谷子响应低钾胁迫基因SiMYB3的全基因组鉴定和分析
钾（K）是植物生长发育所必需的常量营养素之一，参与了植物细胞中许多重要的生理过程。据报道，缺钾是植物中关键的非生物胁迫因素之一。谷子（Setaria italica）对干旱和贫瘠具有很强的耐受性，是亚洲和非洲干旱半干旱地区重要的饲料粮食作物。由于对谷子中低钾等各种非生物胁迫的生理生化反应和调控的分子机制尚不清楚，阻碍了对谷子这一宝贵资源的研究和开发。2019年，曹新有等在《BMC Genomics》上发表了一篇题为“Genome-wide analysis and identification of the low potassium stress responsive gene SiMYB3 in foxtail millet (Setariaitalica L.)”的文章。该研究提供了谷子K+缺乏耐受性相关RNA-seq的研究，解析谷子在整个转录组水平上缺钾的复杂性。在缺钾培养基（LK）中生长10 d后，6个谷子品种中大多4叶期幼苗的枝条、根的生长和叶片高度有所降低，根冠比为4.26-6.01，而龙谷25表型未发现差异。在所有品种中龙谷25的总干重（0.87）和生物质相对指数最高。因此，龙谷25被选为耐受缺钾品种，进行之后的研究。为了获得与龙谷25LK处理相关的转录组谱，利用Solexa/Illumina平台对未处理（CK）和缺钾（LK）处理组进行了高通量RNA测序。对RNA-seq数据进行分析，发现1,982个差异表达基因（DEGs），其中866个上调表达，1,116个下调表达。为了评估这些差异表达基因对LK潜在影响，通过将每个DEG映射到GO数据库的记录来进行基因本体（GO）分析。在生物过程中，21个GO类别被显著富集，许多对各种过程和刺激作出反应的基因突显出来，这表明这些过程和刺激可能与低钾响应有关。为了确定DEG可能参与的通路，我们使用KEGG数据库进行了通路分析，用于确定每个通路中DEG数量的公式与GO分析中使用的公式相同。该分析将1,982个DEGs富集到103个KEGG通路，其中富集DEG数量最多的是代谢途径（268个）和次生代谢物的生物合成（205个）两个通路，DEGs也被映射到植物-病原体相互作用、苯丙烷类生物合成和类黄酮生物合成中。研究人员将该转录组数据与拟南芥和水稻对低钾响应的转录组数据进行了比较，发现谷子、水稻和拟南芥对低钾胁迫的基因GO分布模式相似。结果表明，代谢过程中的基因可能在谷子、水稻和拟南芥对低K胁迫反应中发挥关键作用。GO富集分析表明，在低钾条件下，植物之间一些低钾对应的遗传途径是一致的，并且这些基因在谷子、水稻和拟南芥对低钾的响应中可能存在功能重叠。为了验证RNA-seq分析DEG的准确性，随机选择了18个候选基因（12个上调基因，6个下调基因）进行RT-qPCR验证表达。结果所有候选基因均有差异表达，表明它们参与了低K应激条件下活跃的调节网络。且这18个基因的RT-qPCR结果与测序分析结果一致。在LK条件下，SiMYB3的转录本表达高度上调，这表明SiMYB3的表达是由LK胁迫诱导并响应LK的。为了研究SiMYB3是否在LK胁迫响应中发挥作用，对拟南芥过表达植株（OE1和OE2）和野生型（WT）进行CK和LK处理（图1）。在CK条件下，转基因和WT拟南芥植物的发育和生长方面没有差异。在LK条件下，WT植株的芽和根生长受到抑制，并且在LK处理后，转基因拟南芥的鲜重更高，初生根长度更长，根表面积更大。这些数据表明，SiMYB3过表达可以促进植株主根伸长，并提高其对缺钾的耐受性。所以SiMYB3可能参与根系发育和钾吸收。图1 低钾浓度下转基因株系苗期表型分析
A: 对照; B: 10 μmol低钾处理; C、D、E分别为在对照和低钾处理下的鲜重、初级根长度和根表面积
* 表示在0.05水平上差异显著；**表示在0.01水平上差异显著。
综上所述，该研究提供了与谷子缺钾耐受性相关的转录组学的总体观点，为进一步理解植物缺钾的分子机制奠定了基础，并明确了SiMYB3是改善谷子缺钾耐受性的宝贵遗传资源。原文信息Cao X, Hu L, Chen X, Zhang R, Cheng D, Li H, Xu Z, Li L, Zhou Y, Liu A, Song J, Liu C, Liu J, Zhao Z, Chen M, Ma Y. Genome-wide analysis and identification of the low potassium stress responsive gene SiMYB3 in foxtail millet (Setaria italica L.). BMC Genomics. 2019, 20(1): 136.
原文链接：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30767761/
作者：王越越
编辑：李雨倩
审核：张会 张义茹
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