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《Journal of Hazardous Materials》 影響因子：10.588 技術(shù)路線
研究背景 蕎麥?zhǔn)且环N重要的雜糧經(jīng)濟(jì)作物，因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、保健功能強(qiáng)，是健康食品生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)原料，廣受人們喜愛，市場(chǎng)潛力巨大。然而，近十年來我國(guó)蕎麥產(chǎn)量一直低而不穩(wěn)，產(chǎn)量難以突破，嚴(yán)重制約蕎麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展。論文圍繞蕎麥產(chǎn)量關(guān)鍵制約因素，探索新興納米生物技術(shù)在蕎麥生產(chǎn)中的創(chuàng)新應(yīng)用，為蕎麥及至其它農(nóng)作物產(chǎn)量提升和高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。 研究材料與方法 1、實(shí)驗(yàn)材料 本研究使用的是川蕎1號(hào)品種，通過不同濃度的GO溶液處理，培養(yǎng)幼苗進(jìn)行分析。 2、測(cè)序平臺(tái) Illumina NovaSeq 3、分析內(nèi)容 電鏡和拉曼分析，生化分析，轉(zhuǎn)錄組分析，qRT-PCR實(shí)驗(yàn)等。 研究結(jié)果 1.GO溶液對(duì)蕎麥幼苗生長(zhǎng)的影響 不同濃度GO溶液處理下的幼苗，如圖1A所示，在高濃度GO處理下，幼苗生長(zhǎng)受到明顯的抑制，且全苗、根和芽的重量和長(zhǎng)度都受到抑制（圖1B-G）。這些數(shù)據(jù)表明，GO對(duì)蕎麥的生長(zhǎng)有一定的抑制作用。
圖1.GO對(duì)蕎麥幼苗生長(zhǎng)的影響 2.通過轉(zhuǎn)錄組分析確定GO脅迫的DEGs 為了進(jìn)一步了解GO對(duì)蕎麥幼苗生長(zhǎng)的調(diào)控分子機(jī)制，通過轉(zhuǎn)錄組分析，確定了GO脅迫下的DEGs，其中895個(gè)基因在根中差異表達(dá)，1042個(gè)基因在莖中差異表達(dá)，102個(gè)基因在根和莖中均差異表達(dá)（圖2D-E），通過維恩圖分析比較了CK和LG/HG之間的DEGs，確定了2039個(gè)DEGs且表達(dá)模式多樣（圖2C）。對(duì)所有DEGs以及對(duì)根和莖中DEGs進(jìn)行基因富集分析（圖3A-C），表明根和莖可能表現(xiàn)出對(duì)GO脅迫的不同反應(yīng)。
圖2. GO響應(yīng)基因的鑒定
圖3.GO響應(yīng)基因的基因本體富集分析 3.表觀遺傳調(diào)控和細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)分析 本研究中，發(fā)現(xiàn)有31個(gè)編碼組蛋白的基因受到GO脅迫調(diào)控。其中包括1個(gè)組蛋白H1基因，9個(gè)組蛋白H2A基因，4個(gè)組蛋白H2B基因，5個(gè)組蛋白H3基因，以及12個(gè)組蛋白H4基因，這些基因表達(dá)在莖中被100mg/L GO脅迫上調(diào)，但對(duì)更高濃度GO處理的反應(yīng)很不明顯，在根中表達(dá)不顯著（圖4A）。從2039個(gè)DEGs中鑒定出編碼細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的19個(gè)DEGs，這些基因都顯示在GO脅迫下表達(dá)上調(diào)了（4B-E）。
圖4.參與細(xì)胞周期和表觀遺傳調(diào)控的基因表達(dá)分析 4. 確定參與ROS解毒的DEGs 本研究從2039個(gè)DEGs中鑒定出36個(gè)參與ROS解毒的DEGs，包括22個(gè)PER、8個(gè)GST、3個(gè)LEA、2個(gè)GRX和1個(gè)ASO編碼基因，這些基因在GO處理下顯示出不同的基因表達(dá)模式（圖5）。在GST基因中，大多數(shù)對(duì)根中的GO脅迫有反應(yīng)，GO脅迫還抑制LEA基因的表達(dá)，此外，F(xiàn)tASOL和FtGRXC9基因在根和莖中均表現(xiàn)出反向表達(dá)模式。
圖5.參與ROS解毒的基因表達(dá)分析 5. GO脅迫下植物激素生物合成及信號(hào)通路相關(guān)基因的表達(dá)分析 研究者分析了參與植物激素生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)的DEGs，包括生長(zhǎng)素、脫落酸（ABA）、乙烯（ETH）、茉莉酸（JA）、赤霉素（GA）和細(xì)胞分裂素（CTK），共發(fā)現(xiàn)40個(gè)參與激素生物合成和信號(hào)通路的GO響應(yīng)DEGs，大多數(shù)ABA、ETH、JA、GA和CTK生物合成和信號(hào)相關(guān)的DEGs的表達(dá)在GO脅迫下被下調(diào)（圖6），這表明GO可能抑制這些激素的產(chǎn)生和功能。
圖6.植物激素生物合成及信號(hào)通路相關(guān)基因的表達(dá)分析 6. 蕎麥中GO反應(yīng)性SSPs的鑒定 研究者鑒定出97個(gè)SSPs編碼基因，其中42個(gè)為已知SSPs，且有不同的表達(dá)模式（圖7）。研究還分析了RLKs和SSPs編碼基因表達(dá)的相關(guān)性，除FtLECRK41-2、FtSOBIR1和FtCRK10之外的所有RLK基因都與一個(gè)或多個(gè)SSP基因的表達(dá)高度相關(guān)（圖8），這表明SSP基因可能通過與RLKs合作來調(diào)節(jié)GO反應(yīng)。
圖7.GO反應(yīng)性SSPs基因的表達(dá)
圖8. SSP和RLK之間的相關(guān)性 研究結(jié)論 本文綜合分析了蕎麥在GO脅迫下形態(tài)、生理和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的變化，共鑒定了2039個(gè)DEGs，其中有36個(gè)基因參與ROS解毒，表明GO可能通過調(diào)節(jié)ROS解毒來影響植物生長(zhǎng)。根和莖對(duì)GO脅迫有不同的轉(zhuǎn)錄組學(xué)反應(yīng)，在莖中發(fā)現(xiàn)了參與細(xì)胞周期和表觀遺傳調(diào)控的DEGs，還有40個(gè)參與植物激素生物合成的基因受到GO的顯著調(diào)控。此外，發(fā)現(xiàn)了97個(gè)SSPs編碼基因參與GO反應(yīng)，并提出了由TFs-SSPs-RLKs介導(dǎo)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。本研究為探索GO與植物之間的相互作用提供了有用的信息。 |
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