卷叶木薯及其突变体叶片的比较转录组分析
肖明昆, 严炜, 宋记明, 张林辉, 刘倩, 段春芳, 李月仙, 姜太玲, 沈绍斌, 周迎春, 沈正松, 熊贤坤, 罗鑫, 白丽娜, 刘光华
作物学报
2024, 50 ( 8):
2143-2156.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2024.34168
为解析卷叶木薯叶片异常发育的分子调控机制及代谢通路, 以正常卷叶木薯叶片(JY)、突变株展叶叶片(ZY)和突变株卷叶叶片(BJ)为试验材料, 基于转录组测序(RNA-seq)数据进行生物信息学分析。DESeq差异分析结果显示, ZY vs BJ、JY vs ZY、JY vs BJ分别有327 (255个上调, 72个下调)、1085 (337个上调, 748个下调)、689 (381个上调, 308个下调)个DEGs, 有19个DEGs是3个比较组共同表达的。GO功能分析显示, DEGs在刺激反应、膜的组成部分、跨膜转运蛋白活性等途径差异显著。KEGG富集分析显示, DEGs在苯丙素的生物合成、植物激素信号转导、内质网中的蛋白加工等通路较为活跃。进一步对变异展叶与同株的卷叶和其他植株正常卷叶的DEGs分析发现集中富集到苯丙素的生物合成途径、淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导, 这可能是展叶突变体形成的关键因子。展叶与卷叶差异基因的主要KEGG代谢通路有9条, 重要差异基因有9个。对不同类型叶片显微分析发现突变后的展叶木薯上表皮细胞层数增加、海绵组织结构变得疏松、维管束细胞减少。研究结果为进一步理解木薯叶片异常发育的分子机制提供了理论指导, 为木薯遗传改良、种质创新挖掘提供基因资源和改良策略。
样品名
Sample name | 原始Reads总数
Total number of original Reads | 碱基总数
Base total | 过滤后Reads总数
Total number of Reads after filtering (%) | 比对上参考基因组的Reads总数
Total number of Reads for the
reference genome on the comparison (%) | Phred>20的百分比Q20 (%) | Phred>30的百分比Q30 (%) | | BJ1 | 48,631,342 | 7,294,701,300 | 42,424,940 (87.24%) | 39,417,519 (92.91%) | 97.98 | 94.44 | | BJ2 | 48,954,268 | 7,343,140,200 | 43,028,526 (87.9%) | 40,024,972 (93.02%) | 97.88 | 94.15 | | BJ3 | 46,016,900 | 6,902,535,000 | 40,829,784 (88.73%) | 37,826,541 (92.64%) | 98.03 | 94.51 | | JY1 | 56,255,460 | 8,438,319,000 | 49,247,380 (87.54%) | 46,094,300 (93.60%) | 98.01 | 94.48 | | JY2 | 48,692,404 | 7,303,860,600 | 43,869,232 (90.09%) | 40,496,556 (92.31%) | 97.96 | 94.37 | | JY3 | 53,605,768 | 8,040,865,200 | 47,008,274 (87.69%) | 43,423,863 (92.37%) | 98.01 | 94.49 | | ZY1 | 55,114,316 | 8,267,147,400 | 48,942,778 (88.80%) | 45,888,649 (93.76%) | 97.96 | 94.37 | | ZY2 | 48,301,582 | 7,245,237,300 | 41,856,280 (86.66%) | 39,058,323 (93.32%) | 97.92 | 94.30 | | ZY3 | 50,036,022 | 7,505,403,300 | 44,199,486 (88.34%) | 40,576,149 (91.80%) | 97.90 | 94.26 |
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表2
转录组测序质量分析
正文中引用本图/表的段落
卷叶木薯原产印度尼西亚为当地主栽品种之一, 2017年云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所从广西壮族自治区亚热带作物研究所引入保存。课题组2020年在育种过程中发现卷叶木薯叶片变平展的自然突变株(图1-A), 其与正常的卷叶木薯(图1-B)相比, 突变株的一个分枝所有叶片都表现为展叶, 对突变株的卷叶枝和展叶枝进行扦插扩繁, 连续2年的田间观测, 该卷叶和展叶突变体性状稳定。目前, 卷叶木薯及其突变体材料保存在云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所试验田, 本研究采集扩繁后性状稳定的突变株卷叶叶片(BJ)、扩繁后性状稳定的突变株展叶叶片(ZY)和正常卷叶木薯叶片(JY)作为试验材料进行转录测序, 试验材料于2022年6月(种植后2个月)选取顶端从上往下第4~6片成熟叶片用锡箔纸包裹立即投入液氮中-80℃下储存, 每个处理3次生物学重复, 送四川帕诺米克生物科技有限公司进行RNA的提取及测序分析。
将突变株展叶与突变株卷叶和正常株卷叶间富集于前20的KEGG代谢通路进行分类整理, 根据上、下调表达的通路找出富集最多的几条通路。根据突变株展叶与另外2种卷叶间的差异基因, 筛选出同一差异基因参与代谢通路数量前3的基因作为展叶发育重要基因。
选取BJ、ZY和JY成熟叶片为样品进行转录组测序和建库, 测序数据质量情况如表2所示。测序共获得原始Reads总数921,906,762条, 过滤掉低质量的reads后, 获得高质量系列Reads总数401,406,680条, 且每个文库的Clean reads均在41万条以上, 比对上参考基因组的Reads数均大于91%, 其中Q20均大于97%和Q30 (FDR≤0.1%)均大于94%, 表明转录组测序质量较好, 可以进行下一步分析。
取JY、BJ和ZY的叶片制作石蜡切片并进行显微观察。由图5-a~c可知, 几种叶片横切面近轴到远轴均由上表皮细胞、栅栏组织、维管束、海绵组织和下表皮细胞组成。不同的是, 首先ZY横切面厚度大于BY和JY且JY的上表皮明显的由一层细胞构成, 而BY可以看到模糊的2层细胞构成, ZY则有明显的2层细胞构成; 其次ZY的海绵组织的细胞排列疏松, 细胞间隙较多, 而BY和JY的海绵组织可看到排列整齐的4行细胞构成。由图5-d~f可知, BY和JY边缘细胞排列是明显的波状, 而ZY则是光滑整齐, ZY的维管束组织占主脉比例较突变体的大。由图5-g~i可知, 几种叶片组织结构类似, 维管束各个组织易清楚区分, 维管束扇形, 纤维鞘在维管束外侧, 髓部、木质部和韧皮部发育正常, 且无明显差异。但BY和JY相对ZY叶片主脉细胞组织更紧密, ZY的木质部细胞明显增大, 维管束细胞减少。
本文的其它图/表
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