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多组学技术助力深入解析植物对高温胁迫的响应与适应机制

 

 

研究背景

 

高温胁迫

近年来,随着温室气体排放量的增加,全球气温持续上升,而高温环境会影响植物的生命周期,进而影响作物种植和生产力。高温胁迫是指植物在生长过程中遇到超过其正常生长适宜温度范围的高温环境,导致植物生长发育受到抑制或损伤的现象。这种环境胁迫在许多植物的生长过程中是无法避免的,对植物的生长发育和农业生产具有重要影响。植物在高温胁迫下会遭遇多种生理生化干扰,如光合作用降低、细胞膜损伤和代谢紊乱等。然而,植物在长期进化过程中,形成了一系列复杂的应答机制以应对这种压力。

 

目前对植物在高温胁迫下的生理生化响应、基因表达调控机制以及细胞内信号转导通路等方面均有研究。对高温胁迫的应答由复杂的调控网络和一系列基因共同控制。通过多组学方法研究不同温度环境下,植物对高温胁迫应答的调控网络及其发挥重要作用的基因或蛋白,对于指导农作物耐热品种的培育具有重要价值。

 

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图1 近5年发表的关于高温胁迫及植物应答机制的研究文章数量(来源于PubMed)

 

 

研究方向[1-3]

 

(1)生理生化响应

在高温胁迫下,植物的生理生化过程受到不同程度的影响。研究表明,高温胁迫下植物叶绿素含量下降,光合作用受到抑制,进而抑制植物生长。此外,植物在高温胁迫下会通过增加脯氨酸和可溶性糖的含量来维持细胞渗透压,以应对高温环境。同时,植物也会通过改变细胞膜的流动性来调节热量传递,以减轻高温胁迫的损伤。然而,这些生理生化过程的改变并不是孤立的,而是由一系列的转录因子和信号分子所调控的。

 

(2)基因表达调控

植物在高温胁迫下会触发一系列基因表达的变化,这些变化受多种信号转导途径的调控。研究表明,热激蛋白是植物在高温胁迫下诱导产生的一类应激蛋白,具有保护细胞结构和功能的作用。此外,植物在高温胁迫下也会通过调节转录因子、miRNA等来调控基因表达,以应对高温环境。这些基因表达的调控涉及到复杂的网络系统,包括转录因子、miRNA和蛋白质修饰等。

 

(3)细胞信号转导

植物在高温胁迫下会通过多种细胞信号转导途径来感知和传递高温信号。这些信号转导途径包括Ca2+信号、H2O2信号、MAPK信号等。研究表明,这些信号转导途径会将高温信号传递到细胞核内,进而调控基因表达和细胞代谢,以应对高温胁迫。

 

总之,植物对高温胁迫的应答机制是一个复杂的生物学问题。现有研究表明,植物在高温胁迫下的生理生化响应、基因表达调控和细胞信号转导等方面均发生了一系列变化,这些变化是植物适应高温环境的重要机制。然而,目前的研究还存在一些不足之处,例如对于不同基因型植物在高温胁迫下的应答机制仍需深入研究,同时还需要进一步探讨如何将研究成果应用于实践以提高作物的抗高温能力和生产性能。因此,未来的研究应该关注这些方面,以期为解决农业生产中的问题提供更多有效的方案和思路。

 

本期我们将通过实际案例来详细呈现多组学技术在植物高温胁迫应答机制上的应用。

 

(一)

 转录组+代谢组[4]

 

藜麦幼苗高温胁迫响应的转录组学和代谢组学联合分析

 

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英文标题:Combined transcriptomic and metabolomic analyses of high temperature stress response of quinoa seedlings

发表期刊:BMC PLANT BIOLOGY

发表时间:2023.6

材料处理:统一播种藜麦种子后,第一阶段按常规栽培管理技术进行管理,当幼苗生长到6叶期时,将处理组转移至40℃的温室环境中,其它环境条件与大田种植保持一致。在此条件下,幼苗接受连续日夜40℃的高温处理。第4天叶片出现大面积的水渍烫斑和严重枯萎,将其作为取样时间点。

 

研究思路  

 

(1)统计滇藜-3101和滇藜-3051在高温胁迫(HS)下的表型数据,包括叶色红绿值、叶色亮度、根长、株高、相对含水量和根冠比。

(2)对两个品种滇藜HS处理(40℃,CN、TN组)和正常温度对照处理(22℃,CK、TK组)的滇藜叶片进行转录组测序和代谢组检测,分析内容包括差异基因/代谢物的鉴定、GO和KEGG富集分析等,设置3个生物学重复。

(3)对关键基因进行RT-qPCR实验,3个生物学重复,3次技术重复。

(4)转录组和代谢组联合分析探究高温胁迫下藜麦基因表达和代谢物积累变化。

 

研究概述 

 

藜麦隶属藜科藜属,是营养丰富的粮食作物之一,原产安第斯山脉等高海拔地区,具有耐寒、耐旱、耐盐等特性,但对高温敏感,因此培育耐高温的品系是当前主要的育种目标之一。因此,作者以耐热品种滇藜3101和热敏品种滇藜3051为材料,结合代谢组和转录组,探究高温胁迫下藜麦的抗性机制。

 

首先,作者对HS下两个品种的滇藜表型指数进行测定,结果显示,相比滇藜3051,滇藜3101的叶色红绿值、根长数值更大,相对含水量以及根冠比更稳定,这表明滇藜3051对高温适应性较强。

 

对滇藜3101、滇藜3051在HS和正常温度生长的植株叶片进行转录组测序,并进行差异基因的鉴定、GO和KEGG富集分析。富集结果显示,碳代谢、丙酸代谢和盐酸胺代谢通路显著富集,表明这些途径可能参与耐热植物的生物活性。对两个品种的藜麦进行代谢物检测,差异代谢物鉴定结果显示,与耐热品种相比,热敏品种的代谢物含量变化显著,其中脂质、氨基酸含量增加,而黄酮类和酚酸的含量下降。将这些差异代谢进行KEGG富集分析,高温的两个品种在嘌呤代谢、精氨酸生物合成通路显著富集。

 

进一步将转录组和代谢组数据进行联合分析,CK vs TK和CN vs TN的富集结果显示,嘌呤代谢途径在两组中均显著富集,因此对该途径的差异基因和差异代谢物进行相关性分析。结果表明,特定基因与嘌呤代谢产物高度相关,推测高温胁迫能通过改变嘌呤和可溶性糖相关基因的表达或代谢物的积累来影响不同品种藜麦对高温胁迫的表现。

 

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图2 藜麦高温胁迫下嘌呤代谢的主要途径

 

最后选择9个参与嘌呤代谢途径的差异基因进行RT-qPCR验证,结果与转录组的表达丰度一致,表明转录组数据是可靠的。

 

综上所述,本研究综合转录组和代谢组对两个品种的藜麦进行生物信息学分析,揭示了高温胁迫下藜麦的应答机制,即高温胁迫调节嘌呤代谢途径,改变内源嘌呤含量,进而增强对热胁迫的抗性,本研究为藜麦高温胁迫下的分子响应机理和分子育种提供了理论参考。

 

文章链接:https://doi.org/10.1186/s12870-023-04310-y

 

(二)

转录组+代谢组+蛋白组[5]

 

基于多组学分析糯玉米籽粒形成阶段短期高温胁迫下籽粒的发育

 

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英文标题:Multiomics analysis of kernel development in response to short-term heat stress at the grain formation stage in waxy maize

发表期刊:Journal of Experimental Botany

发表时间:2021.7.15

材料处理:以糯玉米为研究对象,在授粉后1 ~ 15 d (DAP)的4种不同温度处理环境下进行实验,温度条件分别为正常白天/正常夜晚(对照)、正常白天/热夜晚、热白天/正常夜晚和热白天/热夜晚(图3)。为了解籽粒在高温胁迫的响应机制,在10 DAP和25 DAP两个时间点,对籽粒进行了转录组、蛋白质组和代谢组的综合分析。

 

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图3 不同高温胁迫处理

 

研究思路 

 

(1)选择5、10、15、20、25和30 DAP 5个时间节点,每个处理随机选3株测定籽粒的含水量、干重、淀粉含量和淀粉生物酶活性等生理指标。

(2)对10 DAP和25 DAP的籽粒进行转录组测序,进行差异基因分析和富集分析,对关键基因进行RT-qPCR验证。

(3)进一步对籽粒进行蛋白质和代谢组学研究,对差异蛋白/代谢物进行GO和KEGG功能富集分析。

(4)对转录组、代谢组和蛋白质组学进行关联分析。

 

研究概述 

 

为探究不同高温处理对糯玉米籽粒的影响,该研究首先对籽粒的生理特性进行测定,结果显示,DH、NH和DNH处理的籽粒干重、含水量以及淀粉含量低于对照(NN),表明在灌浆期,高温胁迫可缩短籽粒灌浆时间,减少淀粉和蛋白质积累,减弱淀粉生物合成酶活性,最终降低籽粒产量。

 

为进一步确定哪些基因与HTS(高温胁迫)应答相关,选择10 DAP和25 DAP的籽粒进行转录组测序,并进行差异表达基因鉴定、GO和KEGG富集分析以及关键基因的RT-qPCR验证,结果表明短期高温对籽粒有持续的影响。

 

蛋白组学结果显示,参与胚乳发育和淀粉积累的几种蛋白,包括DU1、AE1、BT1、SU1和BT2在10 DAP时上调,热休克蛋白HSP22和HSP26在25 DAP时上调。

随后该研究对高温胁迫下籽粒代谢组进行分析,结果显示,相比NH组,DH和DNH处理组的代谢物变化更显著,表明日间HTS对籽粒建成影响更严重。

 

为明确HTS对淀粉生物合成的影响,该研究根据基因表达、蛋白质和代谢物的相关变化,绘制淀粉生物合成途径的简化模型(图 4),结果显示DH和DNH处理对籽粒淀粉合成的影响比NH处理严重。

 

最后作者结合3个组学,探究高温胁迫下对植物激素信号通路的影响。结果显示,生长素、ABA和SA信号通路相关基因和蛋白的差异表达可能改变了HTS刺激的核内代谢过程(图 5)。

 

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图4不同高温条件下糯玉米淀粉合成关键基因转录及蛋白水平的变化

 

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图 5不同高温胁迫处理糯玉米籽粒植物激素信号转导途径的简化模型

 

文章链接:https://doi.org/10.1093/jxb/erab286

 

(三)

 转录组+代谢组+蛋白组[6]

 

综合转录组、蛋白组和代谢组明确霍霍巴对热胁迫响应相关的生物过程和代谢途径

英文标题:Integrated transcriptomics, proteomics, and metabolomics identified biological processes and metabolic pathways involved in heat stress response in jojoba

发表期刊:Industrial Crops & Products

发表时间:2022.4

材料处理:以28℃培养7d的霍霍巴为对照组CK,高温胁迫处理(35/32℃培养1d,37/34℃培养1d, 42/39℃培养5d)为实验组HS,每组采集幼苗顶部发育完全的4片叶片,用于生理参数测定和多组学检测,每组3个生物学重复。

 

研究思路 

 

(1)对两组霍霍巴叶的表型和生理指标进行测定,包括MDA、脯氨酸和叶绿素含量等。

(2)对两组霍霍巴叶的蛋白质组进行分析,包括差异蛋白质鉴定、GO和KEGG富集以及蛋白互作网络分析等。

(3)对两组霍霍巴叶的转录组进行分析,包括差异基因鉴定、GO和KEGG富集以及差异基因的RT-qPCR验证等。

(4)对两组霍霍巴叶进行代谢物的检测,包括差异代谢物鉴定、GO和KEGG富集以及VIP(变量重要性预测)分析等。

(5)转录组和蛋白组进行联合分析,计算差异基因和差异蛋白的相关性,对共表达的基因、蛋白进行富集分析。

(6)代谢组、转录组和蛋白组联合分析,构建关键代谢调控网络。

 

研究概述 

 

为明确热胁迫对霍霍巴的生理影响,作者首先对2月龄的霍霍巴进行热胁迫处理,对CK和HS组进行表型观察和生理指标测定(图6)。结果显示,相比CK组,HS组顶部叶片出现萎蔫,REL和MDA指标显著升高,表明热胁迫使霍霍巴叶片细胞膜受损。此外,HS组的脯氨酸含量显著升高,而叶绿素和叶黄素含量下降,表明热胁迫影响光合作用。

 

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图6 热胁迫下霍霍巴的表型和生理反应

 

进一步对两组的霍霍巴叶进行蛋白质组、代谢组以及转录组的测定和分析。

 

对两组的蛋白组、转录组和代谢组分别进行聚类以及DAP、DEG和DAM鉴定,结果显示CK和HS组存在显著差异,高温胁迫影响了叶片中的基因表达、蛋白和代谢物的含量。进一步对DAP、DEG和DAM进行GO和KEGG富集,推测它们可能参与调控的生物过程和代谢途径。此外对部分差异基因进行RT-qPCR验证,结果表明转录组数据是可靠的。

 

将转录组和蛋白质组进行联合分析明确霍霍巴对热胁迫响应的分子机制。首先对DAPs和DEGs进行相关性分析,结果显示240个基因/蛋白之间存在一定的相关性。进一步对这些基因/蛋白中表达模式趋势一致的进行GO和KEGG分析,GO富集分析显示,这些基因/蛋白富集到非生物刺激、温度刺激和热反应等生物进程,KEGG富集的代谢途径主要有叶绿素代谢、碳代谢和光合生物中的碳固定等。

 

最后,作者将转录组、代谢组和蛋白质组进行联合分析,将三个组学富集到KEGG的代谢通路进行Venn图分析,结果显示共同富集的代谢通路为37条,其中糖酵解/糖异生、三羧酸循环(TCA循环)、氨基酸代谢途径、半乳糖、淀粉和蔗糖代谢显著富集,因此作者综合了这些代谢通路并构建了相关代谢途径调控网络(图7)。

 

本研究综合3个组学的数据,鉴定了参与霍霍巴热胁迫相关的基因、蛋白和代谢物,并对这些关键的组分进行GO和KEGG富集分析,最后整合3个组学的结果,初步构建了霍霍巴参与热胁迫响应的代谢调控网络。

 

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图7 热胁迫下霍霍巴蛋白组、转录组和代谢组联合分析

 

文章链接:

https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114946

 

 

研究总结

 

植物对高温的适应性与对热胁迫的抵抗力和耐受力密切相关。就单一转录组学来说,二代转录组(RNA-seq)从基因水平可以初步挖掘关键基因和调控机制,然而,抗高温机制更深层次涉及基因的不同转录本以及表观遗传调控,使用ONT全长转录组或Direct RNA测序技术能够深入揭示转录本水平的细节,准确分析包括:可变剪切、基因融合、APA位点变化、m6A修饰、m5C修饰、假尿苷修饰和Poly(A)尾长度变化等在内的高温响应差异转录特征,并可以进一步将甲基化修饰与转录本表达关联,Poly(A)尾长与转录本表达关联,深入探讨温度胁迫相关基因的调控机制。

 

此外,相较单一组学,利用多组学关联分析,将基因组、转录组、蛋白组、代谢组等组学数据交叉比对,可深入探究植物的抗高温调控机制。

 

最后,通过突变体抗高温实验、CRISPR/Cas9、转基因、基因敲降、双荧光素酶等技术对关键调控因子的功能和发挥作用的方式进行验证,完善相关研究。

 

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图8 高温胁迫研究方案流程图

 

参考文献:

[1] 周娟, 王海燕, 张桂莲, 等. 植物对高温胁迫的响应研究[J]. 中国农业科学, 2019, 52(17): 3394-3403.

[2] 夏星, 韩琳, 徐志伟, 等. 高温胁迫下植物生理生化变化及基因表达调控的研究进展[J]. 植物生理学报, 2020, 56(7): 693-703.

[3] 张立军, 梁玉婷, 刘传娟, 等. 高温胁迫对植物细胞信号转导的影响[J]. 植物生理学报, 2018, 54(5): 799-805.

[4] Xie H , Zhang P , Jiang C ,et al.Combined transcriptomic and metabolomic analyses of high temperature stress response of quinoa seedlings[J].BMC Plant Biology, 2023, 23(1).DOI:10.1186/s12870-023-04310-y.

[5] Jian G , Xiaotian G , Weiping L ,et al.Multi-omics analysis of kernel development in response to short-term heat stress at the grain formation stage in waxy maize[J].Journal of Experimental Botany[2023-11-27].DOI:10.1093/jxb/erab286.

[6] Zheng L , Wu W , Chen Q ,et al.Integrated transcriptomics, proteomics, and metabolomics identified biological processes and metabolic pathways involved in heat stress response in jojoba[J].Industrial Crops and Products, 2022(183-):183.

 

 

 


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