基于转录组测序的斧翅沙芥（ Pugionium dolabratum ）干旱胁迫应答基因表达分析

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00077

摘要/Abstract

摘要：

荒漠植物斧翅沙芥（Pugionium dolabratum）主要分布在中国西北地区的固定或半固定沙漠，具有较高的干旱环境适应能力，但对它的干旱胁迫耐受分子机制研究较少。本研究利用Illumina测序技术筛选斧翅沙芥干旱应答基因，通过转录组的从头组装，共获得154 875个unigenes，平均长度为1 437个碱基。干旱胁迫后，共有13 855个基因表达发生显著变化，其中7 182个基因上调表达，6 673个基因下调表达。GO功能富集分析表明差异表达基因显著富集到物质代谢、氧化还原和催化活性等功能；KEGG通路富集分析表明差异表达基因显著富集到氨基酸代谢、淀粉和糖代谢以及植物激素信号转导等途径。此外，鉴定到47个干旱诱导转录因子家族，主要包括HSF、ERF、WRKY、MYB、bHLH等。与沙芥相比，淀粉和糖代谢途径以及大量热胁迫转录因子在干旱胁迫后上调表达有可能是斧翅沙芥提高干旱胁迫耐受能力的特殊途径。本研究的结果初步揭示了斧翅沙芥对抗干旱胁迫的调控特征，为进一步理解斧翅沙芥干旱环境适应的分子机制提供线索。

关键词: 斧翅沙芥（Pugionium dolabratum）, 干旱胁迫, 转录组, 转录因子

Abstract:

Pugionium dolabratum is a xerophytic plant species mainly distributed in fixed or semi-fixed desert in northwest China， which possess strong adaptability to arid environment. However， the molecular mechanism of drought stress tolerance in P. dolabratum was known much less. In this study， we used Illumina sequencing to screen drought responsive genes in P. dolabratum， 154 875 unigenes with an average length of 1 437 nt were obtained by De novo transcriptome assembly. After drought stress， a total of 13 855 unigenes was significantly and differentially expressed， of which 7 182 genes were up-regulated and 6 673 genes were down regulated. GO enrichment analysis showed that the differentially expressed genes were significantly enriched in material metabolism， oxidoreductase and catalytic activity. KEGG enrichment analysis showed that the differentially expressed genes were significantly enriched in amino acid metabolism， starch and sucrose metabolism and plant hormone signal transduction. In addition， we identified 47 drought induced transcription factor families， mainly including HSF， ERF， WRKY， MYB， and bHLH. Compared with P. cornutum， the starch and sucrose metabolism and the up-regulated expression of heat stress transcription factors may be an alternative pathway to enhance tolerance capacity in P. dolabratum in response to drought stress. The results preliminarily revealed the regulatory characteristics of P. dolabratum in response to drought stress， and provided important clues for further insight into the molecular mechanism of drought environment adaptation in P. dolabratum.

Key words: Pugionium dolabratum, drought stress, transcriptome, transcription factor

中图分类号:

Q948.11

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图/表 6

表1 测序数据概况

Table 1 Summary of Illumina RNA sequencing

样品	过滤数据读段数量	质量值≥20碱基百分比 Q20/%	质量值≥30碱基百分比 Q30/%
CK1	47 083 896	98.43	95.71
CK2	51 089 578	98.14	95.04
CK3	57 764 482	98.14	95.06
DT1	47 438 914	98.26	95.38
DT2	46 524 568	98.36	95.58
DT3	53 167 672	98.21	95.22

图1 斧翅沙芥干旱胁迫差异表达基因（DEG）的表达分析

Fig.1 Expression analysis of differentially expressed genes in Pugionium dolabratum under drought treatment

图2 斧翅沙芥干旱胁迫差异表达基因的GO富集分析1：氧化还原过程；2：单一生物代谢过程；3：脂质代谢过程；4：单羧酸代谢过程；5：光合作用；6：单羧酸生物合成过程；7：脂肪酸代谢过程；8：单一生物合成过程；9：脂质生物合成过程；10：脂肪酸生物合成过程；11：氧乙酸代谢过程；12：有机酸代谢过程；13：羧酸代谢过程；14：有机酸生物合成过程；15：羧酸生物合成过程；16：细胞醛代谢过程；17：碳水化合物代谢过程；18：甘油醛-3-磷酸代谢过程；19：细胞脂质代谢过程；20：化学反应；21：类囊体；22：光合膜；23：类囊体部分；24：光系统II放氧复合物；25：类囊体膜；26：光系统；27：光系统I；28：质外体；29：光系统II；30：质体；31：叶绿体；32：外包裹结构；33：叶绿体部分；34：细胞壁；35：氧化还原酶复合物；36：质体部分；37：叶绿体包膜；38：质体包膜；39：系统I反应中心；40：氧化还原酶活性；41：辅因子结合；42：催化活性；43：辅酶结合；44：磷酸吡哆醛结合；45：裂解酶活性；46：单加氧酶活性；47：氧化还原酶活性，作用于成对供体，分子氧掺入或减少；48：转氨酶活性；49：转移酶活性，转移含氮基团；50：氧化还原酶活性，作用于供体的CH-OH基团；51：氧化还原酶活性，作用于供体的CH-OH基团，NAD或NADP作为受体；52：氧化还原酶活性，作用于供体的醛基；53：抗氧化活性；54：氧化还原酶活性，作用于供体的醛基，NAD或NADP作为受体；55：碳碳裂解酶活性；56：四吡咯结合；57：亚铁原卟啉结合；58：氧化还原酶活性，作用于单供体并结合分子氧；59：羧基裂解酶活性 1： oxidation-reduction process； 2： single-organism metabolic process； 3： lipid metabolic process； 4： monocarboxylic acid metabolic process； 5： photosynthesis； 6： monocarboxylic acid biosynthetic process； 7： fatty acid metabolic process； 8： single-organism biosynthetic process； 9： lipid biosynthetic process； 10： fatty acid biosynthetic process； 11： oxoacid metabolic process； 12： organic acid metabolic process； 13： carboxylic acid metabolic process； 14： organic acid biosynthetic process； 15： carboxylic acid biosynthetic process； 16： cellular aldehyde metabolic process； 17： carbohydrate metabolic process； 18： glyceraldehyde-3-phosphate metabolic process； 19： cellular lipid metabolic process； 20： response to chemical； 21： thylakoid； 22： photosynthetic membrane； 23： thylakoid part； 24： photosystem II oxygen evolving complex； 25： thylakoid membrane； 26： photosystem； 27： photosystem I； 28： apoplast； 29： photosystem II； 30： plastid； 31： chloroplast； 32： external encapsulating structure； 33： chloroplast part； 34： cell wall； 35： oxidoreductase complex； 36： plastid part； 37： chloroplast envelope； 38： plastid envelope； 39： photosystem I reaction center； 40： oxidoreductase activity； 41： cofactor binding； 42： catalytic activity； 43： coenzyme binding； 44： pyridoxal phosphate binding； 45： lyase activity； 46： monooxygenase activity； 47： oxidoreductase activity， acting on paired donors， with incorporation or reduction of molecular oxygen； 48： transaminase activity； 49： transferase activity， transferring nitrogenous groups； 50： oxidoreductase activity， acting on CH-OH group of donors； 51： oxidoreductase activity， acting on the CH-OH group of donors， NAD or NADP as acceptor； 52： oxidoreductase activity， acting on the aldehyde group of donors； 53： antioxidant activity； 54： oxidoreductase activity， acting on the aldehyde group of donors， NAD or NADP as acceptor； 55： carbon-carbon lyase activity； 56： tetrapyrrole binding； 57： heme binding； 58： oxidoreductase activity， acting on single donors with incorporation of molecular oxygen； 59： carboxy-lyase activity

Fig.2 Gene Ontology Enrichment Analysis of differentially expressed genes in Pugionium dolabratum under drought treatment

图3 斧翅沙芥干旱胁迫差异表达基因的KEGG富集分析

Fig.3 KEGG enrichment analysis of differentially expressed genes in Pugionium dolabratum under drought treatment

表2 干旱胁迫下差异表达转录因子数目

Table 2 Numbers of differentially expressed transcription factors under drought stress treatment

转录因子家族	上调	下调
Heat stress transcription factor	40	7
Ethylene-responsive transcription factor	38	17
WRKY transcription factor	36	21
MYB family transcription factor	33	15
bHLH transcription factor	30	27
Nuclear transcription factor Y	17	6
DIVARICATA transcription factor	13	8
Trihelix transcription factor	10	6
TCP transcription factor	6	10
AP2-like ethylene-responsive transcription factor	4	12

图4 干旱胁迫差异表达的热胁迫转录因子家族成员表达模式分析

Fig.4 Expression pattern of differentially expressed heat stress transcription factors under drought treatment

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