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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
摘要   (125 HTML5 PDF(pc) (9055KB)(99)  

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。


基因ID
基因长度
Gene length
上调出现频数
Frequency
of gene up-regulation
下调出现频数Frequency
of gene
downregulation
描述
Description
条目
Term
LOC110625143 1706 3 3 β-葡萄糖苷酶12 [木薯]
XP_021626382.1 beta-glucosidase 12-like [Manihot esculenta]
苯丙素类化合物的生物合成
Phenylpropanoid
biosynthesis
α-亚麻酸代谢
Starch and sucrose metabolism
谷胱甘肽代谢
Cyanoamino acid
metabolism
LOC110619850 1880 3 3 木薯亚麻苦甙水解酶
AAB22162.1 linamarase [Manihot esculenta]
LOC122724051 1849 3 3 木薯亚麻苦甙水解酶
AAB22162.1 linamarase [Manihot esculenta]
LOC110603741 1879 3 0 β-葡萄糖苷酶45 [木薯]
XP_021597319.1 beta-glucosidase 45
[Manihot esculenta]
LOC110618460 1829 3 0 β-葡萄糖苷酶24-样异构体 X2 [木薯]
XP_021617285.1 beta-glucosidase 24-like isoform X2 [Manihot esculenta]
LOC110618773 1768 3 0 β-葡萄糖苷酶24-样异构体 X1 [木薯]
XP_021617701.1 beta-glucosidase 24-like isoform X1 [Manihot esculenta]
LOC110615840 2048 0 3 β-葡萄糖苷酶11 [木薯]
XP_021613689.1 beta-glucosidase 11-like [Manihot esculenta]
LOC110625014 2363 2 2 PLA:苯丙氨酸氨解酶G4 [木薯]
PLA: phenylalanine ammonia-lyase G4-like [Manihot esculenta]
苯丙氨酸代谢
Phenylalanine
metabolism
类黄酮的生物合成
Flavonoid biosynthesis
LOC110618581 1657 2 2 肌酸合成酶[木薯]
XP_021617435.1 vinorine synthase-like [Manihot esculenta]
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表5 重要差异基因表达分析
正文中引用本图/表的段落
将突变株展叶与突变株卷叶和正常株卷叶间的差异基因富集于前20的KEGG代谢通路进行分类整理, 主要KEGG代谢通路有9条(表4), 主要涉及苯丙素类化合物的生物合成、苯丙氨酸代谢、氰胺酸代谢、谷胱甘肽代谢、淀粉和蔗糖代谢、α-亚麻酸代谢、二萜类化合物的生物合成、类黄酮的生物合成、及植物激素信号转导。其中展叶与另外2种卷叶的重要差异基因有9个(表5), 其ID为LOC110625143、LOC110619850和LOC122724051的3个基因同时参与了苯丙素类化合物的生物合成、α-亚麻酸代谢和谷胱甘肽代谢3条代谢通路的上调表达与下调表达, 他们分别是木薯β-葡萄糖苷酶12、木薯亚麻苦甙水解酶基因。ID为LOC110603741、LOC110618460和LOC110618773的3个基因在苯丙素类化合物的生物合成、α-亚麻酸代谢和谷胱甘肽代谢3条通路均下调了表达, 而基因ID为LOC110615840, 基因名称为木薯β-葡萄糖苷酶11的基因则上调了表达。ID为LOC110625014和LOC110618581的2个基因在苯丙氨酸代谢和类黄酮的生物合成通路中, 既参与了上调表达通路也参与了下调表达通路。推测此9个差异基因与突变株展叶发育密切相关, 将作为下一步的功能验证的依据。
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