外源CaCl2調控滸苔(Ulva prolifera)高溫逆境的比較轉錄組研究*

唐曉雯 范美華① 王超峰 廖 智 李 鵬 徐年軍 王健鑫①

外源CaCl2調控滸苔()高溫逆境的比較轉錄組研究*

唐曉雯1范美華1①王超峰1廖 智1李 鵬1徐年軍2, 3, 4, 5王健鑫1①

(1. 浙江海洋大學海洋科學與技術學院 舟山 316022; 2. 寧波大學 海洋生物技術與工程國家地方聯合工程實驗室 寧波 315832; 3. 應用海洋生物技術教育部重點實驗室 寧波 315832; 4. 浙江海洋高效健康養殖省部共建協同創新中心 寧波 315832; 5. 浙江省海洋生物工程重點實驗室 寧波 315832)

鈣(Ca2+)作為一種必需的信號分子, 在植物的生長發育和非生物脅迫調節中起著至關重要的作用。本實驗采用BGISEQ平臺進行高通量測序, 獲得滸苔外源CaCl2添加(UpCa)和高溫對照(UpHT)處理下相關的轉錄組數據, 分析了在高溫(35 °C)下外源CaCl2的添加轉錄組的變化。結果顯示, 根據UpHT和UpCa處理分析共獲得36625條基因; 與UpHT相比, 在UpCa下鑒定出7513個差異表達的基因, 包括6002個上調基因, 1151個下調基因, 對差異基因進行了GO富集和KEGG富集分析。對膜轉運、植物信號轉導和環境適應性相關的差異基因進行KEGG富集分析, 主要富集在內吞(Endocytosis)、植物病原菌互作(Plant-pathogen interaction)、絲裂原激活的蛋白激酶信號通路(MAPK signaling pathway-plant)、植物激素的信號傳遞(Plant hormone signal transduction)、ABC轉運(ABC transporters)和磷脂酰肌醇信號系統(Phosphatidylinositol signaling system)等代謝通路上。植物激素信號轉導途徑中, 細胞分裂素、脫落酸、油菜素內酯和乙烯信號轉導途徑增強?？寡趸钢蠪eSOD、谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽S轉移酶和抗壞血酸過氧化物酶等基因表達上調, 下調的基因主要是熱激蛋白。Ca2+信號組分基因鈣結合蛋白、鈣調素、鈣/鈣調素依賴的蛋白激酶以及鈣/鈣調蛋白依賴性3′,5′環核苷酸磷酸二酯酶的基因表達上調, 絲裂原活化蛋白激酶激酶激酶和磷脂酰肌醇信號相關的基因也差異性上調。本研究系統闡述了植物信號轉導、抗氧化酶、MAPK信號系統以及Ca2+信號組分基因在外源CaCl2對滸苔高溫壓力的調節中的重要作用, 可為進一步闡明Ca2+信號對高溫的調節適應機制提供理論基礎。

滸苔(); 外源氯化鈣; 轉錄組; 高溫

滸苔()是典型的大型綠藻, 屬于石莼目(Ulvales)、石莼科(Ulvaceae)。滸苔繁殖速度快、環境適應性強, 是綠潮暴發的優勢藻種, 在海洋生態平衡中發揮重要的作用。滸苔在生長過程中不可避免的受到高溫、光照和鹽度等環境變化的影響, 而溫度是限制滸苔生長和繁殖的關鍵因素(Fan, 2018)。其中, 高溫作為影響滸苔生長發育的關鍵因素, 越來越受到學者的高度關注。迄今為止, 已有學者相繼報道了溫度對滸苔生長發育或者分子機理的影響(李雪娜等, 2016; Fan, 2018)。

溫度的升高影響著滸苔的生活史, 導致滸苔形態和生理指標發生變化, 影響孢子囊的形成、孢子釋放和幼苗成長(Wang,2016; Chávez-Sánchez, 2017; Li, 2017; Rybak, 2018)。高溫條件下, 大型海藻主要通過調節自身的生長發育過程來提高生存和繁殖能力, 特別是光合作用、基因的表達、蛋白質的合成和代謝都有適應性的改變, 而這些改變主要是通過植物信號響應系統來實現的。

鈣離子(Ca2+)作為植物信號系統中普遍存在的第二信使, 在植物的生長發育和非生物刺激調節中發揮著重要的作用。Ca2+信號也是響應非生物刺激的關鍵信號。高溫脅迫下, 大型海藻會誘導一系列抗氧化物酶, 蛋白激酶以及Ca2+依賴性相關蛋白的表達, 積累了多種糖和氨基酸代謝產物(Fan, 2018; He, 2018b)。高溫脅迫下, 在轉錄組水平主要涉及光合和能量代謝率降低, 抗氧化活性物質的增加, Ca2+信號途徑調節的熱休克蛋白(Hsp70)、錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)和過氧化氫酶(CAT)等分子伴侶與自由基清除相關酶基因的表達也明顯上調。另外, 篩選鑒定了參與Ca2+信號轉導、藻類生長和植物激素生物合成的基因和蛋白(Im, 2015; Fan, 2017, 2018), 并且 Ca2+信號在應激反應中起到重要的調節作用。高溫下, 外源Ca2+處理使小麥鈣依賴蛋白激酶(calcium-dependent protein kinase, CDPK)、HSP、SOD和APX基因的表達差異性上調(Goswami, 2015)。Ca2+在扁滸苔()中對銅脅迫的調節可能是通過CaMs或者CDPKs來激活抗氧化基因的表達(González, 2012); 外源Ca2+處理在一定程度上可提高杜氏鹽藻()對高滲脅迫和UV-B響應的調節作用(陳輝, 2011)。

綜上所述, 高溫影響了藻類的生長發育, Ca2+信號作為第二信使在高溫調節中起到關鍵作用, 但是Ca2+信號對滸苔高溫脅迫的調節機制還不清楚, 需要進一步研究。本實驗以滸苔為材料, 采用轉錄組測序的方法, 闡述外源Ca2+添加對滸苔高溫脅迫轉錄組響應調節機制, 不僅有助于了解Ca2+信號調節的通路, 而且對滸苔規模暴發的機制提供大量的基因數據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

2019年6月份在青島石老人海灘海面采集漂浮滸苔樣品(120.481037°E, 36.100093°N)。采集后的滸苔先清洗掉其他雜質、0.2% KI處理5 min和滅過菌的海水進行洗滌。滸苔在加入100 μg/mL氨芐青霉素的Provasoli培養基中進行培養。培養條件為25 °C、12 h光照和12 h黑暗的光周期, 光照強度為40 μmol/(m2·s)。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗處理 2 g滸苔分別放在含有5 mmol/L CaCl2的400 mL Provasoli培養基中, 轉移到35 °C高溫的培養箱中進行培養(處理組, 標記為UpCa)。2 g滸苔在不含CaCl2的400 mL Provasoli培養基中在35 °C高溫培養作為對照, 標記為UpHT。每個處理有3個生理性重復。在光照強度40 μmol/(m2·s)、光照周期12L:12D的光照培養箱培養3 h, 每個樣品各取1 g, 液氮冷凍, –70 °C保存直至RNA提取, RNA提取后送樣到武漢華大基因進行轉錄組測序。

1.2.2 RNA提取和cDNA文庫的構建 利用十六烷基三甲基溴化銨-聚乙烯吡咯烷酮(CTAB-PVP)的方法根據說明書來提取滸苔的總RNA, 使用NanoDrop ND2000紫外分光光度計(Thermo)測定RNA的濃度和質量。利用Illumina TruSeq RNA Sample Prep Kit進行文庫構建。文庫的構建是帶polyA的mRNA被含有OligodT的磁珠富集純化。二價陽離子把富集的mRNA片段化, 將片段化的RNA合成cDNA (朱婷芳等, 2020)。在BGISEQ (MGI2000)平臺按照標準程序進行測序。

1.2.3 數據處理 在BGISEQ平臺獲得原始序列(Raw data), 用fastq文件格式存儲結果。利用SOAPnuke軟件將原始序列過濾, 去除帶接頭(Adaptor)的reads、含有N(無法確定堿基信息)的比例>10%的reads和低質量reads(質量值≤15的堿基數占整個reads總堿基數的50%以上), 得到Clean data (朱婷芳等, 2020)。Clean reads通過HISAT和Bowtie2軟件比對到參考基因序列, 進行基因注釋。轉錄本的表達水平主要通過RSEM計算獲得。

1.2.4 差異基因的鑒定和GO、KEGG富集分析 主要是根據UpHT(對照) vs UpCa(處理)即實驗組與對照組的樣品的Unigene表達量進行對比, 差異基因(Differentially Expressed Genes)的篩選主要是根據<0.05和|log2(UpCa FPKM/UpHT FPKM)|≥1作為篩選標準, 獲得DEGs (Wang, 2010)。利用KEGG數據庫和GO數據庫對DEGs進行KEGG通路和GO富集分析(He, 2018a), 將值≤0.05的GO注釋和KEGG注釋歸屬為DEGs顯著富集的GO和KEGG通路。值是用KOBAS(2.0)的BH方法得到的修正后的值(Hu, 2019)。

2 結果

2.1 轉錄組測序結果

本研究以UpCa和UpHT處理的滸苔總RNA為模板, 每個3個重復, 共構建了6個cDNA文庫, 利用BGISEQ平臺進行了轉錄組測序。UpHT對照組平均獲得48.51 M的總Raw reads, 過濾后獲得43.12 M Clean reads, 過濾后的堿基數是6.47 Gb, 過濾后的reads的比例是88.88% (表1)。UpCa實驗處理組平均獲得48.67 M的總Raw reads, 經過數據過濾獲得43.25 M Clean reads。過濾后的堿基數是6.49 Gb, 過濾后的reads比例為88.86% (表1)。UpHT和UpCa處理比對到基因的Clean reads的比例分別為50.53%和45.64%。

表1 滸苔UpHT和UpCa處理轉錄組的測序結果

Tab.1 The result of transcriptome sequencing in U. prolifera under UpHT and UpCa treatments

注:20表示過濾后的reads中質量值大于20的堿基數(測序錯誤率<0.01)占總堿基數的比例,= –10 lg, M為million

2.2 基因的注釋

UpHT主要注釋到26545條基因, UpCa注釋到35368條基因, 交叉的基因有25288條, 總共注釋到36625條基因(圖1)。

圖1 UpCa處理組和UpHT對照組基因表達的韋恩圖

2.3 差異基因的篩選和表達

參照其他相關的基因庫, 在<0.05和|log2(FC)|≥1條件下, 獲得7153個DEGs (圖2)。其中上調的DEGs有6002個, 下調的DEGs有1151個(圖2a)。

2.4 DEGs的GO分類和富集分析

對DEGs進行GO分類分析, 共有4335條DEGs基因被注釋歸屬到GO的功能統計里面, 結果如圖3所示。對于參與的生物過程(biological process)來說,GO注釋最多的為細胞的過程(cellular process, 1691)、代謝的過程(metabolic process, 1446)、生物的調節(biological regulation, 447)、定位(localization, 360)、對刺激反應(response to stimulus, 328)、信號(signaling, 119)和發育過程(developmental process, 63)等。對于細胞的構成(cellular component)來說膜(membrane, 1731)、膜部分(membrane part, 1630)和細胞(cells, 1612)是GO基因注釋最多的分類。對與分子功能(molecular function)來說, 注釋的基因歸類最豐富的為結合(binding, 2218)、催化的活性(catalytic activity, 2511)和轉運活性(transporter activity, 286)等。另外, 有29個DEGs歸屬到抗氧化活性(antioxidant activity), 25個DEGs歸屬到信號轉導活性(signal transducer activity)。

對DEGs進行GO富集分析, 結果如圖4所示。在生物過程(biological process)的GO通路中DEGs主要富集到有機循環化合物代謝過程(organic cyclic compound metabolic process, GO: 1901360, 741)、細胞芳香族化合物的代謝過程(cellular aromatic compound metabolic process, GO: 0006725, 714)、雜環代謝過程(heterocycle metabolic process, GO: 0046483, 714)、有機循環復合生物合成過程(organic cyclic compound biosynthetic process, GO: 1901362, 286)和RNA代謝過程(metabolic process, GO: 0016070, 318)等GO術語。

參與細胞組成(Cellular component)的GO通路中, 富集程度最高的是nucleus (GO: 0005634, 601)和細胞內的核糖核蛋白復合體(Intracellular ribonucleoprotein complex, GO: 0030529, 765)。參與分子功能(molecular function)富集程度最高的包括催化活性(catalytic activity, GO: 0003824, 2511)和連接酶活性, 形成碳氮鍵(ligase activity, forming carbon-nitrogen bonds, GO: 0016879, 87)等(圖4)。

圖2 滸苔UpCa處理下差異基因的分析

注: a. 上調和下調基因的數目; b. 火山圖。X軸代表log2轉換后的差異倍數值, Y軸代表-l轉換后的顯著性值。紅色點表示上調的DEGs, 綠色點表示下調的DEGs, 灰色點表示差異不顯著的基因

圖3 差異基因GO分類

注: X軸代表注釋到GO條目上的基因數目, Y軸代表GO功能分類

圖4 差異基因GO富集分析氣泡圖

2.5 差異表達基因的KEGG通路和KEGG富集分析

為了研究涉及重要代謝途徑的基因, 我們把注釋的基因Mapped到KEGG pathway途徑中。通過KEGG和KOBAS軟件, 共有2121個DEGs基因mapped到21個level2。47個DEGs mapped到environmental adaptation, 66個DEGs mapped到signal transduction, 20個DEGs mapped到Membrane transport (圖5)。

圖5 差異基因的KEGG分類

根據KEGG注釋結果, 利用KOBAS進行KEGG富集分析。富集程度較高的Pathway代謝途徑主要是煙酸和煙酰胺代謝(nicotinate and nicotinamide metabolism, ko00760, 36)、核糖核酸聚合酶(RNA polymerase, ko03020, 95)、賴氨酸降解(lysine degradation, ko00310, 34)、糖基磷脂酰肌醇生物合成(glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchor biosynthesis,ko00563, 20)、維生素B1代謝(thiamine metabolism, ko00730, 20)、RNA降解(RNA degradation, ko03018, 60)、類胡蘿卜素生物合成(carotenoid biosynthesis, ko00906, 22)和植物激素信號轉導(plant hormone signal transduction, ko04075, 33)等(圖6)。

進一步對KEGG分類中運輸和分解代謝(transport and catabolism, 155)、膜運輸(membrane transport, 20)、信號轉導(signal transduction, 66)和環境適應(environmental adaptation, 47)共288個DEGs進行KEGG富集散點圖分析(圖7)。富集程度較高的代謝途徑主要包括內吞(endocytosis, ko04144, 72)、植物-病原體相互作用(plant-pathogen interaction, ko04626, 42)、植物激素信號轉導(plant hormone signal transduction, ko04075, 33)、絲裂原激活的蛋白激酶植物信號通路(MAPK signaling pathway-plant, ko04016, 42)、ABC轉運(ABC transporters, ko02010, 20)和磷酸肌醇代謝(inositol phosphate metabolism, ko00562, 14)等(圖7)。

3 討論

藻類在遭受一系列的非生物脅迫, 如高溫、低溫、干旱等環境狀況, 其對環境壓力的防御機制主要是通過抗氧化酶的表達來調節適應性機制。我們主要從信號傳導、抗氧化酶和熱激蛋白等方面對差異基因的表達和鑒定進行進一步分析。

3.1 植物激素和信號轉導相關的基因的鑒定和分析

已有的研究表明在非生物脅迫條件下高溫改變了激素相關蛋白的表達(Reguera, 2013; Fan,2018)。在本研究中, UpCa處理改變了高溫條件下參與植物激素信號轉導和激素生物合成的關鍵酶的表達。篩選獲得33個編碼關鍵蛋白激酶的差異表達基因, 其中32個DEGs上調, 1個DEGs下調。脫落酸(abscisic acid, ABA)途徑和細胞分裂素轉導途徑在植物的生長發育及壓力脅迫調節中有很重要的作用。組氨酸磷酸轉移蛋白(histidine-containing phosphorytransfer protein, AHP)主要作為細胞分裂素傳感因子組氨酸激酶和反應調節因子(B-type ARRs)之間的磷酸化轉移的介質, 通過His到Asp的多步磷酸化, 在促進細胞分裂素信號轉導中發揮重要作用。在細胞分裂素(cytokinin)信號轉導通路中, 下游的AHPs主要是通過保守的組氨酸殘基來轉運需要轉運的保守的氨基酸。1個unigene編碼的AHP和8個unigenes編碼的反應調節因子(two-component response regulator ARR-B family)的表達水平都是差異性上調。在ABA的信號轉導途徑中, 在擬南芥的生化和分子遺傳學研究中, 已經發現蛋白磷酸酶2C(PP2C)酶是植物信號轉導過程中的負調節因子(Rodriguez, 1998; Fan, 2018)。在沒有ABA的情況下, PP2C主要抑制蔗糖非發酵相關蛋白激酶2(sucrose non-fermenting 1-related protein kinase 2, SnRK2)蛋白的活性狀態。在ABA的信號轉導途徑中, SnRK2s起著重要的作用。SnRK2s蛋白活性狀態的抑制導致下游轉錄調控的減少。ABA減輕PP2C對SnRK2s的抑制作用, 激活SnRK2s啟動下游信號轉導。已有的研究表明, 滸苔在高溫壓力下, AHP和SnRK2s蛋白的表達增加, 而PP2C蛋白的表達降低說明細胞分裂素和ABA的信號轉導通路在高溫下被誘導(Reguera, 2013; Fan, 2018)。本研究表明, 在UpCa處理下8個unigenes編碼絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(serine/ threonine-protein kinase, SRK2),基因表達都顯著上調。PP2C也是顯著性上調(表2)。另外, MAPK signal system中, 有絲分裂原活化蛋白激酶激酶激酶17/18(mitogen-activated protein kinase kinase kinase 17/18, MAPKKK17/18)和有絲分裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase 9, MAPKK9)都是上調。結果表明UpCa處理緩解了高溫的壓力, 改變了ABA信號轉導途徑、細胞分裂素信號途徑和MAPK signal途徑, 提高了對高溫壓力的適應性調節。

圖6 差異基因的KEGG富集分析

注: Rich Factor是指在該代謝通路中差異表達的基因數與注釋基因總數的比值。比值越大, 說明富集程度越高。value是校驗后的value, 在0—1之間, 越鄰近0, 富集越顯著

圖7 信號和膜運輸相關基因的KEGG富集分析

在油菜素內酯(brassinosteroid, BR)信號轉導通路中, 絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶(serine/threonine- protein phosphatase BSU1, Unigene3691_All)基因的表達增加, BR的信號途徑增強。乙烯信號轉導途徑中, 8個unigene編碼的乙烯受體(ethylene receptor, ETR)和CL3860.Contig2_All編碼的EIN3-binding F-box protein都是差異性上調。4個unigenes編碼的CTR1(serine/threonine-protein kinase CTR1)表達上調。

植物的生長受到環境和激素信號的協調調節, 油菜素類固醇(BR)、細胞分裂素和ABA在溫度脅迫適應性調節中發揮重要作用; 然而, 激素信號轉導與環境信號之間的相互作用在分子水平上仍不清楚。結果表明, 可能是在高溫狀況下, 滸苔自身有一套應激反應機制來應對高溫脅迫, 氯化鈣的施加促進了這一套反應機制。因此, 滸苔細胞分裂素、脫落酸、油菜素內酯和乙烯信號轉導途徑增強, 促進了對非生物環境脅迫的適應。在應對高溫脅迫時, 滸苔激素信號轉導途徑中氯化鈣調節起著重要的作用, 但是其具體機制有待進一步深化研究。

表2 抗氧化、植物信號轉導和Ca2+相關差異基因(部分)

Tab.2 Antioxidant, plant signal transduction and Ca2+ related differentially expressed genes (portion)

續表

3.2 編碼Ca2+信號組分的基因表達

Ca2+信號組分主要由3部分組成, 即生成Ca2+信號, 識別Ca2+信號, 轉導, 最后開始針對特定刺激的反應。細胞質Ca2+水平是高度動態的, 并通過通道、泵和轉運體對各種生物和非生物信號進行調節。信號轉導過程中游離Ca2+水平的變化由Ca2+響應蛋白檢測。鈣調蛋白(CaM)、鈣調磷酸酶b(CBL)和Ca2 +依賴的蛋白激酶(CDPKs)直接或間接調節轉錄的轉錄因子通過磷酸化/脫磷酸作用響應細胞內Ca2+增加(Shankar, 2014)。本研究結果表明15個DEGs編碼的CDPK基因表達有差異性變化, 其中4個DEGs編碼的基因表達下調, 11個DEGs編碼的基因上調。鈣結合蛋白(calcium-binding protein CML)、鈣/鈣調素依賴的蛋白激酶(calcium/calmodulin-dependent protein kinase)、鈣調素(calmodulin)和鈣/鈣調蛋白依賴性3′,5′環核苷酸磷酸二酯酶(calcium/ calmodulin-dependent 3′,5′-cyclic nucleotide phosphodiesterase)的基因表達上調(表2)。Ca2+的感應因子CDPKs僅在植物和原生生物中被鑒定, 并且有一個結合Ca2+離子的自動調節域。對于CDPKs活性的調控, 不僅需要Ca2+離子, 還需要特定的磷脂和自磷酸化。結果表明, 外源CaCl2離子的添加激活了多種Ca2+信號組分, 使滸苔產生適應性反應和Ca2+的吸收更加順暢, 這與已有研究結果相一致(González, 2012; Shankar, 2014; Goswami, 2015)。

3.3 抗氧化基因功能的鑒定

非生物脅迫如高溫、低溫和干旱可以誘發植物防御機制, 可以通過調節抗氧化酶表達來適應非生物壓力。在高等植物中, 對高溫脅迫的信號響應包括正常蛋白質合成的減少, 并伴隨著熱響應性的基因和熱激蛋白(heat shock protein, Hsps)表達的上調, 導致活性氧的積累(Kim, 2013)?；钚匝?ROS)是指自由基, 包括過氧化氫(H2O2)、單重態氧(O2?)和羥基自由基(OH–)。過量的ROS會破壞大分子和細胞膜。為了清除有毒的ROS, 藻類啟動自身的抗氧化防御系統, 即超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶、過氧化物酶、硫氧還蛋白和谷胱甘肽等(Wang, 2011)。目前的研究表明, 主要有15個抗氧化基因有差異性表達, 其中9個DEGs表達上調, 6個DEGs表達下調。上調的基因主要包括抗壞血酸過氧化物酶(L-ascorbate peroxidase)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase)、鐵超氧化物歧化酶(Fe superoxide dismutase)、谷胱甘肽s-轉移酶(glutathione S-transferase)、ATP依賴的RNA解旋酶(ATP-dependent RNA helicase DOB1)(表2)。下調的基因主要為谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽s-轉移酶和熱激蛋白(heat shock 70 kDa protein)等(表2)。

Hsp70在新生蛋白的折疊、跨膜轉運和錯誤蛋白的修復方面起著重要的作用。在植物遭受壓力時, HSP70上調參與保持細胞的平衡, 保護機體免受傷害。高溫下滸苔Hsp70的表達升高(Fan, 2018)。谷胱甘肽過氧化物酶主要是催化氧化谷胱甘肽(glutathione disulfide, GSSG)降解成巰基化的谷胱甘肽(sulfhydryl form glutathione, GSH), GSH在抵抗氧化反應和維持細胞的還原環境方面起到重要的作用。本研究結果表明UpCa處理緩解了高溫壓力, Hsp70的表達量下調, FeSOD genes和抗壞血酸過氧化物酶基因表達的上調顯著增強了滸苔的抗氧化能力。谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽s-轉移酶轉錄本有上調也有部分下調, 可能是因為不同的轉錄本可能有相似的表象, 但是它們可能通過不同的Pathway途徑行使不同的功能。

4 結論

采用BGISEQ平臺進行高通量測序, 獲得了滸苔UpCa和UpHT處理下相關的轉錄組數據。分析結果顯示, 根據UpHT和UpCa處理分析共獲得36625條基因, 在UpCa下鑒定出7513個差異表達的基因, 包括6002個基因上調, 1151個基因下調, 對差異基因進行了GO富集和KEGG富集分析。對膜轉運、植物信號轉導和環境適應性相關的DEGs進行分析, 主要富集在內吞(Endocytosis)、植物-病原體相互作用(Plant-pathogen interaction)、植物激素信號轉導(Plant hormone signal transduction)、絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK signaling pathway-plant)、ABC轉運(ABC transporters)和磷脂酰肌醇信號系統(Phosphatidylinositol signaling system)等代謝通路上。

植物激素信號轉導途徑中, 細胞分裂素、脫落酸、油菜素內酯和乙烯信號轉導途徑增強?？寡趸钢蠪eSOD、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽S轉移酶, 抗壞血酸過氧化物酶等基因表達上調, 下調的基因主要是熱激蛋白。Ca2+信號組分基因鈣結合蛋白、鈣/鈣調素依賴的蛋白激酶、鈣調素和鈣/鈣調蛋白依賴性3′,5′環核苷酸磷酸二酯酶的基因表達上調, 絲裂原活化蛋白激酶激酶激酶和磷脂酰肌醇信號相關的基因也差異性上調。植物信號轉導、抗氧化酶、MAPK信號系統和Ca2+信號組分基因在外源CaCl2對滸苔高溫壓力的調節中具有重要的作用, 不同信號通路之間的相互作用還需要進一步研究。

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COMPARATIVE TRANSCRIPTOME STUDY OFTO CALCIUM CHLORIDE TREATMENT UNDER HIGH TEMPERATURE STRESS

TANG Xiao-Wen1, FAN Mei-Hua1, WANG Chao-Feng1, LIAO Zhi1, LI Peng1, XU Nian-Jun2, 3, 4, 5, WANG Jian-Xin1

(1. Marine Science and Technology College, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 2. National Engineering Research Laboratory of marine biotechnology and Engineering, Ningbo University, Ningbo 315832, China; 3. Key Laboratory of Applied Marine Biotechnology (Ningbo University), Ministry of Education, Ningbo 315832, China; 4. Collaborative Innovation Center for Zhejiang Marine High-efficiency and Healthy Aquaculture, Ningbo University, Ningbo 315832, China;5. Key Laboratory of Marine Biotechnology of Zhejiang Province, Ningbo University,Ningbo 315832, China)

As a necessary signal molecule, calcium (Ca2+) plays an important role in plant growth and abiotic stress regulation. The transcriptome variation of exogenous CaCl2addition in.at a high temperature (35 °C) was analyzed in experiment using BGISEQ platform. The high temperature with CaCl2addition was the treatment group (denoted UpCa), and high temperature was the control group (UpHT). Results show that 36625 genes were obtained, of which 7513 differentially expressed genes were identified, including 6002 up-regulated genes and 1151 down-regulated genes. The DEGs related to membrane transport, plant signal transduction and environmental adaptability were analyzed. They were mainly enriched in endocytosis, plant pathogen interaction, plant hormone signal transduction, mitogen activated protein kinase (MAPK signaling pathway plant), ABC transporters, and phosphatidylinositol signaling system. In the metabolic pathway of plant signaling transduction system, cytokinin, abscisic acid, brassinolide, and ethylene signal transduction pathways were enhanced. The expressions of FeSOD, GSHPx, glutathione-s-transferase, and ascorbic acid peroxidase were up-regulated, and the down regulated genes were heat shock protein. The expressions of calcium binding protein, calcium/calmodulin dependent protein kinase, calmodulin, and calcium/calmodulin dependent 3′,5′-cyclic nucleotide phosphodiesterase were up-regulated. The mitogen activated protein kinase kinase kinase (MAPKKK) and phosphatidylinositol signal related genes were also up-regulated. In this study, the important roles of plant signal transduction, antioxidant enzyme, MAPK signal system, and Ca2+signal component genes in exogenous CaCl2regulation of high temperature pressure in.were systematically reviewed. These results will provide a basis for further elucidating the mechanism of Ca2+signal regulation and adaptation to high temperature.

; exogenous CaCl2; transcriptome; high temperature

* 浙江省省屬高校基本科研業務費項目, 2019J00049號; 浙江省自然科學基金項目, LY20D060006號; 寧波大學海洋學院聯合實驗室開放基金項目, 2019—2021; 浙江海洋大學博士啟動基金項目, Q1701號; 浙江省一流學科開放基金項目, 2019—2021。唐曉雯, E-mail: 1759406725@qq.com

范美華, E-mail: dinger503@163.com; 王健鑫, E-mail: jxwang@zjou.edu.cn

2020-10-26,

2020-12-29

Q523.8; Q789; S917

10.11693/hyhz20201000297