2016-06-27
派森诺生物与上海农业科学院生物技术研究所、上海农业遗传和育种重点实验室共同合作，在《Plant Cell Rep》（影响因子3.09）发表论文，通过转录组分析盐胁迫下花粉培养的大麦胚性愈伤组织发现了一个重要的翻译抑制和细胞防御系统中蛋白质特有选择性激活。
一、研究背景
土壤盐碱化是限制植物的生长和降低农作物生产力的主要非生物胁迫之一。在本研究中，观察到盐胁迫下不仅影响大麦花粉培养的胚性愈伤组织的数量，还影响后期生长的质量。大麦花粉培养的胚性愈伤组织是连接细胞和植物的一个短暂的中间形式，通过转录组测序分析对细胞适应胁迫提供了新的理解。转录组分析已经成为一个研究和识别潜在的基因的可能机制重要的方法。采用这种方法，研究各种胁迫诱导小孢子胚胎发生和基因表达变化的作用的有好几种作物，包括烟草、番茄、大麦和小麦。然而单倍体细胞或成型的胚胎如何在连续的胁迫下生存且最终发展为整个植物目前尚不清楚。
二、材料与方法
选取大麦品种 (Hordeum vulgare L.)（中国长江三角洲地区广泛种植的大麦品种，由上海农业科学院种植），2013年11月播种，次年4月收集。收集到的麦棱放在4°C 2周，通过压碎消毒麦穗的花粉囊来收集花粉。收集到的花粉被过滤和离心分离，最后在诱导培养基培养。培养基上的纯花粉粒培养作为对照组，培养基含有500毫克/L 的NaCl作为盐胁迫组，每个组四个生物学重复。经过21天培养后，对每个培养基里形成胚性愈伤组织进行分离和测量。收集部分胚性愈伤组织到离心管中，放在液氮中，再放到-80℃保存。剩下的胚性愈伤组织进行称重并转移到另外一个培养基上培养一个月左右。
三、结果
1、盐胁迫对胚性愈伤组织和植株的影响
检查盐胁迫的影响在胚胎发生的愈伤组织的形成和分化，观察四个生物重复，发现与对照相比，加入盐胁迫的培养基里面的可见的粒子愈伤组织少一些。如图1a所示：
图1a)两组胚性愈伤组织的生长对比；b）胚性愈伤组织及植株的产量对比
与对照组相比，盐胁迫下培养的愈伤组织的平均重量(湿重)的下降一半，从158.0毫克降到83.4毫克(图1 b)。结果表明，胚性愈伤组织的形成和生长的植株都受到盐胁迫的显著影响，这意味着长时间处在盐环境中对愈伤组织的数量和质量都会造成损伤。
2、挑选部分差异基因进行荧光定量PCR验证
通过测序，对照组和盐胁迫组分别得到70,809,030 和 82,220,750 raw reads。如图2是挑选的16个差异基因的q-PCR结果，结果表明盐组相对于对照组，5个小热休克蛋白基因表达水平明显上调，而NUP205， RPLP0， RPLP2， CDC48， e IF1A， VARS，GST， THOC2这八个基因在盐胁迫组中表达明显下调。这些基因的验证结果与RNA-seq的结果一致。
图2：荧光定量PCR结果
3、表达差异基因的KEGG富集分析
对照组和盐胁迫组比较共发现123个表达上调的基因和473个表达下调的基因，通过KEGGpathway的分析发现有120个差异基因富集到功能通路上，有的基因可能参与多个通路。
图3：差异基因的KEGG富集分析
四、讨论：
1、小热休克蛋白在盐胁迫下的影响
热休克蛋白(HSPs)被是一个分子伴侣大家族，参与蛋白质折叠、装配、易位和退化，在保护植物免受胁迫起到至关重要的作用。在研究中发现盐胁迫下的样品中有12个热休克蛋白基因是上调的，各种胁迫可能扰乱新合成的多肽折叠而导致的蛋白质在内质网上积累称为内质网膜应激。研究表明，热休克蛋白的激活可能对于缓解由于盐胁迫引起的内质网应激发挥重要作用。
2、适应盐胁迫的翻译调整
KEGG富集分析中，有27个差异基因富集到了“翻译”通路上。通路中盐胁迫组中几乎所有的差异基因都是下调的，它们主要分布在“rRNA”、“tRNA合成”，“mRNA检测通路”，“真核生物核糖体生物合成”。表明连续的盐胁迫导致胚性愈伤组织翻译的加强来适当的控制细胞蛋白质合成来应对环境压力导致的蛋白质合成抑制。
研究发现盐胁迫组中三大亚基核糖体蛋白基因(RPL40、RPLP0 RPLP2)表达下调，这意味着核糖体蛋白基因被抑制来减少蛋白质的合成来应对盐胁迫；研究还发现，盐胁迫组中转录起始因子e IF1A的表达明显下调，两种编码RNA合成酶的基因VARS、FARSA表达下调，表明翻译起始收到盐胁迫的抑制。
五、结论：
转录组数据对盐胁迫下的细胞防御的基因表达提供了一个新的见解。结果显示，在连续的盐胁迫下，细胞防御系统为调控基础蛋白质合成引起了全面的翻译抑制，同时一系列热休克被选择性地激活来约束变性蛋白质起着至关重要的作用。这些为了适应盐环境的转录调整可能会影响胚性愈伤组织的一些基础蛋白的合成以及后续的生长。
文案 产品运营部转录组产品线 徐宁宁
