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植物轉錄組高效發文最新案例

發稿時間:2021-04-12來源:天昊生物

英文題目:Characterizing the Leaf Transcriptome of Chrysanthemum rhombifolium (Ling et C. Shih), a Drought Resistant, Endemic Plant From China

中文題目:中國特有抗旱植物菱葉菊葉片轉錄組特征分析

期刊名:Front Genet.  

 影響因子:3.258  

發表時間:2021-2-11


菱葉菊是一種非常適應惡劣環境的特有植物,然而人們對它的植物抗逆特性的分子生物學,甚至對它的整個植物的分子生物學知之甚少。為了研究菱葉菊的分子生物學和脅迫適應機制,本研究利用Illumina平臺對其葉片進行了轉錄組測序。共獲得130,891個單基因,在公共蛋白質數據庫中注釋了97,496(~74.5%)單基因。相似性搜索表明,40,87874,084個單基因分別與NCBI非冗余和Swissprot數據庫中的已知蛋白質顯示出顯著的相似性。其中,56,213個和42,005個單基因分別被分配到基因本體(GO)數據庫和同源群聚類(COG)數據庫,38,918個單基因被映射到五個主要類別,包括18KEGG途徑。代謝是主要KEGG類別中最大的類別,表明菱葉菊具有活躍的代謝過程。大約2459個單基因被注釋為在防御機制或應激耐受中起作用。菱葉菊的轉錄組分析顯示,在10,524個單核苷酸和具有較高多態性的單核苷酸、三核苷酸和二核苷酸中存在12,925個微衛星。基于GME基因的親緣物種系統發育分析證實了轉錄組數據的可靠性。本工作是首次對菱葉菊作為一種新的植物抗逆基因資源的遺傳研究。這大量的轉錄組序列使研究者能夠全面了解菱葉菊的基本遺傳學,并發現有助于菊花新基因的分子改良。


菊花是我國最受歡迎的花卉之一,也是世界上最重要的切花,具有很大的觀賞價值和經濟價值。然而,菊花的長期人工馴化往往導致其對環境壓力的抵抗力和適應性下降,從而限制了它們在園林綠化和工業生產中的使用。因此,在野菊花種中鑒定出許多抗逆性狀及相應的抗逆基因資源,對菊花品種的遺傳改良具有重要意義。RNA測序(RNA-Seq)是使用深度測序技術對不同類型的RNA分子進行定量和分析的有力工具。它為研究者提供了高通量、高準確度、高靈敏度和高重現性的大規模轉錄數據,使研究者能夠生成該物種轉錄組的前所未有的全球視圖。RNA-seq在植物中得到了廣泛的應用,特別是對于一些非模式物種和一些大而復雜的基因組,大大加快了新基因的發現,了解復雜的組織特異性表達模式,以及高等植物中的調控網絡。菱葉菊是重慶巫山特有的多年生草本植物,并具有很高的觀賞價值。它有菱形的葉子,背面有濃密的短柔毛和半木質化的莖和枝(1)。本種很好地適應以高溫、低土壤肥力和干旱為特征的環境。然而,除了作為菊花分子系統發育的樣本外,很少對菱葉菊進行研究。在這里,很少有人知道它對整個植物的分子生物學或植物對脅迫的抗性特征。這促使研究者利用高通量RNA測序和從頭組裝來表征其葉片轉錄組,為理解菱葉菊的生物學提供了全面的資源,并在改進菊花和其他相關作物的育種方面獲得了見解。


本研究的植物材料是從中國重慶巫山采集獲得的。新鮮成熟的葉子用無菌水清洗,立即在液氮中冷凍,并儲存在-80℃,之后用于RNA-seq檢測。測序采用Illumina HiSeq 2500平臺進行。質控后,使用Trinity軟件用于從頭轉錄組組裝。單基因的功能注釋和分類分析使用NCBI NrNCBI NtSwiss-ProtGOPfam對獲得的單基因進行注釋,還使用蛋白質直向同源群簇(KOG/COG)KEGG數據庫進行功能注釋,分別對可能的COG功能和KEGG途徑進行分類,并預測可能的功能分類和分子途徑。系統發育分析使用GDP-D-甘露糖3’,5’-異構酶(GME)進行,它是調節細胞壁生物合成和抗壞血酸積累的,在植物發育和非生物脅迫耐受中發揮重要作用。研究者提取了帶有注釋的GME單基因序列,并將其與從Genbank檢索到的其他GME同源基因進行比對。多重比對是使用MUSCLE軟件并手動調整。研究者通過使用MEGA軟件的1,000個自舉重復的鄰近連接(NJ)方法構建了系統進化樹。SSR預測利用MIcroSAtellite預測了所有組裝的單基因中的SSR區域。研究者使用默認設置檢測了核苷酸的SSR基序。   


 

非冗余單基因的功能注釋和分類

在用Illumina雙端測序和組裝后(表1),研究者使用NrNtPfamKOGSwiss-protGOKEGG數據庫來注釋組裝的單基因。在獲得的130891個單基因中,至少97496個單基因(74.48%)可以用搜索的數據庫進行注釋——40878 (Nr)55831 (Nt)37488 (KO)74084 (Swiss-prot)56213 (Pfam)56213 (GO)42005 (KOG/COG) (2、圖2)



COG分析實現了42005個單基因的功能分類(3)。最常見的類別是翻譯、核糖體結構和生物發生”(714717%),其次是翻譯后修飾、蛋白質周轉、伴侶蛋白”(601614.3%)能源生產與轉換”(483011.5 %)僅一般功能預測”(470611.2%)氨基酸轉運與動力學”(24075.7%)細胞內轉運、分泌和囊泡轉運(22185.3%)信號轉導”(21455.1%)脂質轉運與代謝”(20654.9%)碳水化合物轉運與代謝”(20574.9%).最不常見的組是核結構”(1830.4%)細胞外結構”(360.09%)細胞能動性”(240.06%)。本研究發現了205個屬于防御機制的單基因,表明菱葉菊中存在抗逆基因。