謝 威,劉天奇,張雪晴,張時(shí)煜,高紅秀,金正勛,張忠臣,姜振峰
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,哈爾濱 150030)
水稻是最重要的糧食作物之一,是全國60%以上人口的主要食物來源[1]。水稻分蘗期是由秧田向本田過渡的生長關(guān)鍵期,這一時(shí)期的生長對水稻的總產(chǎn)量有重要影響[2-6]。張洪程等[7-9]研究表明,水稻從拔節(jié)一直到成熟期的干物質(zhì)積累量對產(chǎn)量產(chǎn)生正向影響。另外,水稻分蘗期的栽培調(diào)控會(huì)導(dǎo)致稻米中直鏈淀粉含量下降,從而提高稻米品質(zhì)[10]。
淀粉是稻米中最重要的能量儲存物質(zhì)[1],其合成涉及一系列酶,包括顆粒結(jié)合淀粉合酶(GBSS)、可溶性淀粉合酶(SSS)、分支酶(SBE)、脫分支酶(DBE)、異淀粉酶(ISA)等,對應(yīng)基因有20多個(gè)[1,11]。淀粉合酶已鑒定出5個(gè)亞家族,包括顆粒結(jié)合淀粉合酶(GBSS)、淀粉合酶Ⅰ(SSⅠ)、淀粉合酶Ⅱ(SSⅡ)、淀粉合酶Ⅲ(SSⅢ)和淀粉合酶Ⅳ(SSⅣ)。直鏈淀粉的合成必須經(jīng)過GBSS的催化,Dian等[12]研究水稻淀粉合成時(shí)發(fā)現(xiàn)基因GBSSⅡ。水稻儲藏器官中的直鏈淀粉含量主要由GBSSⅠ控制[13],水稻營養(yǎng)器官中的瞬時(shí)淀粉含量由GBSSⅡ調(diào)控[14]。SSⅠ與支鏈淀粉的極短鏈合成有關(guān),SSⅢ與長B1和B2鏈合成有關(guān)[11]。Commuri等[15]在研究玉米時(shí)發(fā)現(xiàn),SSⅠ對支鏈淀粉親和力強(qiáng),直鏈淀粉次之,對糖原的親和力最低。SSⅡa參與水稻A + B1鏈的合成[11],為一種主效基因,調(diào)控稻米的糊化溫度[16],Umemoto等[17]將SSⅡa定位在水稻的第6號染色體短臂上的ALK位點(diǎn)。有研究指出,GBSSⅠ除有催化直鏈淀粉合成的功能外,對支鏈淀粉的合成也有一定影響[1]。ISA1、ISA2和ISA3是水稻異淀粉酶(ISA)的3種同工型。ISA1在水稻的根莖葉中未發(fā)現(xiàn)表達(dá),在水稻早期胚乳發(fā)育中進(jìn)行表達(dá)[18],而ISA2在水稻葉片與胚乳中進(jìn)行表達(dá),ISA3則主要在水稻葉片中進(jìn)行表達(dá)[19]。
有研究發(fā)現(xiàn)與水稻產(chǎn)量相關(guān)的因素對水稻的糖代謝有影響[20]。有報(bào)道稱,參與蔗糖代謝的基因有OsINV3和OsINV2等[21],在水稻中已鑒定出5個(gè)蔗糖共運(yùn)體基因家族成員,分別為OsSUT1、OsSUT2、OsSUT3、OsSUT4和OsSUT5[22]。
盡管與淀粉合成相關(guān)基因的功能有諸多報(bào)道,但在水稻分蘗期葉片中行使功能的淀粉合成相關(guān)基因的報(bào)道還很少,且水稻淀粉合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系尚不清楚。本研究對分蘗期‘五優(yōu)稻4號’(‘WYD4’)的葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析,為揭示淀粉合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和水稻分蘗期的栽培調(diào)控提供分子水平的依據(jù)。
試驗(yàn)在哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽場進(jìn)行。首先將水稻品種‘五優(yōu)稻4號’(‘WYD4’)種子用30%次氯酸鈉滅菌30 min后放入錐形瓶中,然后用0.6%的硝酸在室溫下處理以打破休眠狀態(tài),移入30 ℃培養(yǎng)箱催芽,在溫室中播種。三葉一心期移栽至0.24 m2的白盆中,插秧規(guī)格為每穴3株苗,插秧方式為10 cm×10 cm。
盆栽土壤的pH為7.52,基礎(chǔ)肥力為全氮 1.51 g/kg、速效氮158.76 mg/kg、速效磷50.65 mg/kg、速效鉀177.68 mg/kg、有機(jī)質(zhì)3.11%?;蕿榧兊?2 kg/hm2、純磷90 kg/hm2和純鉀72 kg/hm2,移栽后7 d施加分蘗肥,分蘗肥為純氮54 kg/hm2,水分管理為常規(guī)管理。在分蘗期氮素處理后第7天、第14天和第21天設(shè)置3次生物重復(fù),以確保試驗(yàn)的可靠性。
在分蘗期氮素處理后第7天、第14天和第21天拍照,分別收集每株苗頂部第一片完全展開的葉片并保存在已標(biāo)記Nt7d,Nt14d,Nt21d的試管中,置于液氮中凍存0.5 h后在干冰保存下快遞至浙江安諾優(yōu)達(dá)生物科技有限公司,進(jìn)行RNA提取和轉(zhuǎn)錄組分析。利用Qubit 3.0熒光儀(Life technologies,CA,USA)進(jìn)行 RNA純度和濃度的測定,并用Agilent 2100 RNA Nano 6000檢測試劑盒(Agilent technologies,CA,USA)對 RNA樣品的完整性和濃度進(jìn)行分析。聚類分析(Clustering)與測序使用 HiSeq PE Cluster Kit v4-cBot-HS(Illumia)試劑在 cBot 上完成。隨后利用 HiSeq 測序平臺獲得150 bp的雙端測序Reads數(shù)據(jù)。最后通過GffCompare將RNA-seq數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)錄組與參考轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行比對,結(jié)合HTSeqv 0.6.0 Reads計(jì)數(shù)(http://www-huber.embl.de/users/anders/HTSeq/doc/overview)計(jì)算FPKM(每千堿基每米的片段映射讀數(shù)),從而估計(jì)每個(gè)樣本中基因的表達(dá)水平。
利用DESeq2方法檢測在基因表達(dá)水平基礎(chǔ)上的差異表達(dá)基因,得到P值,然后根據(jù)Benjamini 和 Hochberg 方法校正控制假陽性。差異基因篩選主要參考差異倍數(shù)值(FoldChange)以及q值(padj值,矯正之后的P值)作為相關(guān)指標(biāo),通常選取|lb FoldChange|≥1和q< 0.05的差異基因作為顯著差異基因?;蚬δ苊枋鰠⒖糡he Rice Annotation Project Database(rapdb.dna.affrc.go.jp)。
首先,通過 GO(Gene ontology,http://geneontology.org/)功能顯著性富集分析確定差異表達(dá)基因行使的主要生物學(xué)功能。根據(jù)計(jì)算注釋到每個(gè)GO條目中的差異表達(dá)基因數(shù)目,應(yīng)用超幾何檢驗(yàn),找出與整個(gè)基因組背景相比,差異表達(dá)基因顯著富集的GO 條目,其篩選標(biāo)準(zhǔn)為q≤ 0.05。其次,利用KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,http://www.kegg.jp/)找出差異表達(dá)基因中顯著性富集的Pathway。對KEGG中每個(gè)Pathway應(yīng)用超幾何檢驗(yàn)進(jìn)行富集分析,找出差異表達(dá)基因中顯著性富集的Pathway,并對每個(gè)比較組進(jìn)行q值的KEGG條目分析和作圖。
利用 STRING 蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)庫(http://string-db.org/)將目標(biāo)基因集直接映射到水稻的蛋白互作網(wǎng)絡(luò)。然后將蛋白互作網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入 Cytoscape 軟件,并根據(jù)目標(biāo)基因集中的基因?qū)傩赃M(jìn)行互作網(wǎng)絡(luò)的可視化編輯。
表和圖的數(shù)據(jù)分析與處理利用WPS Office(11.1.0.9339)及Adobe Photoshop(13.0 20120315)完成。
從第7天、第14天和第21天WYD4的分蘗期表型可以看出,WYD4的群體長勢越來越旺盛,冠層覆蓋度越來越高(圖1)。這個(gè)結(jié)果為采集分蘗期WYD4葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析提供了表型基礎(chǔ)。
通過對第7天、第14天和第21天的9個(gè)分蘗期WYD4葉片樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,將Raw data經(jīng)數(shù)據(jù)過濾后分別產(chǎn)生45 454 356、42 789 826、47 737 496、41 771 146、42 587 134、40 932 800、44 273 324、43 704 008和45 662 926個(gè)Clean reads,且Q30為92.67%~93.31%。將過濾后的測序序列進(jìn)行基因組定位分析,9個(gè)樣本分別有 97.02%、96.94%、96.76%、96.83%、97.01%、96.90%、96.46%、96.61%和96.68%的Clean reads能夠比對到水稻基因組上(表1)。這些結(jié)果表明轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)產(chǎn)量及質(zhì)量都比較高,可用于進(jìn)一步分析。
表1 測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與質(zhì)量檢測
WYD4葉片在分蘗期共產(chǎn)生12 815個(gè)差異表達(dá)基因(DEGs,Differential expression genes),通過第14天與第7天的對比,有3 962個(gè)上調(diào)差異表達(dá)基因,有3 246下調(diào)差異表達(dá)基因;通過第21天與第14天的對比,有3 374個(gè)上調(diào)差異表達(dá)基因,有5 198個(gè)下調(diào)差異表達(dá)基因;通過第21天與第7天的對比,有3 062個(gè)上調(diào)差異表達(dá)基因,有3 953個(gè)下調(diào)差異表達(dá)基因。在第21天時(shí)達(dá)到差異表達(dá)基因數(shù)目的一個(gè)高峰,且下調(diào)差異表達(dá)基因數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上調(diào)差異表達(dá)基因數(shù)目(圖2-A),這說明WYD4分蘗期的生長調(diào)控機(jī)制是動(dòng)態(tài)變化的,且主要作用在后期。
為了展示不同時(shí)間下WYD4分蘗期DEGs表達(dá)模式的異同,進(jìn)行層次聚類分析并繪制Venn圖和Volcano圖,層次聚類分析展示分蘗期WYD4的DEGs在不同的時(shí)間點(diǎn)的變化模式(圖2-B~2-D),韋恩圖分析顯示,有7 152基因在兩個(gè)時(shí)期差異表達(dá),有1 414個(gè)基因在WYD4整個(gè)分蘗期都發(fā)生差異表達(dá)(圖2-H),從火山圖可以清晰地看出WYD4在不同時(shí)間點(diǎn)差異基因的表達(dá)倍數(shù)和顯著性變化情況(圖2-E~2-G)。這些結(jié)果展示分蘗期WYD4葉片差異基因的變化情況,為揭示水稻分蘗期的生長調(diào)控機(jī)制提供了轉(zhuǎn)錄組水平的參考。
為了分析分蘗期差異表達(dá)基因的功能,對WYD4分蘗期葉片進(jìn)行GO注釋和GO富集分析。結(jié)合(Binding)和催化活性(Catalytic activity)是DEGs在分子功能(Molecular function)方面注釋最多的條目,細(xì)胞組分(Cellular component)是DEGs在細(xì)胞組分(Cell part)方面注釋最多的條目,代謝過程(Metabolic process)和細(xì)胞過程(Cellular process)是DEGs在生物過程(Biological process)方面注釋最多的條目(圖3)。通過對WYD4分蘗期葉片3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的DEGs進(jìn)行GO分析發(fā)現(xiàn),水稻分蘗中期(7~14 d)與前期(0~7 d)的DEGs主要富集在生物調(diào)節(jié)(Biological regulation)、胞質(zhì)部分(Cytoplasmic part)和蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性(Protein serine/threonine kinase activity),水稻分蘗后期(14~21 d)與中期的DEGs主要富集在激酶活性(Kinase activity)、細(xì)胞組分(Cell part)和生物調(diào)節(jié)(Biological regulation),水稻分蘗后期與前期的DEGs主要富集在氧化還原酶(Oxidoreductase activity)、細(xì)胞組分(Cell part)和刺激反應(yīng)(Response to stimulus)(圖4)。
這些結(jié)果表明細(xì)胞組分(Cellular component)是分蘗期 WYD4葉片中DEGs主要集中的部分,這可能是因?yàn)榉痔Y期屬于水稻營養(yǎng)生長最旺盛的階段,是株型構(gòu)建的關(guān)鍵時(shí)期,參與該時(shí)期細(xì)胞形成的差異表達(dá)基因較多。
通過KEGG富集分析WYD4分蘗期葉片,發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間點(diǎn)的DEGs主要集中在淀粉與蔗糖代謝(Starch and sucrose metabolism)、氨基糖與核苷酸糖代謝(Amino sugar and nucleotide sugar metabolism)、碳代謝(Carbon metabolism)和核糖體(Ribosome)等途徑(圖5)。其中淀粉與蔗糖代謝途徑在WYD4整個(gè)分蘗期都達(dá)到顯著富集水平,這說明淀粉與蔗糖代謝途徑在水稻的分蘗期尤為重要。
通過對淀粉與蔗糖的代謝途徑的差異表達(dá)基因在分蘗期WYD4水稻葉片中的表達(dá)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),有6個(gè)基因在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)都差異表達(dá),分別是PGI2(LOC_Os06g14510)、OsAGPS1(LOC_Os09g12660)、GBSS1(LOC_Os06g04200)、glgP(LOC_Os03g55090)、ISA2(LOC_Os05g32710)和ISA3(LOC_Os09g29404)(圖6)。
這些基因隨著時(shí)間推移,都呈先升高后降低的表達(dá)模式,表明這些關(guān)鍵基因在水稻的分蘗中期起到重要的調(diào)控作用。
為了詳細(xì)了解淀粉與蔗糖途徑在WYD4分蘗期轉(zhuǎn)錄表達(dá),分析了WYD4分蘗期葉片差異表達(dá)超過2倍的轉(zhuǎn)錄因子。結(jié)果發(fā)現(xiàn),差異表達(dá)倍數(shù)超過2倍的轉(zhuǎn)錄因子共有24個(gè),且全部為上調(diào)表達(dá),分別來自ERF、NAC、HD-ZIP、FAR1、BES1、HB-other、C2H2、WRKY和MIKC等9個(gè)家族,其中ERF和NAC家族的轉(zhuǎn)錄因子在蔗糖與淀粉途徑中表達(dá)基因數(shù)目最多,都為6個(gè)。FAR1家族的SSⅠ(LOC_Os06g06560)差異表達(dá)倍數(shù)最大,在第14天時(shí)差異表達(dá)達(dá)到9.7倍(表2)。進(jìn)一步分析差異表達(dá)超過2倍的轉(zhuǎn)錄因子在水稻分蘗期隨時(shí)間推移的變化情況,發(fā)現(xiàn)GN1_2_3(LOC_Os07g32600)、GN4(LOC_Os07g38930)、GN4(LOC_Os07g43940)、GN5_6(LOC_Os08g23720)、GN5_6(LOC_Os09g09980)、AMY2A(LOC_Os06g49970)、BGLU4(LOC_Os01g67220)、BGLU6(LOC_Os03g11420)、BGLU19(LOC_Os05g30250)、BGLU28(LOC_Os08g39870)、BGLU31(LOC_Os09g33680)BGLU1(LOC_Os01g32364)、malZ(LOC_Os06g46284)、SSⅠ(LOC_Os06g06560)、E3.2.1.2(LOC_Os03g04770)、RSUS1(LOC_Os03g28330)、BGLU16(LOC_Os04g43390)、GH9A3(LOC_Os03g52630)主要在水稻的分蘗前期起作用,E2.4.1.14(LOC_Os10g40324)、XK5(LOC_Os05g44760)、E2.4.1.14(LOC_Os06g42824)、E3.2.1.2(LOC_Os10g41550)主要在水稻分蘗中后期起作用,SSⅡC(LOC_Os10g30156)、scrK(LOC_Os01g66940)在水稻分蘗全期起作用。這說明在淀粉與蔗糖的代謝途徑中,大部分的轉(zhuǎn)錄因子都在水稻分蘗的前期起作用,這可能為水稻的栽培調(diào)控提供新思路。
鑒于轉(zhuǎn)錄因子分析結(jié)果,淀粉與蔗糖代謝途徑的轉(zhuǎn)錄因子多在分蘗前期起作用,因此對前期的轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行互作蛋白的預(yù)測,發(fā)現(xiàn)ERF家族共有203個(gè)互作蛋白;NAC家族共有691個(gè)互作蛋白;FAR1家族共有103個(gè)互作蛋白;BES1家族共有36個(gè)互作蛋白;HB-other家族共有401個(gè)互作蛋白;C2H2共有98個(gè)互作蛋白;WRKY家族共有145個(gè)互作蛋白(表3),但是基于FAR1家族的SSⅠ(LOC_Os06g06560)在水稻分蘗前期差異表達(dá)倍數(shù)為9.7倍,所以對SSⅠ(LOC_Os06g06560)進(jìn)行互作蛋白分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)64個(gè)蛋白與SSⅠ(LOC_Os06g06560)互作,這些蛋白大多數(shù)與淀粉與蔗糖代謝途徑相關(guān),且都在前期差異表達(dá),同時(shí)部分蛋白還在本試驗(yàn)的整個(gè)分蘗期差異表達(dá)。這些結(jié)果說明SSⅠ(LOC_Os06g06560)在水稻分蘗期對淀粉與蔗糖代謝途徑起到極為重要的調(diào)控作用(表4)。
表3 轉(zhuǎn)錄因子的互作蛋白
表4 SSⅠ(LOC_Os06g06560)的互作蛋白
直鏈淀粉和支鏈淀粉含量構(gòu)成水稻淀粉含量,淀粉含量明顯影響稻米RVA譜特征[23],GBSSⅠ是直鏈淀粉合成的關(guān)鍵基因,抑制GBSSⅠ的表達(dá)會(huì)導(dǎo)致直鏈淀粉含量的降低[24];ISA1能夠決定水稻籽粒中的淀粉結(jié)構(gòu)[25-26];ISA3是控制淀粉顆粒降解的基因[27]。已有研究報(bào)道GBSSⅠ、ISA1和ISA3在灌漿期的表達(dá)呈先升高后降低的單峰曲線變化情況[19,28-32],本研究發(fā)現(xiàn),GBSSⅠ、ISA1和ISA3在分蘗期的水稻葉片也呈先升高后降低的單峰曲線變化趨勢;另外,本研究中PGI2(LOC_Os06g14510)、OsAGPS1(LOC_Os09g12660)和glgP(LOC_Os03g55090)在水稻葉片的整個(gè)分蘗期表達(dá)也達(dá)到顯著差異水平,并呈現(xiàn)單峰曲線變化趨勢,但這幾個(gè)基因在分蘗期淀粉蔗糖途徑中的分子功能還有待于進(jìn)一步 完善。
在支鏈淀粉合成過程中,SSⅠ行使著重要的功能。SSⅠ是可溶性淀粉合酶(soluble starch synthase,SS)4個(gè)亞家族中唯一沒有同工型的酶[33],Yasunori等[34]發(fā)現(xiàn)SSⅠ和SSⅢ是水稻胚乳中主要的SS酶,且SSⅠ活性明顯高于SSⅢ活性,SSⅠ活性高達(dá)總SS活性的70%左右。SSⅠ位于水稻的6號染色體上,由15個(gè)外顯子和14個(gè)內(nèi)含子構(gòu)成[35]。吳洪愷等[36]用糯稻為背景構(gòu)建近等基因系,發(fā)現(xiàn)SSⅠ對稻米的RVA譜有顯著影響??荡浞嫉萚37]通過裂區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SSⅠ基因和SSⅢ-1基因間存在互作效應(yīng),同時(shí)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基因間的互作效應(yīng)對GT產(chǎn)生極顯著影響,而對其他RVA譜特征值也產(chǎn)生顯著影響。楊博文等[38]通過回交重組自交系發(fā)現(xiàn)SSⅢ-1和SSⅠ、SSⅠ和PUL的基因互作效應(yīng)在GT有極顯著的影響外,對于其他所有的RVA譜特征值都產(chǎn)生顯著影響,同時(shí)SSⅠ、SSⅢ-1和PUL間的3基因互作效應(yīng)也對GT有極顯著影響。Nakamura等[39]在體外進(jìn)行酶促反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)SS酶中的SSⅠ與BEs酶存在相互作用。Crofts等[40]進(jìn)行淀粉合成相關(guān)酶分析時(shí)發(fā)現(xiàn)水稻胚乳中的蛋白復(fù)合物存在SSⅠ、SSⅡa、BEⅡb、ISA、PUL和Phol。Chen等[41]發(fā)現(xiàn)SSⅠ和PUL,SSⅠ和BEs間存在蛋白互作,且因水稻品種不同蛋白互作模式也不相同。陳雅玲等[1]通過STRING 網(wǎng)站預(yù)測SSs家族可能與BEs家族和DBEs家族存在互作關(guān)系,但沒有試驗(yàn)進(jìn)行證實(shí)。邱獻(xiàn)錕等[42]發(fā)現(xiàn)SS酶在水稻灌漿期活性表現(xiàn)的越早越高,越容易促進(jìn)蔗糖與淀粉的轉(zhuǎn)化,從而使淀粉含量升高。本研究對分蘗期WYD4的葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)淀粉與蔗糖途徑在分蘗期就已經(jīng)呈現(xiàn)顯著的差異,而SSⅠ作為FAR1家族的轉(zhuǎn)錄因子在分蘗前期差異表達(dá)倍數(shù)極大,達(dá)到9.7倍。并預(yù)測與64個(gè)蛋白基因存在互作關(guān)系,其中包括BEs家族中的BEⅠ(LOC_Os06g51084)、ISA家族的ISA1(LOC_Os08g40930),這與前人結(jié)果相同,而SSⅢ-1(LOC_Os04g53310)、SSⅡa(LOC_Os06g12450)和BEⅡb(LOC_Os02g32660)并沒有在本研究的結(jié)果中出現(xiàn)。綜合本研究和前人的研究結(jié)果[1,37-44],繪出淀粉合成途徑關(guān)鍵酶互作網(wǎng)絡(luò)圖(圖7),這些結(jié)果對于解析參與淀粉合成的基因間的表達(dá)調(diào)控存在重要指導(dǎo)意義,對通過基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控改良稻米品質(zhì)和定向水稻育種具有重要意義,并對用通過水稻精準(zhǔn)栽培調(diào)控的方法提高水稻產(chǎn)量的同時(shí)改良稻米品質(zhì)指明方向。
水稻分蘗期淀粉與蔗糖途徑的6個(gè)基因PGI2、OsAGPS1、GBSS1、glgP、ISA2、ISA3以及轉(zhuǎn)錄因子SSⅠ在分蘗期不同時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)是有顯著差異的,這一點(diǎn)可以為水稻分蘗形成和群體構(gòu)建提供時(shí)間上的能量來源,也為水稻栽培過程中精準(zhǔn)調(diào)控提供轉(zhuǎn)錄組水平的參考依據(jù)。