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项目文章 |转录组分析揭示了细胞分裂素调控网络促进锥栗花雌化的研究
期刊：International Journal of Molecular Sciences 影响因子：4.56 发表日期：2022.6.7 单位：中南林业科技大学 2022年6月7日中南林业科技大学经济林培育与利用教育部重点实验室袁德义团队在International Journal of Molecular Sciences上发表一篇名为“Transcriptome Analysis Reveals the Regulatory Networks of Cytokinin in Promoting Floral Feminization in Castanea henryi”的研究论文。作者通过RNA-seq技术对CPPU处理的雄性柳絮进行转录组比较分析，研究了植物激素细胞分裂素(CK)在性别分化中的作用机制。结果表明，CK可与其他植物激素相互作用，并直接作用于花器官识别基因来控制花的性别。这项研究为研究锥栗性别决定的调控网络提供了基本框架，转录组数据为锥栗遗传多样性分析和分子辅助育种提供了理论依据。爱基百客为本研究提供RNA-seq的技术支持。
01 研究背景 锥栗（Castanea henryi），是壳斗科重要的木本食用植物，其果仁以香甜软糯、营养价值高而闻名。然而，但锥栗的雌雄花比例较低，两千多朵雄花排列在雄花柳絮中，但每5朵雄花只有一朵双性花，而两性花的基部只有两朵雌花，雌花比例太低会极大地限制锥栗种子产量和工业应用潜力。因此，揭示锥栗性别决定的分子机制对于提高其果实产量具有重要意义。 02 研究思路
03 研究结果 1.CPPU处理对锥栗花发育的雌化效应
图1. 不同处理下雄絮上雌雄花的比例 为了探明CPPU（一种植物生长调节剂）处理对锥栗花发育的雌化效应的影响，作者研究了CPPU处理对雄柳絮上花的性别的作用，并计算了每种情况的比例（图1c）。结果表明，锥栗花发育的雌化效果随着 CPPU 浓度的增加而增加，并且随着处理时间和频率的变化而变化（图 2）。C7处理组表现出最强的雌化效果，雄柳絮上的雄花全部转化为雌花（图2）。
图2.不同处理下的雄絮 2.CPPU处理对雄絮内源激素含量的影响
图3. 不同浓度 CPPU对锥栗雄絮内源激素的影响图 为了检测不同浓度 CPPU对锥栗雄絮内源激素的影响，作者对锥栗雄絮内源激素含量进行测定。结果显示，经CPPU后的植株细胞分裂素，赤霉素水平显著低于对照组，生长素和脱落酸水平无明显变化。在植物中，tZ（玉米素）和iP（异戊烯基腺嘌呤）是主要生物活性的细胞分裂素， GA1和GA4是主要生物活性的赤霉素。因此，测定了tZ + iP和GA1 + GA4的水平(图3d)。结果显示，CPPU处理后，各处理组血清tZ + iP和GA1 + GA4水平均显著低于对照组。结果表明，CPPU的加入会显著影响锥栗雄絮中细胞分裂素和赤霉素的含量。 3.锥栗雄絮对CPPU反应的转录组测序
图4.所有样品基因功能元件分布情况 CPPU处理在雄絮上诱导出大量雌花，说明细胞分裂素（CK）是调节锥栗性别分化的关键因子。通过对CPPU处理的雄絮进行转录组比较分析，探讨了CK在锥栗性别分化中的作用机制。此外，为了鉴定CK调节性别决定的早期应答基因，收集四组样品(三种不同浓度cppu处理和纯水处理的雄性柳絮)的三次重复，进行后续的转录组测序（RNA-seq）和实时聚合酶链反应(RT-qPCR)定量。所有样本中基因功能元件的分布情况及各样本间的Pearson相关系数分析如图4所示，确定了CK和GA合成通路中4个关键基因LOG1、LOG3、LOG7和KO。 4.差异表达基因的功能注释与分类
图5、6、7 差异表达基因的功能注释与分类 为了比较不同样本间基因表达的差异，将所有样本中差异显著的基因表达量提取成列表，绘制差异表达基因的火山图。用彩色圆点绘制基因表达量差异图，CPPU处理3种不同浓度(5 mg·L−1、25 mg·L−1和125 mg·L−1)后，分别有2129、5275和2786个基因表达差异(图5)。用韦恩图表示不同样品中共有和特异基因的数量(图6)。为了验证转录组测序结果的准确性，采用RT-qPCR检测了9个差异表达基因（DEGs）的表达水平。结果显示，这些基因的表达谱与RNA-seq结果一致(图7)。 5.与内源CK、内源性激素生物合成和信号转导相关的DEGs
图8.与细胞分裂素、生长素、脱落酸、赤霉素、乙烯和茉莉酸盐的生物合成、代谢和信号转导相关的差异表达基因的聚类分析 CPPU处理后，许多CK生物合成和信号相关基因被鉴定为差异表达（图8）。细胞分裂素核糖体5、-单磷酸磷酸核糖水解酶(LOG)和细胞分裂素氧化酶(CKXs)是内源性CK合成和代谢的两个关键调控因子。LOG直接激活tZ -核苷酸和iP-核苷酸成为游离的CKs，而CKXs直接参与CKs的降解。 本研究中，4个LOG基因LOG1、LOG3、LOG5和LOG7在CPPU处理后显著下调，3个CKX基因CKX3、CKX5和CKX7在CPPU处理后显著上调，说明内源CK含量在CPPU处理后具有较强的反馈调节作用。CK信号转导通路也被称为双组分信号系统。本研究发现一些参与CK信号转导的基因存在显著差异表达（图8）。结果表明，细胞分裂素、赤霉素、脱落酸和生长素等植物激素是控制花发生、发育和性别分化的关键调控因子。 6.与花发育相关的DEGs鉴定
图9. CPPU处理后锥栗花器官和花发育调控中DEGs的层次聚类 典型高等植物花器官的发育可分为4个阶段，每个阶段都有不同的基因对花的器官进行调控。大部分ABC花器官调节基因属于MADS-box基因家族。转录组数据显示，16个与花发育相关的基因对CPPU处理有反应(图9)。综上所述，花器官性状的鉴定为了解性别提供了理论依据。 04 研究结论 锥栗是一种雌雄同株的植物，雌雄比低，这限制了它的产量。而植物激素细胞分裂素(CK)在花的发育过程中起着至关重要的作用，尤其是雌蕊的发育。通过外源喷施CPPU，证实了CK对锥栗花发育的雌化作用。此外，通过对CPPU处理的雄性柳絮进行转录组比较分析，研究了CK在性别分化中的作用机制。接下来，利用激素含量与激素合成基因表达之间的Pearson相关性分析，确定了CK和GA合成通路中4个关键基因LOG1、LOG3、LOG7和KO。在茉莉酸与其他激素信号通路的串扰中，鉴定出一个中心基因MYC2, 15个开花相关基因在CPPU处理后表达水平呈显著差异。上述结果表明，CK可与其他植物激素相互作用，并直接作用于花器官识别基因来控制花的性别。这项研究为研究锥栗性别决定的调控网络提供了基本框架，而转录组数据则为锥栗遗传多样性分析和分子辅助育种提供了理论依据。 爱基百客转录组测序正在做开学大促，有相关需求的老师欢迎咨询。 文献下载链接： https://pan.baidu.com/s/1IdBc9aWEwULe5zgrV4yXMw 提取码：2dbw |
