编译：夕夕，编辑：夏甘草、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
导读
干旱是玉米生长的主要威胁之一。了解玉米幼穗（IT）对长期干旱反应的机制至关重要。本文，主要研究了玉米自交系PH6WC在对照组合两种缺水处理（WD1和WD2）下的机制。与对照组相比，WD1和WD2下IT的长度分别减少了6.2%和21.2%，并且IT干物质的平均积累速率分别降低了1.5和1.8倍。此外，对缺水处理后第30天的IT取样进行转录组测序分析。GO分析表明，差异基因显著富集在质外体，植物细胞壁和膜成分中。共表达分析共确定了44个模块。最后，将GO分析和模块结合，筛选出了设计碳水化合物代谢和抗氧化系统的9个基因。在干旱处理下，6个相应的生理参数均明显增加。这些结果表明，尽管IT长度和干物质减少了，但IT通过调节自身的遗传和生理变化增强了对干旱的适应性。
原名：A transcriptomic analysis reveals the adaptability of the growth and physiology of immature tassel to long-term soil water deficit in Zea mays L
译名：转录组学揭示了玉米幼穗对长期土壤水分亏缺的生长及生理的适应性
期刊：Plant Physiology and Biochemistry
IF:3.7
发表时间：2020.8
通讯作者：邵瑞鑫
通讯作者单位: 河南农业大学农学院小麦与玉米作物科学国家重点实验室
DOI号：10.1016/j.plaphy.2020.08.027
干旱处理会显著抑制由于的发育并延迟其生长（图1）。例如，在0和10天干旱处理下，三种处理之间的生长锥和花发育没有明显差异，但在处理20和30天时，幼穗长度及其分支长度存在显著差异。因此，从20天时，每四天记录一次幼穗的长度和干物质，并使用线性回归模型计算幼穗的生长速度。与对照组相比，WD1和WD2处理的幼穗最终长度分别减少了6.2%和21.2%，干物质的平均积累率降低了1.5和1.8倍（图1B和1C）。此外，三种处理的GDD和IT长度之间的相关性很高，通过线性回归模型估计，WD1和WD2的干重增长率分别降低了20.8%和33.3%（图1D和1E）。总体而言，干旱处理抑制了幼穗的增长，并且干旱处理对幼穗干重的影响比长度更明显。
转录组分析已被广泛应用于研究植物的各种代谢途径。为了研究干旱对幼穗增长和代谢的影响，在干旱处理30天的幼穗进行转录组测序分析。每组实验设置3个生物学重复，共9个样本，共获得400M的reads。对测序数据进行PCA分析，如图2A所示，聚集到一起的相同处理的样本表明转录组数据较好。在三种处理下，WD2在PC1上与其他两种处理的距离较大（69.81%），但在PC2（26.51%）下，WD1处理与其他两种处理的距离较大。随后，使用皮尔森相关系数评估生物学重复的好坏，每个样本之间的相关值介于0.69到1之间（图2B）。
对每个分析鉴定差异表达基因，分别鉴定到了1817（CK vs WD1），7281（CK vs WD2）和8807（WD1 vs WD2）个差异表达基因（图3A）。在CK vs WD1组中，上调和下调基因分别为901和916个。然而，在CK vs WD2组中，上调和下调基因分别增加到3990和3291个。此外，WD1 vs WD2组中存在更多的上调和下调基因。但是，CK vs WD2组合WD1 vs WD2之间存在显著差异（图3B）。
理论上讲，当植物遭受干旱威胁时，它们只能通过高水平的抗逆蛋白表达来保证生存。为了坚定幼穗中与抗旱性有关的候选基因，对三个差异分组中的DEG进行GO富集分析，以深入了解他们参与细胞组分的过程。其中质外体（GO:0048046），植物细胞壁（GO:0009505）和细胞膜组分（GO:0031225）在三个差异分组中均富集。富集在这些功能的DEG数量也逐渐增加，表明土壤干旱影响了幼穗中许多基因表达的变化。为了进一步探讨干旱对玉米幼穗的细胞成分的影响，富集到质外体，植物细胞壁和细胞膜组分的DEG分别为198、93和56个。随后绘制了热图，见图4。聚类分析表明，这些功能的差异分析分布非常相似。此外，DEG的表达模式分为四种类型。例如，在Ⅰ型中，每个功能的差异基因数量随着干旱程度的加深而增加，Ⅳ型，差异基因随着干旱程度的加深而减少，表明他们可能具有抗旱性，Ⅱ型，差异基因先上调后下调，Ⅲ型差异基因先下调后上调。
已有研究人员提出具有类似表达模式的基因可能具有相似的生物学功能。为了探索干旱下幼穗生长在转录水平中是否存在类似的模块。对表达的30398个基因构建共表达网络。共鉴定出42个基因模块，模块大小在31到8022之间（表1）。随后，对幼穗长度和干物质进行特征基因相关性分析（图5）。结果表明，存在于幼穗呈正相关或负相关的模块。
为了阐明干旱对幼穗形状的影响，需要关注某些类型的基因。首先，使用一些过滤条件进行过滤，筛选出候选基因。从质外体功能中共筛选了198个基因，从植物细胞壁中筛选了99个基因，从细胞膜组分中筛选了65个基因。有趣的是，这些基因与幼穗长度和干物质显著相关，表明他们可能在调节幼穗生长中起到重要作用。对于筛选的12个基因进行qRT-PCR，结果表明其表达模式与转录组分析结果一致（图6）。
经研究发现，β-GC，β-GAL，SOD，MDA，CAT和POD与幼穗生长密切相关。为了进一步验证干旱对幼穗形状的影响，可视化其重要参数与幼穗长度和干物质之间的关系。结果表明，生理参数与幼穗长度和干物质呈负相关。CK和WD1处理之间的MDA含量没有明显差异，而WD2存在显著差异，而其他5个参数显著增加（图7）。WD1和WD2处理后POD和CAT活性的变化是一致的。WD1处理的POD和CAT活性分别增加了54.9%和129.3%，而WD2处理的POD和CAT活性分别增加了155.1%和228.6%。此外，6个参数与幼穗长度和干物质之间进行相关性分析。幼穗长度和干物质之间的系数为0.88。6个生理参数中大对数与幼穗长度或干物质之间的相关性更显著。
如下示意图说明了幼穗生长如何适应长期干旱（图8）。在干旱处理初期，幼穗发育没有受到影响，但在长期干旱胁迫下，尤其在干旱胁迫15天好，幼穗的增长随长度和干物质的增加而显著下降。此外，通过将三个差异分组下的的差异基因和WGCNA鉴定到的一些模块结合，选定9个差异已经与碳水化合物的代谢和抗氧化系统有关。总体而言，尽管幼穗的生长受到抑制，但它们可以通过上调与碳水化合物代谢和抗氧化系统相关的基因来增强抵抗长期干旱的能力。此外，作者选择的基因可能具有抗寒育种的潜在价值，玉米对不同水分缺乏的响应也可以为田间灌溉提供理论参考和实践指导。
更多推荐
1 高分综述 | Trends in Biotechnology: 单细胞分辨率下利用空间转录组揭示器官分子结构（国人佳作）
