PNAS (IF 11.205) | 综合代谢组学和转录组学揭示细胞分裂素信号突变体在盐胁迫中的响应机制-自主发布-资讯-生物在线

PNAS (IF 11.205) | 综合代谢组学和转录组学揭示细胞分裂素信号突变体在盐胁迫中的响应机制

作者:上海中科新生命生物科技有限公司 2022-01-29T09:59 (访问量:3154)


在拟南芥中,细胞分裂素(CK)信号主要由组氨酸激酶(AHKs),组氨酸磷酸转移蛋白(AHPs)和应答调节因子(ARRs)介导。拟南芥组氨酸磷酸转移ahp2,3,5和B 型拟南芥反应调节因子arr1,10,12 三重突变体几乎完全缺失CK信号,且ahp2,3,5突变体被报道为耐盐突变体。越来越多的证据表明 CK 代谢和 CK 信号传导与植株适应各种非生物胁迫(包括盐度)之间的关系,但参与该过程的下游代谢变化仍有待阐明。

2021年11月,德克萨斯理工大学科研团队在PNAS(IF 11.205)杂志上发表题目为“Defective cytokinin signaling reprograms lipid and flavonoid gene-to-metabolite networks to mitigate high salinity in Arabidopsis”的研究成果,在非盐和盐胁迫条件下,对拟南芥野生型(WT)和两个CK信号三重突变体ahp2,3,5、arr1,10,12植株进行了全面的代谢组学和转录组学分析,揭示了盐胁迫下CK信号介导的遗传代谢网络的调控机制,为CK生物学在植株耐盐生物技术中的有效应用提供了理论依据。



研究材料

拟南芥植株

技术路线

· 步骤1:ahp2,3,5arr1,10,12突变体表现出增强的耐盐性;

· 步骤2:WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株在非盐和盐胁迫条件下的综合代谢物分析;

· 步骤3:WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株响应盐胁迫的综合转录组分析;

· 步骤4:WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株响应盐胁迫的GO和 KEGG 富集分析以及调控网络分析。


研究结果

1. ahp2,3,5arr1,10,12突变体表现出增强的耐盐性

作者首先将拟南芥野生型(WT)和两个CK信号三重突变体ahp2,3,5arr1,10,12的10 天龄幼苗转移到补充有 200 mM NaCl 的培养皿中,维持 6 天以验证其耐盐性。结果显示与WT植株相比,ahp2,3,5arr1,10,12突变体植株表现出较高的耐盐性。WT 植株的存活率不到 5%,而ahp2,3,5arr1,10,12突变体存活率则分别超过 95%、90%(图1)。

图1 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株的耐盐性研究

2. WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株在非盐和盐胁迫条件下的综合代谢物分析

10 天龄的 WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株转移到补充有 0 mM(非盐胁迫)或 200 mM NaCl(盐胁迫)的培养基中培养 24 小时后,采用气相色谱质谱仪(GC-TOF-MS)和液相色谱质谱仪 (LC-Q-TOF-MS)对每个基因型的整株幼苗进行初级和次级代谢产物综合分析。结果显示在非盐和盐胁迫条件下,ahp2,3,5arr1,10,12突变体的代谢变化相似,但与WT 植株不同。突变体与 WT 植株的比较显示,ahp2,3,5 -C/WT-C 和arr1,10,12 -C/WT-C中分别有 85 和 66 种代谢物增加,3 和 4 种代谢物减少,而在ahp2,3,5 -S/WT-S 和arr1,10,12 -S/WT-S 比较中,分别有83 和 68 种代谢物增加,4 种和 8 种代谢物减少,表明就改变的代谢物数量而言,在盐胁迫下,每个单独的基因型中发生了较小的代谢变化(图2)。

韦恩图显示盐胁迫前后WT和突变体中共鉴定出83 个(80 个增加和3个减少)差异代谢物(DPMs),分为六大类:1) 糖类,2) 氨基酸和多胺,3) 脂质和甾醇,4) 类黄酮和酚类,5) 硫代葡萄糖苷, 6) 其他一般代谢物。大多数 DPMs主要富集在与“*基氨基酸代谢”、“甘油脂代谢”、“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”等通路上。结果显示,与非盐和盐胁迫条件下的 WT 植株相比,CK 信号ahp2,3,5arr1,10,12突变体中脂质代谢相关和类黄酮代谢相关通路的重编程更为显著。

图2 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株在非盐和盐胁迫条件下的综合代谢物分析

3. WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株响应盐胁迫的综合转录组分析

10 天龄的 WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株也在盐胁迫后 24 小时收集,使用微阵列技术进行转录组分析,从分子水平上评估对盐度响应的代谢变化。结果显示ahp2,3,5 -C / WT-C和arr1,10,12 -C / WT-C比较中分别有857 和 567 个基因上调,1129 和 830 个基因下调;在ahp2,3,5 -S/WT-S 和arr1,10,12 -S/WT-S 比较中,分别有 594 和 674 个基因上调, 719 和 843 个基因下调。韦恩图显示盐胁迫前后WT和突变体比较中有 403 个重叠的差异基因(DEG, 133 个上调和 270 个下调),这些变化可能有助于突变基因型的耐盐性,并且通过抑制 CK 信号传导进行调节(图3)。

图3 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株响应盐胁迫的综合转录组分析

4. WT、ahp2,3,5arr1,10,12植株响应盐胁迫的GO和 KEGG 富集分析以及调控网络分析

将403 个DEGs 进一步做GO和KEGG分析,并将在ahp2,3,5arr1,10,12突变体的转录组数据集与在非盐和盐胁迫条件下获得的 WT 植株的转录组数据集之间的比较中,总共确定的 1,215 个DEGs做调控网络分析。GO、KEGG 和调控网络的分析结果表明在非盐和盐胁迫条件下,相对于 WT 植株,富集的基因主要参与次级代谢(例如花青素、黄酮类化合物、萜烯和脂质生物合成途径)、营养同化(例如铁、硫酸盐和糖转运)和氧化还原酶活性,这与ahp2,3,5arr1,10,12植株中与类黄酮、脂质和甾醇相关的几种代谢物的积累一致(图3,图4)。


图4 调控网络分析

小编小结
综合代谢组和转录组分析结果表明,与野生型相比,CK突变体在非盐和盐胁迫条件下积累许多初级(例如,糖、氨基酸和脂质)和次级(例如,类黄酮和甾醇)代谢物,表明应激相关代谢物的积累有助于提高耐盐性,且类黄酮和脂类库的重编程与转录水平的变化高度协调。该研究有助于开发具有耐盐能力的作物,作为确保气候危机时代全球粮食安全的关键驱动因素。

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