。箴LD比LDCK高18.9% (图2 f)。

根据LD和高清,小米叶片的净光合速率显著降低(图2 g)。其中,光干旱的抑制效应的净光合速率,小米更明显,光干旱胁迫下和生殖生长期间,小米只有81%的净光合速率(图2 g)下的17.4 LDCK治疗,和86%的17.3 HDCK之下。光干旱(LD)有一个很大的影响在谷子叶片的气孔导度(图2 h),光干旱胁迫下,小米的气孔导度与LDCK相比降低了40%,而在HD治疗,小米的气孔导度与HDCK相比降低了34%。小米的蒸腾速率的变化下的LD符合高清导致小米的蒸腾速率降低20%在生殖生长(图2我)。的内容叶绿素a、b和类胡萝卜素在小米的叶子LD治疗增加;但叶绿素和类胡萝卜素的含量降低了HD治疗(表2)。

表2

表2干旱胁迫下谷子叶片光合色素含量与产量形成阶段。

3.3差异表达分析

阐明小米叶子的转录组变化以应对不同的干旱压力,基于RNA-sequencing的转录组分析。数据筛选和质量控制,0.37%的低质量的读取被移除,大约和一个干净的谷子基因组获得阅读(表S2)。LD和HD治疗下,22763年和23272年分别表达的基因,和22763和23281个基因表达LDCK HDCK,其中21401基因表达在不同的治疗方法。不同干旱下治疗,22298个基因表达(图3一)。LD治疗2393个差异表达基因在生殖生长阶段相比LDCK (图3一)。其中,1174个基因调节,1219个基因表达下调。下的差异表达基因有3078 HD治疗,其中1911是调节和1167年下调(图3 b)。其中,175年和70年下调基因差异基因表达的同步LD和HD治疗(图3 c, D)。此外,与长期脱水,发现是上调基因3728和1493个基因被抑制在HD治疗相比,LD治疗。

图3

图3的表达基因,没有模拟干旱。选择的基因数量是基于罗斯福的截止值≤0.05和|日志₂FC |≥1。(一)的数量在每个治疗在干旱胁迫下的基因表达。(B)干旱胁迫下汇总的数量度;(C)维恩图,代表度包括调节基因LDCK LD和HDCK高清;(D)维恩图,代表度包括表达下调基因LDCK LD和HDCK高清;(E)干旱胁迫下光合作用的比较;(F)合成基因干旱胁迫下蔗糖和淀粉。

功能富集分析这些度下LD和高清显示,参与多个生物过程。尤其是光合作用和糖代谢更明显不同治疗(图4)。

图4

图4KEGG富集分析谷子叶片下LD和HD治疗。(一)KEGG LD下的差异表达基因分析;(B)在高清KEGG分析差异表达基因。

此外,共有78个photosynthesis-related基因被改变在干旱胁迫下小米。HD治疗下,photosynthesis-related通路的抑制更为明显HD治疗下,63个基因的表达被抑制(图3 e),只有14个基因差异。在LD治疗,34个基因的表达显著压抑(图3 e),44个基因的表达增加。141个基因的表达与蔗糖和淀粉合成了干旱胁迫下(图3 f),80个基因在上升,61个基因的表达被压抑下LD治疗。同样,有76个基因表达水平显著增加,但65个基因被强制性表示在HD治疗相比HDCK (图3 f)。

3.4度的WGCNA分析小米树叶

为了充分理解密切相关的基因调控网络的小米在干旱条件下,基于β= 8的无尺度网络co-expression软阈值的能力是由删除低FPKM (FPKM < 1)基因。WGCNA分析,同时设置ickHeight 0.23,集群的基因与高度的inter-association被定义为模块,和基因在同一模块更相关。19个不同的模块总是被动态树切割(图5一个)和模块大小从50到5329不等。MM07和MM08模块最大,分别包含5329和4782个基因。MM19模块的最少基因。

图5

图5加权基因co-expression网络分析(WGCNA)的有效表达基因在LD和HD治疗。(一)层次聚类树显示被WGCNA co-expression模块。树上的每片叶子代表一个基因。主要的树枝构成19模块用不同颜色标记;(B)基因之间的相关分析co-expression网络模块和生理指标。水平轴代表不同的生理特征,纵轴代表了模块eigengenes在每个模块。每一帧包含相应的相关性和P值。*P< 0.05,* *P< 0.01,* * *P< 0.001。

确定生物重要co-expression模块,19个基因之间的相关性分析co-expression模块和上面提到的八个生理和光合性状的生理指标。相关分析表明,MM04 (R2 = 0.76, P < 0.001), MM06 (R2 = 0.86, P < 0.01)与光合作用呈正相关,和MM14 (R2 = 0.86, P < 0.01), MM13 (R2 = 0.76, P < 0.001)和光合作用的指标呈正相关。的生理特征,MM13模块呈正相关,生理特征和MM06是负相关的生理特征。这些结果表明,集中在一个模块中基因表达在一个类似的模式来抵抗干旱胁迫。此外,MM13模块MM14呈正相关,和H₂O₂内容(图5 b),与光合特性和负相关。总的来说,共有五个co-expression模块(MM06, MM14, MM04 MM13, MM05)与特定的生理变化有显著相关。

植物对非生物胁迫的响应是由成千上万的转录基因与不同的功能和不同的生物通路相互作用形成复杂的监管网络。核心基因与其他基因在那些高度相关的监管网络。因为这些基因是位于每个模块的中心,这些基因被认为扮演一个关键的角色在特定的生理过程(罗et al ., 2019)。协会的分析差异表达基因在上面的五个模块,和最高的200个基因对相关选择构建一个co-expression网络地图(图6),最高的基因相关基因作为中心。中心的基因被选中MM14模块、中心包括基因编码转录因子的基因bHLH35,合成可能glucuronyltransferase GT43H转录因子GATA8,这些基因可能在谷子(负调控光合作用中心图6 c)。在the MM13 module, there was a gene encoding a polyadenylate-binding protein (RBP47B”),该基因编码一个L10-interacting MYB domain-containing蛋白质Os06g0520600 26 s蛋白酶体non-ATPase调节亚基13同族体B (RPN9B)的负调控光合作用(图6 b)。有一个未知基因MM04模块(10177477825)基因编码溶质载体家庭成员44 (SLC25A44NRT1 / PTR家庭2.11),一个基因编码蛋白(NPF2.11),一个基因编码(E3泛素蛋白连接酶makorin (E3泛素蛋白连接酶makorin)(图6 d),它有一个积极的监管作用在小米受到干旱胁迫增强光合作用,和一个基因编码adagio-like蛋白1 (Os06g0694000MM06模块),有一个积极的作用在调节光合作用(图6 e)。视紫红质20 (MM05模块包含的基因编码RBL20),基因编码GDP-mannose 3, 5-epi-isomerase 1 (GME-1),基因编码ultraMM06 B受体(UVR8),转录因子ERF019参与乙烯反应,基因编码CDP-diacylglycerol-serine O-phosphatidyltransferase 2 (PS22)、基因控制calcium-dependent蛋白激酶(CPK4)和未知基因(101773696)发挥了积极的监管作用的合成H₂O₂与可溶性糖(图6)。

图6

图6Co-expression监管网络分析的五个关键Co-expression模块。(一)Co-expression MM06监管网络分析模块;(B)Co-expression MM13监管网络分析模块;(C)Co-expression MM14监管网络分析模块;(D)Co-expression MM04监管网络分析模块;(E)Co-expression MM06监管网络分析模块。

在这项研究中,关键的基因是E3泛素蛋白连接酶与adagio-like蛋白1参与光合作用和交互ERF019参与乙烯信号通路。此外,还有基因发挥重要作用的bHLH35谷氨酸诱导合成和调节气孔调节光合作用,而谷氨酸是脯氨酸合成的前体;在赤霉素信号叫有一个重要的角色,而GT43A植物糖酵解和淀粉合成中起着重要的作用,但VOZ转录因子参与植物维管束的形成。因此,在这个实验中,我们分析了光合作用的基因表达变化的几个途径糖固定,蔗糖和淀粉合成、赤霉素合成和降解,在小米植物木质素合成和脯氨酸合成。

3.5相关通路的变化模拟干旱胁迫下小米的叶子

验证途径改变干旱胁迫,光合作用的基因改变,蔗糖和淀粉合成途径在小米树叶在干旱胁迫下测量。淀粉和蔗糖代谢途径中酶的基因表达控制ADP-glucose glgc合成增加不同程度在不同干旱压力(图7)。表达的基因控制下合成直链淀粉的酶glgA高清压力减少,但glgA-related酶的表达增加压力LD。此外,基因的表达GLU3、BGLU12 BACOVA_02659和BGLU14控制下的纤维素分解HD治疗显著调节(图7)的表达BGLU30显著下调(图7),其余的纤维素分解的表达不同程度的基因调节。的表达BACOVA_02659, BGLU12和BGLU16明显下调压力LD (图7),和其他几个基因显著调节下LD压力(图7)。不同基因的表达在不同干旱治疗显示,小米有不同影响蔗糖和淀粉的合成。的表达纤维素葡萄糖在高清压力高于LD,在HD和纤维素的分解代谢是高于LD,和促进葡萄糖合成也大于LD。

图7

图7光合固碳和蔗糖和淀粉合成、赤霉素合成干旱胁迫下的基因变化。颜色块代表FPKM价值。红色和蓝色表示重要的向上和向下修正基因(日志₂|叠化|≥1)。(一)热图干旱响应度参与光合固碳作用,干旱胁迫下蔗糖和淀粉合成途径。(B)热量地图drought-responsive度参与赤霉素合成途径在干旱胁迫下。

在高等植物中,脯氨酸合成谷氨酸主要由两种酶的作用:Δ1-pyrroline-5-carboxylic酸合成(P5CS)和pyrroline-5-carboxylic酸还原酶(P5C)。水赤字脯氨酸积累可能涉及的损失P5CS活动的反馈抑制的脯氨酸和老年病P5CS基因。在目前的研究中,P5CS的表达(L-Glutampyl-P),一种酶,这种酶综合L-Glutampyl-P,和P5CS (glutamate-5-semialdehyde脱氢酶),一种酶,这种酶会影响Glutamate-5-semialde海德合成(图8 b),增加光干旱胁迫下,但这两个酶的表达在谷物树叶在重度干旱胁迫降低。这些基因的变化表明,LD和HD不同于控制脯氨酸合成的基因改变小米树叶在圆锥花序阶段。

图8

图8木质素合成,模拟干旱胁迫下脯氨酸合成基因的变化。颜色块代表FPKM价值。红色和蓝色表示重要的向上和向下修正基因(日志₂|叠化|≥1)。(一)热图干旱响应度参与模拟干旱胁迫下木质素合成途径。(B)热图干旱响应度参与模拟干旱胁迫下脯氨酸合成途径。

赤霉酸(GA)主要是刺激植物细胞的生长和发育生长。在GA的早期生物合成途径,涉及三个重要的酶,如ent-copalyl二磷酸合酶(CPS) ent-kaurene合成酶(KS) ent-kaurene氧化酶(KO)都显著上调在HD治疗比LD治疗(图7 b)。基因的表达编码GA2ox酶控制GA退化,主要是减少在谷子叶片LD治疗,但是表达的基因编码GA20ox,涉及GA合成的酶是上调(图7 b;表S3)。同时GA2ox所有相关的基因表达显著上调,该基因编码GA20ox略上调HD治疗(下图7 b;表S3)。

木质素是至关重要的维持植物维管组织的完整性,确保有效的水运期间最需要的组织压力(Malavasi et al ., 2016)。综合CAD和CCR基因调节在不同干旱的水平,但是upregulation相比下更大的高清有限的基因的表达控制4 cl和POD的合成增加在HD治疗,而基因的表达控制这两种物质的合成减少光干旱胁迫下(图8)。这些基因的变化表明木质素的合成增加了小米受到干旱胁迫,和木质素的积累与干旱强度一致。

验证RNA-seq得到的基因表达数据,我们选择了10个基因参与光合作用、蔗糖和淀粉合成、MAPK和干旱胁迫下脯氨酸合成途径中存在的分析。我们发现协议RNA-Seq之间相对基因表达和存在候选基因在干旱胁迫下,证实了RNA-Seq分析的可靠性和准确性在这项研究中(图9)。

图9

图9存在之间的相关性和RNA-seq从十二个候选人基于各自的数据记录。每个点代表一个褶皱变化值的表达式在LD或高清与CK相比(一)AGPL3;(B)P5CS2;(C)GLU3;(D)PSB28;(E)ADC2;(F)ACS1;(G)BGLU7;(H)注册会计师;(我)TPP9;(J)CIN1。

4讨论

4.1监管机构模拟干旱胁迫下的木质素生物合成机制

植物生长时,生产和清除活性氧(ROS)在体内处于一种平衡状态,状态,防止损坏事件的过度积累的植物体内活性氧(Reddy et al ., 2004)。在干旱胁迫下,小米叶细胞的膜系统受损,ROS产生的过度积累。ROS的过度积累会导致损害植物的细胞结构和代谢功能下降,导致器官损伤,生理功能下降,阻碍植物的生长和发育(刘et al ., 2015)。这个实验的结果表明,H LD治疗的效果₂O₂在阿^{2 -}在干旱胁迫下小米的叶子更大(图2 c, E)。它表示,小米对干旱的反应在LD治疗更有意义。先前的研究表明,干旱胁迫也抑制植物光合作用通过影响叶绿素生物合成和促进气孔关闭,导致丙二醛和活性氧的积累,这是不利于叶绿体光系统II (PSII) (第三Demmig-Adams和亚当斯,1992年;司木露,1993)。因此,植物进化出了抗氧化酶系统,如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)应对干旱胁迫造成的损害(Sharma et al ., 2012)。抗氧化保护酶清除ROS的有一个重要的角色,已有效地回收细胞内活性氧的过度积累,降低了膜脂质过氧化过程,和维护正常的植物生长和发展Reddy et al ., 2004)。在这个实验中,结果表明,POD在小米的叶子是增加的内容在LD和HD治疗(图2一个),而SOD含量降低了LD干旱胁迫下,稍微降低HD治疗(下图2 b)。为了探讨H的持久性₂O₂内容,Anti-superoxide阴离子可行性,POD和SOD,我们进一步研究了补液后发生了什么。H₂O₂内容在小米叶子和生产能力和抑制O^{2 -}自由基是恢复LDCK水平在20天的补液LD治疗(图S1D)。推断,在植物干旱造成的损害有深远的影响。re-water后SOD的含量没有变化,一样的HD治疗(图印地)。虽然LD治疗下,叶子POD在小米的内容恢复到LDCK水平re-watering 1天之后,在HD治疗,减少HDCK水平补液后3天(图S1A)。这些数据表明,在干旱胁迫下,POD在防御中发挥的关键作用,而且LD治疗工作更大的豆荚,表明小米来清除活性氧的能力更强的含水量下。为了挖掘POD的分子机制,功能进一步调查。过度的豆荚苯酚的含量增加,木质素在植物因为木质素通常与三个主要类型的聚合monophenols由过氧化物酶(POD)和lacse (LAC)在二级细胞壁(刘问:et al ., 2018)。木质素不仅给陆地植物刚度对压力,但也形成了一个机械屏障对病原体和环境压力。木质素的芳香特性使细胞壁抵制水,这是有利于植物减少蒸腾作用和维持正常膨(模拟干旱胁迫下蒙蒂和福岛,2005年)。为深入研究,苯丙氨酸ammonia-lyase (PAL)和cinnamate-CoA连接酶(4 cl)木质素生物合成过程中发挥了重要作用,在第一个和最后一个步骤“一般phenylpropanoid”途径(Lauvergeat et al ., 2001)。朋友是主要的病原反应酶转换L-phenylalanine trans-cinnamic酸通过消除氨,也叫PTAL酶在单子叶植物(白et al ., 2021)。一个多基因家族的表达参与PAL酶在许多植物,和亚型可能发挥不同但冗余作用对植物生长和不利条件下(Yu et al ., 2018)。在拟南芥,只有双突变体pal1 / pal2显示显著降低木质素积累导致第二细胞壁超微结构变化和诱导不育(罗德et al ., 2004)。除此之外,转录因子和蛋白质参与朋友调控,转录水平的调控主要是涉及环境因素,如R2R3 MYB和诺克斯的家庭(Yu et al ., 2018)。此外,基因表达与朋友举起了负反馈的肉桂酸(布朗特et al ., 2000)。为主要分歧点酶4 cl,控制下游的生物合成分子,尤其是黄酮类化合物和木质素这经常导致与干旱胁迫(Lavhale et al ., 2018)。太阳et al。(2020)发现超过34基因g .分子,发现26个基因已经被多个诱导应力状态,但基因之一Gh4CL7有积极的回应干旱胁迫。在这项研究中,我们发现两个上调基因编码这两种重要的酶在HD治疗而不是LD治疗和假设的证实,长期干旱压力确实刺激phenylpropanoid途径来获得更多的基因在木质素合成途径点燃。在木质素合成相关的基因,几乎没有报道肉桂酰辅酶a还原酶的表达(CCR)和木质素沉积在非生物胁迫如盐和甘露醇(Lauvergeat et al ., 2001)。在许多报道,不同亚型的CCR已经报告给执行不同的功能,如国防、发展和压力,这是玩的控制点monolignol与木质素生物合成及其活动是正相关的沉积在木质部船(斯利瓦斯塔瓦et al ., 2015)。在拟南芥两个基因编码ccr自己(AtCCRl和AtCCR2)被认为是差异表达(Lauvergeat et al ., 2001)。和木质化模式已经发生在根和茎的幼苗银合欢leucocephala致力于干旱胁迫的CCR蛋白质积累显著(斯利瓦斯塔瓦et al ., 2015)。其他重要的木质素生物合成基因(计算机辅助设计)还发现过表达在干旱条件下;建议在非生物胁迫条件下木质素生物合成的相关性(胡锦涛等人。,2009年)。它与干旱胁迫下木质素沉积正相关性(莫拉et al ., 2010;李et al ., 2013)。刘w . et al。(2018)发现了五CmCAD基因在甜瓜基因组数据库被干旱积极诱导条件。然后功能分析表明,这五个基因多样化帮助植物度过干旱恢复木质素合成和组合,否则缺乏形成管状分子和凯氏带已被提升在沉默中治疗(刘et al ., 2020)。在这个实验中,CAD和CCR都上调的基因HD治疗比LD治疗(图8),这是符合的结果胡锦涛et al。(2009)因为有干旱引起的蛋白质斑点治疗和充当CAD、CYP450木质素合成和地对空导弹。因此,这将是有价值的确定离开,茎的解剖学差异在LD和HD治疗和血管组织的内在变化和管状分子分散在小米水运。

4.2监管机制的碳固定和干旱胁迫下蔗糖和淀粉合成

光合作用是植物生长和发育的基础,为植物提供物质和能量干物质积累和产量形成。先前的研究表明,干旱胁迫能显著改变植物的光合作用,和持续的干旱或严重干旱可能导致相应的各种生理变化和小米的形态指标,如光合色素,叶绿素降解叶气孔关闭,减少细胞间有限公司₂浓度、光合活性,干扰光合电子系统(软件和Cornic, 2002;Zhang et al ., 2010),类似的结果也出现在表1。不过,作为一个传统的耐旱作物在中国,小米与收益率下干旱幸存了下来,但它仍然负面影响了正常生长和最终产量。在目前的研究中,光合作用的小米显著抑制在干旱胁迫下,和净光合速率、气孔导度和蒸腾速率下的小米更显著降低LD治疗与HD治疗(图2 h,我)。施et al . (2018)发现光合和蒸腾速率两种不同基因型的谷子明显减少干旱处理下,事实上拒绝在抗旱品种。此外,崔et al。(2019)发现土壤干旱条件或钉治疗诱导气孔导度的降低,蒸腾和光合速率在小麦。光合作用的减少导致了光能利用效率的降低,反过来,多余的光能量过度累积ROS在树叶,这验证了H₂O₂内容和生产能力和抑制O^{2 -}自由基在小米树叶LDCK水平恢复到20天LD的补液治疗(数据就是S1C D)。与活性氧的积累,高清的压力导致的破坏一些函数的过程中光合作用和抗氧化保护酶,所以每个索引包括产生不可恢复的补液(数据就是S1C D;表1)。同样的结果也观察到在低光治疗和类似的谷子产量减少的发生(元et al ., 2017)。

光合作用是一个复杂的过程,光合电子传递和卡尔文循环是关键步骤,涉及光能量转化为ATP和NADPH和CO的转换₂碳水化合物。在这里,我们发现基因的变化过程中碳固定在小米在干旱胁迫下光合作用更显著。卡尔文循环不仅是光合固碳作用的起始点,但也在植物代谢中扮演着至关重要的作用。它包括三个主要阶段,羧化作用,减少和再生和在这个过程;ATP和辅酶ii消耗提供碳水化合物生物合成前体(盖革,Servaites 1994)。更重要的是,它是地对空导弹和PGK消耗ATP和辅酶ii催化glycerate-3-phosphate形成glyceraldehyde-3-phosphate,卡尔文循环的关键酶(Zhang et al ., 2021)。地对空导弹和GAPB两个基因编码两个子单元的光合glyceraldehyde-3-phosphate脱氢酶(GAPDH)和叶绿体本地化glyceraldehyde-3-phosphate脱氢酶在氧化应激反应的关键调节器和ABA信号转导(Sirover 2011;李X et al ., 2019)。11酶参与卡尔文循环中,奥尔多监管的酶限制光合速率和限制碳通量在有限公司₂固定,因为它参与转化甘油醛3 -磷酸和二羟丙酮磷酸果糖(DHAP) 1, 6-bisphosphate和转换赤藓糖4-phosphate DHAP景天庚酮糖1,7-bisphosphate (Nakahara et al ., 2003;杨et al ., 2017)。LD治疗下,酶glyceraldehyde-3-phosphate脱氢酶(辅酶ii⁺)(磷酸化)(地对空导弹),磷酸甘油酸酯激酶(PGK)和fructose-bisphosphate醛缩酶、类我(奥尔多)升高(图9)。然而,在HD治疗,不仅控制这些酶基因的表达主要是减少,但也的表达特性,6-bisphosphatase我(FBP) phosphoribulokinase (PRK)和二磷酸核酮糖羧化酶大链(rbcL)在卡尔文循环(图7)。这表明,LD治疗维持光合作用的碳封存过程在小米的生殖生长,但HD治疗部分失败了这个过程。自抑制的表达水平地对空导弹和GAPB会导致积累可溶性糖的变化和能源生产(丁et al ., 2022)。高清的基因表达变化表明,可溶性糖和1在叶绿体的水平降低,3-diphosphoglycerate供给抑制糖酵解过程中从而衰减光合固碳作用。此外,我们还发现,奥尔多有上调的基因编码在LD和HD治疗。Uematsu et al。(2012)发现,过度的AtptAL在烟草质体增加了植物的生长和光合作用。但在这里,光合作用并没有增加,可能原因是表现的监管或蛋白质降解调控基因表达的奥尔多(Graciet et al ., 2004)。此外,光电子转移效率和光化学效率在小米已经改变了的叶子,和细胞的结构发生了变化在某种程度上,这些结果尚未在下一步探索。

蔗糖在淀粉是植物生长和发育的重要物质,影响植物的干物质积累量。糖是淀粉积累在小米叶蔗糖是植物生长和发育的重要物质,它影响植物的干物质积累量。在干旱胁迫下,小米叶子积累糖在伸长阶段。随着干旱胁迫可溶性碳水化合物的积累的增加,碳增长要求逮捕也减少了之前提供的碳通过光合作用降低(穆勒et al ., 2011)。类似的大小减少光合活动展示了早期生殖阶段受到干旱胁迫时(穆勒et al ., 2011)(图2胃肠道)。除了光合作用,淀粉水解可溶性糖的重要来源,特别是对压力的反应(Gudesblat et al ., 2009)。在目前的研究中,小米叶可溶性糖的积累下LD治疗显著高于HD治疗。据RNA-seq的结果,合成含有葡萄糖相关合成酶在小米树叶严重干旱胁迫的影响(图7),但葡聚糖合成更影响下LD治疗。在其他谷类作物、糖再活化的营养部分的报道是由衰老引起的土壤干燥(杨和张,2006年)。在干旱胁迫下,植物可以抑制植物的生长,减少光合作用,导致植物叶片的蔗糖积累减少。其他研究已经表明,干旱已经影响叶片的蔗糖代谢平衡的影响植物叶片中蔗糖代谢酶的活性(ibsen Pinheiro et al ., 2005)。内切葡聚糖酶和β葡糖苷酶是重要的酶对纤维素的分解葡萄糖糖。在干旱胁迫下,用来分解纤维素酶的表达在植物叶子的增加,导致纤维素含量下降,葡萄糖含量的增加。在这个实验中,控制内切葡聚糖酶和基因的表达β干旱胁迫下葡糖苷酶增加,这表明更多的纤维素分解成葡萄糖在干旱胁迫下,正好与可溶性糖含量的增加在LD治疗(图2 e)。因此,减少在干旱胁迫下植物叶片淀粉含量促进了淀粉转换成可溶性糖和蔗糖的积累(李et al ., 2008;杜et al ., 2020)。

re-water治疗的过程中,在模拟干旱胁迫的抑制效应的净光合效率小米在孕穗期恢复LDCK补液和HDCK级别12天后,和小米的气孔导度非常受干旱影响治疗在生殖生长和恢复更加困难(图S1F)。干旱小米的蒸腾作用的损害不能恢复如果是患者在短时间内。这些结果表明,甚至水后re-given干旱;这是无法恢复正常的光合作用。此外,一些基因的表达或功能通路引发了在干旱胁迫是不可逆转的。在干旱条件下,作物生长显示各级不同的变化,包括细胞、器官、个体和人口(裴,2014)。王et al。(2012)发现严重的干旱胁迫对穗质量最重要的影响,粮食质量、枯萎病率和粮食产量在生殖生长时期,与恐惧减少产量。生物质可以反映作物的生长能力和养分积累能力在整个生育时期(王et al ., 2007)。干旱造成了一个高度明显降低粮食身高、体重,和千粒重量,这与本研究的结果是一致的(表1)。

4.3监管机构的模拟干旱胁迫下脯氨酸的生物合成机制

植物适应水分胁迫的生理机制主要是渗透调节。积极积累大量可溶性植物渗透物质维持渗透平衡和保护细胞结构在干旱时(焦et al ., 2012)。脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白质是重要的渗透调节的物质。在干旱胁迫下,增加渗透调节的物质帮助维持细胞质扩张压力和水位在一定水平,使细胞内生理生化代谢仍在继续。虽然一些渗透调节的物质由职业有直接清除活性氧的影响(周et al ., 2002;维,何曼思2008)。在这个实验中,小米叶片游离脯氨酸含量增加不同根据不同的水容量(图2 g)。这些结果证实了之间的正相关程度的干旱和专业积累(多布拉et al ., 2011)。Pro的增加在小米叶子HD治疗明显高于LD治疗(图2 g)。在非生物胁迫下,有一个明确的专业积累和活动之间的正相关关系Δ¹-pyrroline-5-carboxylate合酶(P5CS)因为它是病原生物合成途径酶(Strizhov et al ., 1997)。Phutela et al。(2000)水分胁迫下发现P5CS活动增加了叶子和耐旱的根源和suspective基因型,在前更严重。P5CS活动增加类似的显著变化与脯氨酸水平扩散相比也出现在两个不同的基因型棉花(Parida et al ., 2008)。Goharrizi et al。(2022)P5CS基因表达和识别两个级别的干旱胁迫下脯氨酸含量耐旱和敏感的基因型之间,发现所有的两个都显著增加,尤其是在耐旱品种。同样的,改变P5CS基因豇豆属aconitifolia增加了5倍转基因鹰嘴豆和脯氨酸含量比野生水稻类型(Karthikeyan et al ., 2011)。一般来说,有两个人P5CS基因同源,P5CS1和P5CS2,运作积累脯氨酸含量P5CS1是花的发育和启动子P5CS2关键是监管机构的胚胎晚期堕胎的种子发展(Szekely et al ., 2008;它起码et al ., 2008)。的P5CS1和P5CS2活动在叶子LD治疗明显与脯氨酸含量呈正相关,表明P5CS的积累是谷氨酸合成的结果,但有一个显著的减少P5CS1和P5CS2活动在小米叶子高清,尤其是P5CS2(图8)。为了进一步调查的反应机理P5CS2基因在干旱胁迫下,我们后来测量脯氨酸在小米树叶经过1天的补液,发现其内容是LD治疗相比显著降低(图S1E),可能由于P5CS的活动是由反馈抑制或/和转录因子在HD治疗(Yoshiba et al ., 1995;Verslues布雷,2006;Silva-Ortega et al ., 2008)。通常情况下,Schafleitner et al。(2007)发现在干旱胁迫初期阶段,脯氨酸含量和P5CS的活动协调,但压力持续,P5CS不丰富和关联也减少,这意味着其他监管机制。值得注意的是,高脯氨酸积累还严重缺水的治疗和与收益率维护或生物质生产少了联系。此外,Larher et al。(1993)观察到一个强大的脯氨酸的积累是由外部的蔗糖和葡萄糖浓度高。而同样,蔗糖和葡萄糖通路改变了,这是其他可能的原因,高积累脯氨酸含量下观察HD治疗(图2)。非常有趣的是,我们注意到的FPKM价值P5CS2在HD治疗明显低于HDCK自正常脯氨酸含量是植物正常发育(管家Kaur Asthir, 2015)(表S3)。此外,减少的表达P5CS2在HD治疗促进了更多的胚胎致死的特殊作用P5CS2在胚胎发育。这是一个可能的解释HD治疗(下空秕率越高图1;表1)。

4.4监管机构的模拟干旱胁迫下赤霉酸的生物合成机制

赤霉酸(气)属于一大群四环二萜羧酸,在整个生命周期的植物通过激活细胞分裂和细胞伸长机制,刺激他们的成长和发展科尔布鲁克et al ., 2014)。在气体合成了许多植物,GA1和GA4是主要的生物活性形式(Sponsel, 2010的麻烦)。虽然这类激素主要是与干伸长,种子萌发和植物生殖发育,它已被证明是参与植物对干旱胁迫的宽容。早期的证据GA参与非生物压力来自于观察耐性增长缓凝剂的应用所带来的抗旱植物通过抑制内源性合成的遗传算法(2000年随处)。

大多数证据强调加双氧酶是参与调节GA合成,GA2ox基因在植物(主要是响应非生物压力山口那津男,2008;托马斯·海顿和,2012年;Binenbaum et al ., 2018)。根据RNA-seq的结果,GA20ox有差异表达的基因编码,一种酶,这种酶控制赤霉素的合成,GA2ox,赤霉素的酶降解,主要是抑制LD治疗。HD治疗,然而,在GA20ox的表达稍微改变但GA2ox的表达显著增加(表S3)。推断,遗传算法是动态平衡调节的生物合成和失活率,而基因编码GA2-oxidase上调压力条件下由压力响应信号在许多物种(·海顿和Kamiya, 1997年;Magome et al ., 2008)。施et al . (2019)发现差异表达的转基因植物GhGA2ox1表现出更高的耐旱自由脯氨酸和较高的相对含水量调控的GhP5CS,GhDREB1和GhWRKY5。此外,过度的AtGA2ox1基因玉米不仅增加脯氨酸和可溶性糖含量,但也释放生物活性的GA和抑制生物合成途径的遗传算法(陈et al ., 2019)。在谷子,一样的表达基因编码GA2ox上调和褶皱变化高于GA20x LD和HD治疗下,这意味着天然气的失活速率加快。值得注意的是,GA2ox有诱导半矮秆表型的表达拟南芥中和的生物活性赤霉素的应用与正常拍摄长度(李et al ., 2014)。虽然的确补液HD治疗后发生,株高(图S2)和圆锥花序长度下的谷子被删节HD治疗,它作为浓缩的株高和穗长度合理原因之一(图1)。更重要的是,表达GA2-oxidases常常导致花卉形态的变化和/或丧失生育能力(辛格et al ., 2002)。这是大米通过使用验证本构子直径表型和失去生育能力(Sakamoto et al ., 2003)。同样,空秕率,特别是在HD治疗,增加了影响产量的增加上调表达基因编码GA2ox LD和HD (表1)。另一件重要的事情是GA20ox相关基因的上调下LD治疗,这对干细胞和圆锥花序伸长(给一个机会图1)。可以操纵GA20-oxidase基因表达修改株高(菲利普斯·海顿和,2000年)。周和昂德希尔(2015)发现一群GA20-oxidase基因,其中两个,AaGA20ox1和AaGA20ox3的视角作为目标相形见绌,诱变调节内源GA水平控制茎伸长。GA20-oxidase基因的等位基因有促进正常干细胞的消极工作身材矮小的突变基因sd1大米也促进正常花以来形成活性气体是主要监管机构花过程(佐佐木et al ., 2002)。因此,可持续突出战略应对干旱是保持生物活性气体由外生GA₄/气体的bi-benefits圆锥花序长度和花形成/生育能力。

5的结论

因此,一个工作模型来描述干旱的影响提出了谷子的产量发展阶段(图10)。谷子受到干旱胁迫时,应力诱导活性氧的生产,包括O^{2 -}和H₂O₂。过多的活性氧积累引起植物细胞氧化损伤,导致减少光合作用的谷子。重要的是,减少光合作用影响了光合碳固定和淀粉和蔗糖代谢(内切葡聚糖酶β葡糖苷酶分解)改善谷子叶片可溶性糖的积累和影响下小米LD和HD治疗的发展。和活性氧的过量积累进而改善增加抗氧化酶SOD和POD谷子树叶。

图10

图10监管模型,在模拟干旱胁迫下谷子产量形成阶段和关键途径包括激素、抗氧化剂,phenylpropanoid合成途径,渗透监管途径和光合固碳作用途径。红色字体表示增加,差异变化。绿色字体表示下降和衰减变化。

另一方面,干旱胁迫导致渗透压失衡在谷子,和渗透的内容监管机构如可溶性糖(淀粉和蔗糖合成)和脯氨酸(ariginine和脯氨酸代谢)的叶子也增加。LD治疗的关键路径的方法是淀粉和蔗糖代谢的变化,phenylpropanoid生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成(图4)。关键路径的HD治疗方式在光合生物固碳作用的变化,二萜生物合成,phenylpropanoid生物合成(图4)。但在HD治疗基因P5CS显然是衰减从而促进谷子的空秕率。此外,GA decompositon (GA2ox)都有明显提高,尤其是高清,还nectively影响收益率的小米制造更多花过程失败。总的来说,它可以得出结论,LD或者HD治疗可以诱导分子重组谷子对干旱胁迫的响应,但产生的费用。

数据可用性声明

提出了原始的贡献研究公开。这些数据可以在这里找到:NCBI PRJNA906029。

作者的贡献

JW和z同样做出了贡献。XNW协助physiolotical索引的过程。欧美、XL、CR参与了photosynthsis过程。小给了建议去KEGG通路图。XW和CJ帮助收益率指数。CZ、深圳和赫兹给数据处理的建议。XBL, SK, XZ工厂的照片。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项工作是国家重点支持的研究和发展项目的中国(2019 yfd1002204);沈阳农业大学引进人才科研项目(20153042)。

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.2022.1110910/full补充材料

引用

Abdel-Ghany s E。Ullah F。,Ben-Hur, A., Reddy, A. S. N. (2020). Transcriptome analysis of drought-resistant and drought-sensitive sorghum (高粱二色的)在回应PEG-induced干旱胁迫基因型。Int。j .摩尔。科学。21日,772年。doi: 10.3390 / ijms21030772