国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

利用WGCNA鑒定花生主莖生長基因共表達模塊

2021-07-19 09:33劉兆新趙繼浩賴華江潘小怡李向東楊東清
作物學(xué)報 2021年9期
關(guān)鍵詞:細胞壁主莖莖稈

汪 穎 高 芳 劉兆新 趙繼浩 賴華江 潘小怡 畢 晨 李向東 楊東清

利用WGCNA鑒定花生主莖生長基因共表達模塊

汪 穎 高 芳 劉兆新 趙繼浩 賴華江 潘小怡 畢 晨 李向東 楊東清*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/ 作物生物學(xué)國家重點實驗室, 山東泰安 271018

以不同主莖高花生品種為材料, 利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)分析莖稈轉(zhuǎn)錄組基因表達的異同, 并結(jié)合加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析(WGCNA), 深入挖掘與主莖生長相關(guān)基因, 深入認識花生莖稈形態(tài)建成的分子機制。結(jié)果表明, 矮稈型Df216與高稈型花育33號相比較共有5872個差異基因; Df216與中間型山花108相比較共有6662個差異基因, 這些差異基因涉及細胞壁和次生細胞壁的生物起源及調(diào)控過程、苯丙烷生物合成及代謝過程、木質(zhì)素生物合成過程、纖維素合酶活性等分子功能。WGCNA鑒定到5個與主莖高呈極顯著相關(guān)的共表達模塊。編碼咖啡酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶、轉(zhuǎn)錄因子ATAF2、WAT1、GDSL脂肪酶等基因是模塊內(nèi)的核心基因。通過篩選權(quán)重值構(gòu)建核心基因的局部網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn), Grey60模塊的核心基因與編碼莽草酸香豆酯/奎酸酯3’-羥化酶、4-香豆酸輔酶A連接酶、羥基肉桂酰輔酶A莽草酸/奎尼酸羥基肉桂酰轉(zhuǎn)移酶、以及快速堿化因子、鋅指蛋白、類COBRA蛋白等基因有較高互作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系; Brown模塊核心基因則與編碼b-1,4-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶、果膠乙酰酯酶、類受體絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶、富含亮氨酸重復(fù)序列的伸展蛋白等基因有較高互作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。相關(guān)模塊與核心基因的挖掘以及基因生物學(xué)功能和互作網(wǎng)絡(luò)的解析有助于揭示花生主莖生長的遺傳基礎(chǔ)。

花生; 主莖高; 轉(zhuǎn)錄組; 加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò); 核心基因

株型是指作物的形態(tài)特征及其空間的排列方式,不同株型顯著影響作物的產(chǎn)量形成[1]。花生株型結(jié)構(gòu)由主莖高、側(cè)枝長以及分枝夾角等組成, 其中主莖高是決定株型指數(shù)的重要因子之一。當前我國主推花生品種多為直立緊湊型, 其雙仁率高, 結(jié)果集中, 適宜密植栽培, 但因其主莖較高, 易倒伏, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需噴施外源生長調(diào)節(jié)劑調(diào)控株高[2]。因此開展花生株高調(diào)控的分子機理研究, 對花生品種選育以及栽培調(diào)控具有重要理論參考意義。

前人對小麥、水稻等禾谷類作物株高相關(guān)基因如、, 以及、、等轉(zhuǎn)錄因子基因開展了大量研究, 這些基因多與赤霉素、油菜素內(nèi)酯等植物激素合成代謝和其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)[3-8]。近年來組學(xué)技術(shù)和生物信息學(xué)迅速發(fā)展, 在基因發(fā)掘與功能鑒定、作物品種改良、作物抗逆性等方面提供了新思路和新方法[9-12]。Wang等[13]通過轉(zhuǎn)錄組與精細定位聯(lián)合分析確定了控制油菜株高的新候選基因。馬娟等[14]通過轉(zhuǎn)錄組與加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析(weighted correlation network analysis, WGCNA)結(jié)合挖掘了與玉米株高顯著相關(guān)的核心基因及其互作網(wǎng)絡(luò)。巨飛燕等[15]利用WGCNA篩選與棉花果枝伸長相關(guān)的模塊發(fā)現(xiàn), JAZ類基因是控制節(jié)間伸長的關(guān)鍵基因。前人利用數(shù)量性狀定位和全基因組關(guān)聯(lián)分析方法對花生莖高遺傳開展了相關(guān)研究。Huang等[16]利用花生重組自交系(recombinant inbred lines, RIL)群體定位了8個與主莖高相關(guān)的QTL位點。Zhang等[17]檢測到13個與主莖高顯著相關(guān)SNPs。針對花生株型、莖高等方面的研究已有部分報道[18-20], 但關(guān)于挖掘主莖生長調(diào)控的關(guān)鍵基因及其互作網(wǎng)絡(luò)的研究還尚缺乏。本研究以高稈型花育33號、中間型山花108和矮稈型Df216為材料, 在莖稈生長期考察不同品種莖稈生長動態(tài)差異, 利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)分析不同莖高植株莖稈轉(zhuǎn)錄組異同, 并結(jié)合WGCNA劃分基因模塊, 深入挖掘與主莖生長相關(guān)的基因及調(diào)控網(wǎng)絡(luò), 以期為花生主莖的生長調(diào)控機制研究和花生株型育種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019年花生生長季在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗農(nóng)場(36°9′N, 117°9′E)進行。試驗地耕層(0~20 cm)土壤含有機質(zhì)13.06 g kg-1、全氮10.70 g kg-1、堿解氮70.31 mg kg-1、速效磷42.09 mg kg-1、速效鉀57.50 mg kg-1。供試品種材料為直立高稈品種花育33號、直立中間型品種山花108、矮稈花生Df216。小區(qū)面積為10.8 m2(4.0 m × 2.7 m), 隨機排列。播種前施復(fù)合肥750 kg hm-2。于2019年5月8日起壟覆膜穴播方式種植(每個小區(qū)起3壟, 每壟種植2行, 壟面行距0.3 m), 每穴2株, 穴距16 cm。2019年9月11日收獲。為與自然條件下的高稈(花育33號)、矮稈品種(Df216)做對比, 進一步明確莖稈生長轉(zhuǎn)錄組基因表達特點, 選取中間型品種山花108設(shè)置2個外源激素處理: 出苗后55 d, 以不噴施為對照, 對山花108噴施濃度為150 mg L-1的多效唑(PP333)和100 mg L-1的赤霉素(GA3), 用量均為100 mL m-2。生長期田間管理同一般高產(chǎn)田。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 花生株高測定 花生播種出苗后, 每隔10 d, 用直尺測定子葉節(jié)至主莖生長點的長度, 即為花生主莖高。

1.2.2 花生莖稈RNA的提取、純化、質(zhì)檢和文庫構(gòu)建及其數(shù)據(jù)分析 花生播種后60 d, 取3個品種及分別噴施外源PP333和GA3的山花108共5組材料的莖稈, 每組材料3次生物學(xué)重復(fù), 共計15個樣品。剪取植株主莖中部1 cm長度莖稈, 液氮中速凍30 min,-80℃保存, 用于提取莖稈總RNA, 瓊脂糖凝膠電泳分析RNA的完整性及是否存在DNA污染; 采用NanoPhotometer分光光度計檢測RNA純度; 采用Qubit 2.0熒光計測量RNA濃度; 經(jīng)Agilent 2100電泳質(zhì)檢合格后使用, 合格的RNA可用于后續(xù)試驗。通過Oligo(dT)磁珠與mRNA的ployA尾結(jié)合, 富集真核生物的mRNA, 然后將mRNA隨機打斷。

以片段化的mRNA為模板, 使用六堿基隨機引物, 在M-MuLV逆轉(zhuǎn)錄酶體系中合成cDNA第1條鏈。隨后用RNaseH降解RNA鏈, 并在DNA polymerase I體系下, 以dNTPs為原料合成cDNA第2條鏈。純化后的雙鏈cDNA經(jīng)過末端修復(fù)、加A尾并連接測序接頭。用AMPure XP beads篩選200 bp左右的cDNA, 進行PCR擴增并再次使用AMPure XP beads純化PCR產(chǎn)物, 最終獲得文庫。構(gòu)建完成后, 使用Qubit 2.0熒光計定量。把文庫稀釋至1.5 ng μL-1后, 使用Agilent 2100生物分析儀對文庫的插入片段進行檢測。如果插入片段長度符合預(yù)期, 再用實時熒光定量PCR對文庫有效濃度進行準確定量(文庫有效濃度高于2 nmol L-1), 庫檢合格后用Illumina HiSeq平臺進行測序。高通量測序儀得到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)CASAVA堿基識別轉(zhuǎn)化為序列數(shù)據(jù)(raw reads)。對原始數(shù)據(jù)進行去除帶接頭、poly-N及低質(zhì)量reads后獲得高質(zhì)量clean reads。并對Q20、Q30、GC含量及重復(fù)序列水平進行統(tǒng)計; 將clean reads用HISAT2軟件與花生參考基因組(https://peanutbase. org/data/public/Arachis_hypogaea/Tifrunner.gnm1.KYV3/)進行基因比對。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

用DPS7.05軟件對株高數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性檢驗, 用Origin2017繪圖。通過FPKM方法計算基因的表達量, 隨后用Deseq2進行差異基因的篩選。篩選條件為兩基因之間的-value < 0.05, Fold change ≤2或≤0.5 (表達上調(diào)或下調(diào))。使用R軟件語言包clusterProfiler進行差異基因GO功能分析; WGCNA包構(gòu)建基因共表達網(wǎng)絡(luò)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種材料的表型差異與主莖生長動態(tài)差異分析

3個品種材料莖高、分枝長差異明顯(圖1-A)。隨播種后天數(shù)增加, 各品種及處理的主莖生長均呈S型曲線(圖1-B), 播種后10~30 d, 主莖生長緩慢; 40~70 d, 主莖生長迅速, 80~90 d趨于最大主莖高。其中播種后60 d, 山花108與Df216的主莖高均顯著低于花育33號, 分別低22.2%和66.3%。與山花108對照相比, 噴施外源GA3可顯著提高主莖長, 而噴施多效唑可顯著降低主莖高。

2.2 轉(zhuǎn)錄組差異表達基因分析

轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)結(jié)果表明, 矮稈Df216與高稈花育33號相比共有5872個差異基因, 其中上調(diào)基因2753個, 下調(diào)基因3119個; Df216與山花108相比共有6662個差異基因, 其中上調(diào)基因2996個, 下調(diào)基因3666個; 中間型山花108與花育33號相比共有3832個差異基因, 其中上調(diào)基因1673個, 下調(diào)基因2159個(圖2-A)。3個比較組共有的差異轉(zhuǎn)錄基因數(shù)目為270個(圖2-B)。

PP333: 噴施多效唑的山花108; GA3: 噴施赤霉素的山花108。

PP333: Shanhua 108 sprayed with paclobutrazol; GA3: Shanhua 108 sprayed with gibberellin.

2.3 差異表達基因的GO分類與富集分析

差異基因GO功能注釋結(jié)果表明, 3個品種兩兩比較獲得GO分類的條目分別有56、54、52個(圖3-A); 3組共有51個GO分類的條目, 包含生物過程、分子功能、細胞組成各26、11、14個(圖3-B)。3組中, 僅有花育33號 vs. Df216比較組特有1個GO分類條目(GO: 0007610)。以校正后的(adjust)值小于0.05為條件, 篩選顯著性的GO條目, 結(jié)果表明花育33號 vs. Df216比較組有42個顯著富集條目, 特有2個顯著富集條目; 山花108 vs. Df216比較組有42個顯著富集條目, 特有7個顯著富集條目; 山花108 vs.花育33號比較組有31個顯著富集條目, 特有6個顯著富集條目(圖3-C, D; 表1)。

3個比較組共有20個顯著富集條目, 主要涉及植物細胞壁及次生細胞壁的生物起源(GO:0042546、GO:0009832和GO:0009834)、細胞壁及次生細胞壁的生物發(fā)生調(diào)控過程(GO:2000652、GO:1903338)、β-葡聚糖生物合成過程與代謝過程(GO:0051274、GO:0051273)、纖維素生物合成與代謝過程(GO:003 0244、GO:0030243)、氨基酸運輸(GO:0006865)等過程(表2)。

表1 不同比較組特有的顯著性GO富集

花育33號 vs. Df216與山花108 vs. Df216兩比較組共有15個顯著富集條目(圖3-D), 主要涉及次生細胞壁生物發(fā)生(GO:0009833)、苯丙烷生物合成及代謝過程(GO:0009698、GO:0009699)、木質(zhì)素生物合成過程(GO:0009809)等生物過程; 以及葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活性(GO:0046527)、UDP-糖基轉(zhuǎn)移酶活性(GO:0035251)、纖維素合酶活性(GO:0016759)等分子功能(圖4)。

2.4 細胞壁形成相關(guān)基因分析

花育33號vs. Df216與山花108 vs. Df216兩比較組富集在次級細胞壁生物發(fā)生和調(diào)控(GO: 0009833和GO:1903338)過程、苯丙烷和木質(zhì)素合成過程(GO:0009699和GO:0009809)的差異基因主要編碼纖維素合酶(cellulose synthase A, CESA)、COBRA-like蛋白、MYB轉(zhuǎn)錄因子、苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase, PAL)、肉桂酸- 4-單加氧酶(cinnamate-4-monooxygenase, CYP 73A)、4-香豆酸輔酶A連接酶(4-coumarate-CoA ligase, 4CL)、肉桂酰輔酶A還原酶(cinnamoyl-CoA reductase, CCR)、莽草酸香豆酯/奎酸酯3’-羥化酶(coumaroyl shikimate/quinate 3’-hydroxylases, C3’H)、咖啡酸3-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(caffeic acid 3-O- methyltransferase, COMT)、阿魏酸5-羥化酶(ferulate-5-hydroxylase, F5H)、咖啡酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(caffeoyl-CoA O-methyltransferase, CcoA OMT)等的基因, 與花育33號和山花108相比, 這些基因在Df216中均顯著下調(diào)(表3)。

表2 不同品種比較組共有的顯著性GO富集

(續(xù)表2)

表3 不同比較組細胞壁形成相關(guān)基因

(續(xù)表3)

2.5 花生基因共表達網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其與株高相關(guān)模塊分析

過濾低表達基因后, 共有35,669個基因用于構(gòu)建加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)基因的表達量進行聚類分析, 檢驗是否有離群樣品, 結(jié)果表明, 15個樣品聚分為3類, 高稈花育33號為一類、噴施PP333和GA3處理的樣品和山花108未噴施處理聚為一類、矮稈Df216為一類(圖5-A)。之后利用pickSoftThreshold函數(shù)計算選擇合適的加權(quán)系數(shù)β。β的選取標準即滿足相關(guān)系數(shù)的平方接近0.85, 同時還需要保證一定的基因連接度(圖5-B)。β值取16來構(gòu)建共表達網(wǎng)絡(luò)。

利用blockwiseModules構(gòu)建網(wǎng)絡(luò), 其中最小模塊大小(minModuleSize)為30, mergeCutHeight=0.25合并相似性為0.75的模塊, 其他參數(shù)按照默認設(shè)置, 結(jié)果如圖6-A所示。不同模塊用不同顏色表示, 共獲得33個模塊(Grey模塊表示未分配到任何模塊的基因), 不同模塊間包含基因數(shù)差異較大。其中, Turquoise模塊包含基因個數(shù)最多, 為14,163個; Darkolivegreen模塊包含基因個數(shù)最少, 為50個(圖6-B)。通過共表達網(wǎng)絡(luò)與株高進行關(guān)聯(lián), 鑒定到與株高極顯著正相關(guān)的模塊Grey60 (0.79), 其次為Cyan (0.76)和Darkolivegreen (0.7); 極顯著負相關(guān)的模塊Brown (-0.81), 其次為Blue (-0.74) (圖6-C)。

表4 模塊核心基因及其功能描述

2.6 模塊核心基因的挖掘與互作網(wǎng)絡(luò)分析

選擇KME (eigengene connectivity)值最大的基因為每個模塊的核心基因, 結(jié)果表明Grey60模塊核心基因()其功能編碼咖啡酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(CCoAOMT); Cyan模塊中()基因編碼轉(zhuǎn)錄因子ATAF2; Brown模塊中()基因編碼GDSL脂肪酶; Blue模塊其核心基因功能尚未鑒定(表4)。

A和B分別表示Grey60和Brown模塊。A and B represent Grey60 and Brown modules, respectively.

表5 與模塊內(nèi)核心基因相關(guān)聯(lián)基因及其功能注釋

(續(xù)表5)

利用Cytoscape軟件選取權(quán)重(weight)值前10的有關(guān)聯(lián)基因進行可視化, 構(gòu)建Grey60和Brown模塊核心基因的互作網(wǎng)絡(luò)(圖7)。與具有較高互作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的基因分別編碼莽草酸香豆酯/奎酸酯3-羥化酶(C3’H)、4-香豆酸輔酶A連接酶(4CL)、羥基肉桂酰輔酶A莽草酸/奎尼酸羥基肉桂酰轉(zhuǎn)移(HCT)、以及快速堿化因子(RALF)、鋅指蛋白、類COBRA蛋白等; 與具有較高互作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的基因則分別編碼β-1,4-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶(GALS3)、果膠乙酰酯酶(PAE)、類受體絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(FEI1)、富含亮氨酸重復(fù)序列的伸展蛋白(LRXs)、堿性亮氨酸拉鏈蛋白(bZIP34)等的基因(表5)。

3 討論

3.1 莖稈生長相關(guān)基因的分析

莖稈的形成是莖端分生組織活動的結(jié)果, 莖稈生長受遺傳基因調(diào)控[21]。20世紀, 以培育矮稈、半矮稈品種為核心的“綠色革命”使小麥、水稻等作物產(chǎn)量獲得了大幅提高[22], 一系列矮稈基因得到廣泛研究和利用[23-24]。本研究利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)分析3種不同莖高品種莖稈基因表達差異發(fā)現(xiàn), 差異基因主要涉及初生和次生細胞壁的生物起源及調(diào)控過程、β-葡聚糖生物合成過程與代謝過程、纖維素生物合成與代謝過程、苯丙烷生物合成及代謝過程、木質(zhì)素生物合成等過程, 表明這些生物學(xué)活動與莖稈生長、株高的形成相關(guān)。與禾谷類作物類似, 花生莖稈化學(xué)成分主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠質(zhì)等[25-26]。前人研究發(fā)現(xiàn), 纖維素合酶(CESA)突變體的植株基因表達量降低, 纖維素含量減少, 導(dǎo)致植株矮化[27]。木質(zhì)素合成相關(guān)酶如苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-單加氧酶(CYP73A)、4-香豆酸輔酶A連接酶(4CL)、肉桂酰輔酶A還原酶(CCR)、莽草酸香豆酯/奎酸酯3’-羥化酶(C3’H)、咖啡酸3-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)、阿魏酸5-羥化酶(F5H)、咖啡酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(CCoAOMT)等突變體或其編碼基因表達下調(diào)后, 木質(zhì)素含量降低, 植株表型也呈矮化; 而過表達上述酶后莖明顯增高[28-29]。本研究結(jié)果表明, 與高稈的花育33號及中間型山花108相比, 矮稈Df216中編碼細胞壁CESA基因、上述木質(zhì)素合成酶等基因均顯著下調(diào), 這可能是由于與其編碼類COBRA蛋白及轉(zhuǎn)錄因子MYB的相關(guān)基因也顯著下調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)COBRA蛋白是一種胞外GPI錨定蛋白, 其基因表達與CESA基因表達高度相關(guān), 影響細胞壁纖維素合成與細胞伸長, 進而調(diào)控莖稈生長影響株高[30-31]。MYB轉(zhuǎn)錄因子家族在植物生長發(fā)育及代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用[32], 尤其細胞壁中苯丙烷代謝和木質(zhì)素合成受多種MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控[33]。例如MYB1負向調(diào)控木質(zhì)素合成及細胞壁形成, MYB2則相反[34]。Zhang等[35]研究發(fā)現(xiàn), 超量表達轉(zhuǎn)錄因子后, 水稻株高增高。這表明Df216受類COBRA蛋白和轉(zhuǎn)錄因子MYB的共同調(diào)控, 二者影響CESA及木質(zhì)素酶基因的表達, 使細胞生長所需纖維素、木質(zhì)素等合成受阻, 這是導(dǎo)致其莖稈生長緩慢, 株高較低的原因。

3.2 莖稈生長相關(guān)共表達模塊的鑒定

加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析(WGCNA)是一種描述基因關(guān)聯(lián)模式的生物信息學(xué)分析方法, 可快速提取出與樣品特征相關(guān)的基因共表達模塊[36]。前人利用WGCNA分析了玉米株高形成等的共表達基因模塊[14, 37], 這為挖掘花生莖稈生長調(diào)控基因和模塊提供了一定參考。本研究利用WGCNA方法對不同莖高花生轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)構(gòu)建了加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò),鑒定到與主莖高呈極顯著相關(guān)的共表達模塊: Grey60、Cyan、Darkolivegreen、Brown和Blue。根據(jù)模塊內(nèi)基因的連接度, 編碼CCoAOMT、轉(zhuǎn)錄因子ATAF2、(WAT1)、GDSL脂肪酶的基因分別是Grey60、Cyan、Darkolivegreen、Brown模塊的核心基因, 但Blue模塊其核心基因功能尚未鑒定到。ATAF2是一種NAC轉(zhuǎn)錄因子, NAC在植物衰老、激素應(yīng)答、脅迫反應(yīng)等發(fā)育過程中起重要作用[38]。直接調(diào)控水稻赤霉素合成關(guān)鍵酶如KO與KAO等基因表達, 進而調(diào)節(jié)水稻莖稈生長[39]。編碼一種生長素運載體, 其突變體會導(dǎo)致擬南芥次生細胞壁纖維厚度顯著降低[40]。GDSL脂肪酶也參與植物細胞伸長[41]。通過權(quán)重值, 本研究構(gòu)建了Grey60和Brown模塊核心基因的互作網(wǎng)絡(luò), 基因功能注釋顯示, 與Grey60核心基因具有較高互作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的基因分別編碼C3’H、4CL和HCT, 以及編碼快速堿化因子(RALF)、鋅指蛋白和類COBRA蛋白等。RALF可通過FERONIA/RIPK受體激酶復(fù)合體控制植物細胞的伸長[42]。Huang等[43]的研究發(fā)現(xiàn), 水稻中鋅指蛋白OsIDD2可調(diào)控木質(zhì)素合成相關(guān)酶CAD等的基因表達, 影響次生細胞壁形成。這表明Grey60模塊與細胞壁木質(zhì)素合成相關(guān), 且受RALF、鋅指蛋白和類COBRA蛋白多個因子調(diào)控。與Brown核心基因具有較高互作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的基因為編碼β-1,4-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶(GALS3)、果膠乙酰酯酶(PAE)、類受體絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(FEI1)、富含亮氨酸重復(fù)序列的伸展蛋白(LRXs)等基因。GALS3和PAE是果膠合成的重要酶, 其基因的表達可調(diào)控次生細胞壁的形成和細胞壁的展延性[44-46]。FEI1和FEI2是富含亮氨酸重復(fù)序列類受體類激酶, 介導(dǎo)的信號通常會經(jīng)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子傳遞到參與細胞壁形成的基因[47]。LRXs參與細胞壁的形成與組裝, 超量表達后細胞伸長停止, 導(dǎo)致細胞體積減小, 株高降低[48]。這表明Brown模塊與細胞壁果膠合成相關(guān), 且受FEI1和LRXs蛋白介導(dǎo)調(diào)控。

4 結(jié)論

不同莖高花生莖稈轉(zhuǎn)錄組差異基因涉及細胞壁及次生細胞壁纖維素和木質(zhì)素生物合成過程等生物活動。利用WGCNA方法構(gòu)建了花生株高的加權(quán)共表達網(wǎng)絡(luò), 得到極顯著關(guān)聯(lián)模塊5個, 且鑒定了關(guān)聯(lián)模塊內(nèi)核心基因, 并解析了其基因網(wǎng)絡(luò)關(guān)系, 顯示轉(zhuǎn)錄因子ATAF2和MYB、快速堿化因子、類COBRA蛋白、鋅指蛋白、伸展蛋白、類受體類激酶等介導(dǎo)參與了細胞壁纖維素、木質(zhì)素和果膠的合成。

[1] Reinhardt D, Kuhlemeier C. Plant architecture., 2002, 3: 846–851.

[2] 張佳蕾, 郭峰, 張鳳, 楊莎, 耿耘, 孟靜靜. 提早化控對高產(chǎn)花生個體發(fā)育和群體結(jié)構(gòu)影響. 核農(nóng)學(xué)報, 2018, 32: 2216–2224.

Zhang J L, Guo F, Zhang F, Yang S, Geng Y, Meng J J. Effects of earlier chemical control on ontogeny and population structure of high yield peanut., 2018, 32: 2216–2224 (in Chinese with English abstract).

[3] Flintham J E, B?rner A, Worland A J, Gale M D. Optimizing wheat grain yield: effects of(gibberellin-insensitive) dwarfing genes., 1997, 128: 11–25.

[4] Wu J, Kong X Y, Wan J M, Liu X Y, Zhang X, Guo X P, Zhou R H, Zhao G Y, Jing R L, Fu X D, Jia J Z. Dominant and pleiotropic effects of agene in wheat results from a lack of interaction betweenand., 2011, 157: 2120–2130.

[5] Nakamura A, Fujioka S, Sunohara H, Kamiya N, Hong Z, Inukai Y, Miura K, Takatsuto S, Yoshida S, Ueguchi-Tanaka M, Hasegawa Y, Kitano H, Matsuoka M. The role ofand its homologous genes,and, in rice., 2006, 140: 580–590.

[6] Chen W W, Cheng Z J, Liu L L, Man M, You X M, Wang J, Zhang F, Zhou C L, Zhang Z, Zhang H, You S M, Wang Y P, Luo S, Zhang J H, Wang J L, Wang J, Zhao Z C, Guo X P, Lei C L, Zhang X, Lin Q B, Ren Y L, Zhu S S, Wan J M., encoding an HD-Zip II family transcription factor, regulates plant development by modulating gibberellin biosynthesis in rice., 2019, 288: 110208.

[7] Zhang Y X, Yu C S, Lin J Z, Liu J, Liu B, Wang J, Huang A B, Li H Y, Zhao T.regulates plant height and improves grain yield in rice., 2017, 12: e0180825.

[8] Chen X, Lu S C, Wang Y F, Zhang X, Lu B, Luo L Q, Xi D D, Shen J B, Ma H, Ming F. OsNAC2encoding a NAC transcription factor that affects plant height through mediating the gibberellic acid pathway in rice., 2015, 82: 302–314.

[9] Langridge P, Fleury D. Making the most of ‘omics’ for crop breeding., 2011, 29: 33–40.

[10] Van Emon J M. The omics revolution in agricultural research., 2016, 64: 36–44.

[11] Edwards D, Batley J. Plant bioinformatics: from genome to phenome., 2004, 22: 232–237.

[12] Mochida K, Shinozaki K. Genomics and bioinformatics resources for crop improvement., 2010, 51: 497–423.

[13] Wang X D, Zheng M, Liu H F, Zhang L, Chen F, Zhang W, Fan S H, Peng M L, Hu M L, Wang H Z, Zhang J F, Hua W. Fine-mapping and transcriptome analysis of a candidate gene controlling plant height inL., 2020, 13: 42.

[14] 馬娟, 曹言勇, 王利鋒, 李晶晶, 王浩, 范艷萍, 李會勇. 利用WGCNA鑒定玉米株高和穗位高基因共表達模塊. 作物學(xué)報, 2020, 46: 385–394.

Ma J, Cao Y Y, Wang L F, Li J J, Wang H, Fan Y P, Li H Y. Identification of gene co-expression modules of maize plant height and ear height by WGCNA., 2020, 46: 385–394 (in Chinese with English abstract).

[15] 巨飛燕, 張思平, 劉紹東, 馬慧娟, 陳靜, 葛常偉, 沈倩, 張小萌, 劉瑞華, 趙新華, 張永江, 龐朝友. 利用WGCNA進行棉花果枝節(jié)間伸長相關(guān)基因共表達模塊鑒定. 棉花學(xué)報, 2019, 31: 403–413.

Ju F Y, Zhang S P, Liu S D, Ma H J, Chen J, Ge C W, Shen Q, Zhang X M, Liu R H, Zhao X H, Zhang Y J, Pang C Y. Identification of co-expression modules of genes related to internode elongation of cotton fruiting branches by WGCNA., 2019, 31: 403–413 (in Chinese with English abstract).

[16] Huang L, Ren X P, Wu B, Li X P, Chen W G, Zhou X J, Chen Y N, Pandey M K, Jiao Y Q, Luo H Y, Lei Y, Varshney R K, Liao B S, Jiang H F. Development and deployment of a high-density linkage map identified quantitative trait loci for plant height in peanut (L.)., 2016, 6: 39478.

[17] Zhang X G, Zhang J H, He X Y, Wang Y, Ma X L, Yin D M. Genome wide association study of major agronomic traits related to domestication in peanut., 2017, 8: 1611.

[18] 彭振英, 單雷, 田?,? 孟靜靜, 郭峰, 王興軍, 張智猛, 丁紅, 萬書波, 李新國. 利用遠緣雜交培育半匍匐密枝型高產(chǎn)花生新品系. 中國油料作物學(xué)報, 2019, 41: 490–496.

Peng Z Y, Shan L, Tian H Y, Meng J J, Guo F, Wang X J, Zhang Z M, Ding H, Wan S B, Li X G. Breeding of semi-sprawl and dense-branching high yield peanut by distant hybridization., 2019, 41: 490–496 (in Chinese with English abstract).

[19] 魯清, 劉浩, 李海芬, 陳小平, 洪彥彬, 劉海燕, 李少維, 周桂元, 梁炫強. 花生不同株型主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)分析及其對單株產(chǎn)量的影響. 熱帶作物學(xué)報, 2019, 40: 1115–1121.

Lu Q, Liu H, Li H F, Chen X P, Hong Y B, Liu H Y, Li S W, Zhou G Y, Liang X Q. Correlation analysis of main agronomic traits of different plant types and path analysis of yield per plant in peanut (L.)., 2019, 40: 1115–1121 (in Chinese with English abstract).

[20] 彭振英, 單雷, 張智猛, 李新國, 萬書波. 花生株型與高產(chǎn). 花生學(xué)報, 2019, 48(2): 69–72.

Peng Z Y, Shan L, Zhang Z M, Li X G, Wan S B. High yield and plant type of peanut., 2019, 48(2): 69–72 (in Chinese with English abstract).

[21] 胡珀, 韓天富. 植物莖稈性狀形成與發(fā)育的分子基礎(chǔ). 植物學(xué)通報, 2008, 25: 1–13.

Hu P, Han T F. Molecular basis of stem trait formation and development in plants., 2008, 25: 1–13 (in Chinese with English abstract).

[22] Hedden P. The genes of the green revolution., 2003, 19: 5–9.

[23] Würschum T, Langer S M, Longin C F H, Tucker M R, Leiser W L. A modern green revolution gene for reduced height in wheat., 2017, 92: 892–903.

[24] Asano K, Yamasaki M, Takuno S, Miura K, Katagiri S, Ito T, Doi K, Wu J Z, Ebana K, Matsumoto T, Innan H, Kitano H, Ashikari M, Matsuoka M. Artificial selection for a green revolution gene duringrice domestication., 2011, 108: 11034–11039.

[25] 王健, 朱錦懋, 林青青, 李曉娟, 滕年軍, 李振聲, 李濱, 張愛民, 林金星. 小麥莖稈結(jié)構(gòu)和細胞壁化學(xué)成分對抗壓強度的影響. 科學(xué)通報, 2006, 51: 679–685.

Wang J, Zhu J M, Lin Q Q, Li X J, Teng N J, Li Z S, Li B, Zhang A M, Lin J X. Effects of stem structure and cell wall chemical composition on resistance to compressive strength in wheat., 2006, 51: 679–685.

[26] 謝星光, 戴傳超, 蘇春淪, 周家宇, 王宏偉, 王興祥. 內(nèi)生真菌對花生殘茬腐解及土壤酚酸含量的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2015, 35: 3536–3845.

Xie X G, Dai C C, Su C L, Zhou J Y, Wang H W, Wang X X. Effects of endophytic fungus on decay of peanut residues and phenolic acid concentrations in soil., 2015, 35: 3536–3845 (in Chinese with English abstract).

[27] Xie L Q, Yang C J, Wang X L. Brassinosteroids can regulate cellulose biosynthesis by controlling the expression ofgenes in., 2011, 62: 4495–4506.

[28] Muro-Villanueva F, Mao X Y, Chapple C. Linking phenylpropanoid metabolism, lignin deposition, and plant growth inhibition., 2019, 56: 202–208.

[29] Liu Q Q, Luo L, Zheng L Q. Lignins: biosynthesis and biological functions in plants., 2018, 19: 335.

[30] Yeats T H, Bacic A, Johnson K L. Plant glycosylphatidylinositol anchored proteins at the plasma membrane-cell wall nexus., 2018, 8: 649–669.

[31] Dai X X, You C J, Chen G P, Li X H, Zhang Q F, Wu C Y.encodes a COBRA-like protein that affects cellulose synthesis in rice., 2011, 75: 333–345.

[32] Dubos C, Stracke R, Grotewold E, Weisshaar B, Martin C, Lepiniec L. MYB transcription factors in., 2010, 15: 573–581.

[33] Liu J J, Osbourn A, Ma P D. MYB transcription factors as regualtors of phenylpropanoid metabolism in plants., 2015, 8: 689–708.

[34] Legay S, Sivadon P, Blervacq A S, Pavy N, Baghdady, Tremblay L, Levasseur C, Ladouce N, Lapierre C, Séguin A, Hawkins S, Mackay J, Grima-PettenatiJ., an R2R3 MYB transcription factor from eucalyptus negatively regulates secondary cell wall formation inand poplar., 2010, 188: 774–786.

[35] Zhang Y X, Yu C S, Lin J Z, Liu J, Liu B, Wang J, Huang A B, Li H Y, Zhao T. OsMPH1 regulates plant height and improves grain yield in rice., 2017, 12: e0180825.

[36] Langfelder P, Horvath S. WGCNA: an R package for weighted correlation network analysis., 2008, 9: 559.

[37] Wang H S, Gu L J, Zhang X G, Liu M L, Jiang H Y, Cai R H, Zhao Y, Cheng B J. Global transcriptome and weighted gene co-expression network analyses reveal hybrid-specific modules and candidate genes related to plant height development in maize., 2018, 98: 187–203.

[38] Olsen A N, Ernst H A, Leggio L L, Skriver K. NAC transcription factors: structurally distinct, functionally diverse., 2005, 10: 79–87.

[39] Chen X, Lu S C, Wang Y F, Zhang X, Lv B, Luo L Q, Li D D, Shen J B, Ma H, Ming F.encoding a NAC transcription factor that affects plant height through mediating the gibberellic acid pathway in rice., 2015, 82: 302–314.

[40] Ranocha P, Dima O, Nagy R, Felten J, Corratgé-Faillie C, Novák O, Morreel K, Lacombe B, Martinez Y, Pfrunder S Jin X, Renou J P, Thibaud J B, Ljung K, Fischer U, Martinoia E, Boerjan W, Goffner D.WAT1 is a vacuolar auxin transport facilitator required for auxin homoeostasis., 2013, 4: 2625.

[41] 郝曉云, 蔡永智, 錢雯婕, 袁哈利, 李榕, 李鴻彬. 植物GDSL脂肪酶家族研究進展. 植物生理學(xué)報, 2013, 49: 1286–1290.

Hao X Y, Cai Y Z, Qian W J, Yuan H L, Li R, Li H B. Advances in research of GDSL-lipase family in plants., 2013, 49: 1286–1290 (in Chinese with English abstract).

[42] Du C Q, Li X S, Chen J, Chen W J, Li B, Li C Y, Wang L, Li J L, Zhao X Y, Lin J Z, Liu X M, Luan S, Yu F. A Receptor kinase complex transmits RALF peptide signal to inhibit root growth in., 2016, 113: 8326–8334.

[43] Huang P, Yoshida H, Yano K, Kinoshita S, Kawai K, Koketsu E, Hattori M, Takehara S, Huang J, Hirano K, Ordonio R L, Matsuoka M, Ueguchi-Tanaka M. OsIDD2, a zinc finger and INDETERMINATE DOMAIN protein, regulates secondary cell wall formation., 2018, 60: 130–143.

[44] Naran R, Pierce M, Mort A J. Detection and identification of rhamnogalacturonan lyase activity in intercellular spaces of expanding cotton cotyledons., 2007, 50: 95–107.

[45] Liwanag A J M, Ebert B, Verhertbruggen Y, Rennie E A, Rautengarten C, Oikawa A, Andersen M C F, Clausen M H, Scheller H V. Pectin biosynthesis: GALS1 inis a b-1,4-galactan β-1,4-galactosyltransferase., 2012, 24: 5024–5036.

[46] Gou J Y, Miller L M, Hou G C, Yu X H, Chen X Y, Liu C J. Acetylesterase-mediated deacetylation of pectin impairs cell elongation, pollen germination, and plant reproduction., 2012, 24: 50–65.

[47] 張保才, 周奕華. 植物細胞壁形成機制的新進展. 中國科學(xué): 生命科學(xué), 2015, 45: 644–556.

Zhang B C, Zhou Y H. Plant cell wall formation and regulation., 2015, 45: 644–556 (in Chinese with English abstract).

[48] 范春芬, 王艷婷, 彭良才, 豐勝求. 植物細胞壁伸展蛋白的功能與利用. 植物生理學(xué)報, 2018, 54: 1279–1287.

Fan C F, Wang Y T, Peng L C, Feng S Q. Plant extensins function and their potential genetic manipulation in crops., 2018, 54: 1279–1287 (in Chinese with English abstract).

Identification of gene co-expression modules of peanut main stem growth by WGCNA

WANG Ying, GAO Fang, LIU Zhao-Xin, ZHAO Ji-Hao, LAI Hua-Jiang, PAN Xiao-Yi, BI Chen, LI Xiang-Dong, and YANG Dong-Qing*

College of Agronomy, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong, China

This study was investigated the difference of transcriptome using three different peanut varieties with high main stem by RNA-seq. Transcriptomics combined with weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) was used to explore the hub genes related to main stem growth and the molecular mechanisms of morphological formation of peanut stems. Results showed that 5872 differential expressed genes (DEGs) were detected in the Df216 and Huayu 33 comparation group, while 6662 DEGs were detected in the Df216 and Shanhua 108 comparation group. GO analysis suggested that these DEGs were mainly involved in molecular function and biological process, including the primary and secondary cell wall organization and biogenesis, phenylpropanoid biosynthetic and metabolic process, lignin biosynthetic process, and cellulose synthase activity, respectively. There were 33 modules were identified by WGCNA, among which five modules (Grey60, Cyan, Darkolivegreen, Brown, and Blue) were highly significant association with main stem height. According to the connectivity of genes in modules, caffeoyl-CoA O-methyltransferase, transcription factor, WAT1 (), and GDSL esterase/lipasewere the hub genes, respectively. The results of hub gene networks by weighted values indicated that coumaroylquinate 3’-monooxygenase, 4-coumarate-CoA ligase, shikimate O-hydroxycinnamoyltransferase, rapid alkalinization factor,-like protein, and zinc finger protein had high connections within the Grey60 module, while β-1,4-galactosyltransferase, LRR receptor-like serine/threonine-protein kinase, pectin acetylesterase, leucine-rich repeat extensin-like proteinhad high connections within the Brown module. The identification of co-expression modules and their hub genes, and the analysis of gene function and gene networks of key genes will be helpful for revealing the genetic basis of the main height in peanut.

peanut; plant height; transcriptome; weighted gene co-expression network; hub gene

10.3724/SP.J.1006.2021.04223

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目“大田經(jīng)濟作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的生理基礎(chǔ)與調(diào)控” (2018YFD1000900), 山東省重大科技創(chuàng)新工程項目(2018YFJH0601-3), 山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目(SD2019ZZ11)和山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系花生創(chuàng)新團隊首席專家專項基金(SDAIT-04-01)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China “Physiological Basis and Agronomic Management for High-quality and High-yield of Field Cash Crops” (2018YFD1000900), the Shandong Key Research and Development Program (2018YFJH0601-3), the Shandong Agricultural Application Technology Innovation Project (SD2019ZZ11), and the Shandong Modern Agricultural Industrial Technology System Peanut Innovation Team Chief Expert Special Fund (SDAIT-04-01).

楊東清, E-mail: chengyang2364@sdau.edu.cn

E-mail: 15610413063@163.com

2020-10-02;

2021-01-21;

2021-02-20.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210220.1422.008.html

猜你喜歡
細胞壁主莖莖稈
不同來源小麥品種主要產(chǎn)量性狀的比較分析
金蕎麥收集系株型相關(guān)性狀遺傳變異分析
水稻莖稈接觸物理參數(shù)測定與離散元仿真標定
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在細胞壁miRNA功能研究中取得新進展
四川玉米生理成熟后抗倒性能變化及其影響因素*
甘藍型油菜雙主莖YD 4899的選育及表型性狀比較分析
植物果膠甲酯酶與果膠甲酯酶抑制子研究進展
植物初生細胞壁纖維素晶體結(jié)構(gòu)新特征(2020.9.19 Plant Biotechnology Journal)
種植密度對煙草主莖中化學(xué)成分運輸與儲存的影響
抗生素
库尔勒市| 京山县| 洛宁县| 德州市| 廊坊市| 鄂尔多斯市| 文安县| 仁布县| 永安市| 安仁县| 牟定县| 和顺县| 桃江县| 孟州市| 竹山县| 大方县| 美姑县| 福泉市| 饶平县| 肥城市| 金华市| 洪洞县| 和硕县| 五指山市| 连江县| 克什克腾旗| 星子县| 鸡泽县| 崇左市| 桦川县| 常宁市| 五原县| 广安市| 临城县| 鹿邑县| 漠河县| 津市市| 巴塘县| 华坪县| 永平县| 秦安县|