基于轉錄組測序的超富集植物鼠耳芥抗Zn-Cd脅迫基因篩選及初步分析.pdf

1、超富集植物是自然界中一類能夠超量吸收重金屬并將其轉移至地上部的植物，因其對重金屬出色的耐受和累積能力，成為研究重金屬累積耐受遺傳調控機制和土壤植物修復的重要材料。對超富集植物重金屬應答和適應性調控基因的鑒定和分析，為植物重金屬環(huán)境適應能力的遺傳改良提供候選基因資源和理論依據(jù)，進而為通過植被種植治理土壤重金屬污染奠定基礎。
　　本研究以Zn/Cd超富集植物鼠耳芥作為研究對象，以非超富集模式植物擬南芥作為參照，分別用Zn和Cd對鼠耳芥

2、和擬南芥處理2小時和8小時后，采用轉錄組測序的技術手段對這兩個近緣物種進行物種內(nèi)以及物種間的重金屬應答和適應相關基因進行篩選和鑒定。主要結果如下：
　　在驗證鼠耳芥對Zn/Cd的超富集能力以后，分別提取擬南芥鼠耳芥總RNA進行高通量轉錄組測序。在種內(nèi)差異分析中發(fā)現(xiàn)擬南芥和鼠耳芥在 Zn脅迫下響應的差異顯著基因要比Cd脅迫下響應的差異顯著基因要多，并且隨著時間從2小時變?yōu)?小時，兩個物種中的差異顯著基因數(shù)量變少，推測這可能與物種對外

3、界脅迫的適應性有關。還發(fā)現(xiàn)擬南芥中差異顯著基因要比鼠耳芥芥多，推測鼠耳芥中抗Zn/Cd脅迫基因對Zn/Cd的解毒能力要比擬南芥中的強。
　　通過GO富集發(fā)現(xiàn)鼠耳芥、擬南芥差異顯著基因顯著富集的GO詞條類似，在和重金屬解毒有關的催化活性、結合相關以及轉運活性等GO詞條上都有顯著富集。通過KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)鼠耳芥擬南芥在Zn/Cd脅迫下的差異顯著基因在和重金屬解毒有關的硫代謝途徑和谷胱甘肽代謝途徑都顯著富集。在分析了谷胱甘肽代謝途徑

4、上多數(shù)富集的GSTs以后發(fā)現(xiàn)，只分析物種內(nèi)差異表達基因不夠全面，需要進行跨物種分析。
　　構建鼠耳芥、擬南芥同源基因集，鼠耳芥中14753個基因和擬南芥中14907個基因構成15221個對應關系?？缥锓N差異分析發(fā)現(xiàn)同物種內(nèi)部差異分析比較類似對Zn響應的差異顯著基因要比Cd多，且隨著時間從2小時到8小時差異顯著基因數(shù)量減少。將鼠耳芥內(nèi)部在Zn/Cd脅迫下差異顯著表達的1138個基因、擬南芥內(nèi)部差異顯著表達的1253個基因和物種間差異

5、顯著表達的6692個基因進行整合找到1102個既在物種內(nèi)部差異顯著又在物種間差異顯著的基因，結合功能注釋后找打97個對抗Zn/Cd脅迫相關的關鍵基因。
　　將得到的97個關鍵基因表達量進行熱圖分析發(fā)現(xiàn)12個與體內(nèi)金屬離子平衡相關的在鼠耳芥中大量表達但在擬南芥中表達少的基因，這些基因涉及Zn、Cd等二價離子的轉運以及螯合過程，NAS家族基因在擬南芥中主要與抗氧化脅迫以及重金屬螯合相關。對鼠耳芥中NAS家族基因進行初步分析發(fā)現(xiàn)在鼠耳芥

6、中NAS家族有5個成員而擬南芥只有4個，通過保守基序分析發(fā)現(xiàn)鼠耳芥中NAS基因在3`端保守性較高，通過qRT-PCR驗證發(fā)現(xiàn)種內(nèi)和種間間差異分析得到AhNAS2及AhNAS3兩個差異顯著基因是在Zn/Cd脅迫下響應的，推測在鼠耳芥中這兩個基因同樣也與Zn/Cd螯合相關。
　　將這其中出現(xiàn)頻率較高的ZIP家族基因進行初步分析，ZIP家族基因是植物中普遍存在，主要與重金屬轉運相關。在鼠耳芥中找到11個ZIP家族基因，通過分析他們的一級

7、、二級、三級結構后發(fā)現(xiàn)他們出AhZIP2和AhZIP3以外，都具有保守的ZIP superfamily保守結構。結合轉錄所得數(shù)據(jù)以及qPCR驗證推測AhZIP1可能同AtZIP1一樣在根部中表達量較小且其對Zn的轉運特性要強于Cd。AhZIP7和擬南芥中同源基因AtZIP9一樣在Zn脅迫下表達下調而在Cd脅迫下未見明顯響應情況，推測AhZIP7是 Zn的轉運蛋白但是對Cd的轉運能力還有待研究。AhZIP8與擬南芥中同源基因AtZIP10