科尔沁沙地典型植物对增温响应的基因差异表达

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00217

摘要/Abstract

摘要：

本研究以科尔沁沙地沙地榆（Ulmus pumila var. sabulosa）、小叶杨（Populus simonii）、差不嘎蒿（Artemisia halodendron）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）、狗尾草（Setaria viridis）、猪毛蒿（Artemisia scoparia）为对象，利用Illumina平台进行转录组测序，结合差异基因表达分析、加权基因共表达网络（WGCNA）及功能富集等方法，系统解析了不同生活型植物对增温胁迫的分子响应机制。结果表明：（1）MYB、AP2/ERF和GRAS转录因子家族在6种供试植物中主导了高温胁迫响应信号的调节，其中MYB基因在共表达网络中呈现高度关联性，可能通过调控抗氧化和胁迫响应基因协同应对高温。（2）乔木（如小叶杨）的基因表达变化较小，依赖结构适应性（如角质层增厚）缓解热胁迫，而灌木和草本则通过上调光合通路基因（如PetA）和激活茉莉酸信号通路适应环境波动。（3）光系统II核心蛋白PsbA在代表性乔灌草植物中均上调表达，但其基序排列和表达幅度存在差异，狗尾草独特的PsbA蛋白结构与其C₄植物高光效特性相关。（4）茉莉酸信号通路在草本植物中显著激活，而乔木则以负调控为主，暗示生活型差异导致激素响应策略分化。

关键词: 科尔沁沙地, 转录组, 基因表达, 增温

Abstract:

This study focused on representative trees， shrubs and herbsin Horqin Sandy Land （Ulmus pumila var. sabulosa， Populus simonii， Artemisia halodendron， Caragana microphylla， Setaria viridis， and Artemisia scoparia）. Using transcriptome sequencing via the Illumina platform， combined with differential gene expression analysis， weighted gene co-expression network analysis （WGCNA）， and functional enrichment methods， we systematically analyzed the molecular response mechanism of different plant life forms to elevated temperature stress. Key findings include：（1） The MYB， AP2/ERF， and GRAS transcription factor families dominate the regulation of heat stress response signals in six tested plants. MYB genes exhibited high connectivity in co-expression networks， potentially coordinating antioxidant and stress response genes to combat high temperatures. （2） Arbor species （e.g.， Populus simonii） showed minimal gene expression changes， relying on structural adaptations （e.g.， cuticle thickening） to mitigate heat stress， while shrubs and herbs upregulated photosynthetic pathway genes （e.g.， PetA） and activated jasmonic acid signaling to adapt to environmental fluctuations. （3） The photosystem II core protein PsbA was upregulated in all species， yet there are differences in the motif arrangement and expression magnitude. The unique PsbA structure in Setaria viridis is correlate with its C₄ plant photosynthetic efficiency. （4） Jasmonic acid signaling was prominently activated in herbs but negatively regulated in arbor species， suggesting life-form-driven divergence in hormonal response strategies.

Key words: Horqin Sandy Land, transcriptome, gene expression, warming

中图分类号:

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图/表 10

表1 转录组测序结果质量

Table 1 Quality of transcriptome sequencing results

测序与组装		沙地榆	小叶杨	差不嘎蒿	小叶锦鸡儿	狗尾草	猪毛蒿
测序	原始读取序列	321 136 994	324 719 284	310 110 492	261 751 624	358 693 606	305 014 366
测序	纯净读取序列	318 488 970	323 126 762	308 115 426	259 855 420	354 927 030	303 108 758
组装	总拼接序列数	136 627 781	138 875 218	126 720 960	108 394 090	154 755 008	117 345 863
	Transcript数	115 841	120 677	212 077	208 434	145 595	274 136
	Unigene数	66 063	68 736	111 514	125 792	103 087	141 709
	GC比例/%	40.43	40.08	39.33	40.37	47.97	39.04
	N50长度/bp	1 575	1 763	1 051	1 096	1 369	1 049
	平均长度/bp	820.29	907.92	670.02	715.59	754.94	726.26

图1 科尔沁沙地代表性植物测序拼接的BUSCO分数

Fig.1 BUSCO scores of sequencing and splicing of representative plants in Horqin Sandy Land

图2 科尔沁沙地代表性植物基因表达情况的PCA

Fig.2 PCA of gene expression in representative plants in Horqin Sandy Land

图3 科尔沁沙地代表性植物转录因子基因的WGCNA（热图为模块与试验控制相关，网络为最高相关度的模块基因共表达网络）注：气泡大小表示基因在模块中基因特征显著性（GS）和基因模块连接度（MM）的大小，红、蓝、绿分别代表在模块中基因家族的数量排名1、2、3

Fig.3 WGCNA of transcription factor genes （The heat map shows that modules are related to experimental control， and the network is the coexpression network of module genes with the highest correlation）

图4 科尔沁沙地代表性植物差异表达基因数量与火山图

Fig.4 Number of differentially expressed genes and volcanos

图5 科尔沁沙地代表性植物上调差异表达基因的GO富集术语

Fig.5 GO enrichment termsof up-regulated differentially expressed genes

图6 科尔沁沙地代表性植物下调差异表达基因的GO富集术语（小叶杨未检测出下调基因故未列出）

Fig.6 GO enrichment terms of down-regulated differentially expressed genes（No down-regulated genes were detected in Populus simonii）

图7 科尔沁沙地代表性植物差异表达基因的KEGG富集通路

Fig.7 KEGG enrichment pathway of differentially expressed genes

图8 科尔沁沙地代表性植物光合通路关键基因的表达情况，代表性植物以及拟南芥的PsbA和PetA蛋白结构对比注：B：PsbA结构；C：PetA结构；图中缩写 U：沙地榆，P：小叶杨，AH：差不嘎蒿，CM：小叶锦鸡儿，S：狗尾草，A：猪毛蒿， AT：拟南芥

Fig.8 Expression of key genes in photosynthetic pathway， comparison of PsbA and PetA protein structures in six representative plants and Arabidopsis thaliana

图9 科尔沁沙地代表性植物茉莉酸信号通路关键基因在6种植物中的表达情况

Fig.9 Expression of key genes of jasmonate signaling pathway in representative plants

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