2021-07-27
期刊：Frontiers in Plant Science
影响因子：5.753
文章题目：H2S Regulation of Metabolism in Cucumber in Response to Salt-Stress Through Transcriptome and Proteome Analysis.
涉及技术手段：RNA-seq
合作单位：陕西理工大学
研究背景
土壤盐渍化正逐渐对世界农业造成严重威胁，土壤盐分过高不仅影响植物的生长发育，还会引起严重的渗透胁迫、钠离子和氯离子毒性以及氧化损伤。硫化氢(H2S)是一种存在于植物组织和细胞中的小气体分子，具有生理和信号传导双重功能，其在植物种子萌发、生长发育和胁迫适应等方面起着重要作用。前期研究表明，外源施用NaHS作为H2S的供体，能够通过保持Na+/K+ 平衡以及调节H2S代谢和氧化应激反应来改善盐胁迫引起的生长抑制。
黄瓜（Cucumis sativus L.，2n = 2x = 14）是一类广泛栽培的葫芦科植物，是研究韧皮部特征、棉子糖家族寡糖（RFO）代谢和性别鉴定的模式种。目前有关H2S调控黄瓜耐盐性的报道主要集中在形态、生理和生化方面，而对H2S调控黄瓜耐盐性的转录组和蛋白质组水平的分子机制知之甚少。本研究采用RNA测序和2-DE综合分析方法，首次将转录组和蛋白质组学结合起来分析探讨H2S调控黄瓜耐盐性的整体机制。本研究有助于鉴定耐盐相关基因，尤其是响应H2S调控的基因。
研究思路
研究结果！
1、实验材料处理
选择长出真叶的健康黄瓜幼苗，分成3组进行以下处理：第1组施加营养液作为对照组（C），第2组施加营养液+200 mM NaCl作为盐胁迫处理组（S），第3组施加营养液+200 mM NaCl+150 µM NaHS作为盐胁迫后经H2S处理组（H2S）。
2、转录组测序结果以及DEGs分析
通过主成分分析（PCA）确定C、S、H2S处理后黄瓜叶片样品基因表达的相似性（图1A）。与盐处理组相比，对照组和H2S组样品中表达的基因更接近，表明盐胁迫使基因表达发生了显著变化，H2S可能在转录水平上缓解了部分基因表达的变化。同时对三个组中基因表达情况进行两两比较（图1B），在SvsC比较组中有2629个上调基因和2313个下调基因，在H2SvsS比较组中有741个上调基因和1610个下调基因，在H2SvsC比较组中检测到2047个上调基因和2421个下调基因。在11761个差异基因中，有1124个是C组特有的，366个基因是S组特有的，734个基因是H2S组特有的，三个组中共有的差异基因有519个（图1C）。
图1 黄瓜叶片C、S、H2S组中DEGs的鉴定与分析
3、差异表达基因的GO和KEGG富集分析
对基因注释后，进行差异表达基因的GO富集分析（图2）。同时，将DEGs与已知的代谢和信号通路进行比较，来确定响应盐胁迫和H2S改良的通路（图3）。结果表明，在盐胁迫下，光合作用、碳代谢和氨基酸生物合成等初级代谢和能量代谢相关基因的表达明显增加，而H2S的添加显著降低了差异基因的数量，但富集了与植物-病原互作、含硫代谢、细胞防御和信号转导相关的差异基因。
图2 GO分类柱状图
图3 DEGs的KEGG通路富集分析
注：A：3个比较组中的共有途径；B：3个比较组中的特有途径
4、差异蛋白的鉴定和功能富集分析
共在两两比较组中分离得到69个丰度存在显著变化（P﹤0.05）的蛋白，除去8个丰度较低的蛋白，对61个差异蛋白进行鉴定，最终成功鉴定出49个差异蛋白（图4A）。对差异蛋白进行功能分类，结果表明大部分差异蛋白属于7个分类，其中最多的是光合作用（12个，24.49%）（图4B）。差异蛋白主要富集到12个KEGG通路上（图5），其中值得注意的是硫和半胱氨酸代谢途径，这些途径负责内源性H2S的合成，表明外源H2S处理可能导致内源性H2S合成发生变化，同时改变其他信号途径的调控。
图4 不同比较组中DEPs的统计和功能分类
图5 DEPs的KEGG通路富集分析
5、转录水平和蛋白水平的联合分析
47个蛋白中有17个蛋白的表达水平与mRNA水平一致，说明只有少数蛋白在转录水平上受到直接调控。对47个基因及蛋白进行聚类分析（图6A），并对所有蛋白和基因、12个在转录和蛋白水平上调控模式相似的基因（27.66%）以及4个在转录和蛋白水平上调控相反的基因（8.51%）进行相关性分析（图6B、C、D）。Pearson相关系数分别为0.399、0.839以及-0.872。
图6 基于蛋白质组学和转录组的相关性分析
6、H2S调控黄瓜耐盐性的综合路径分析
40个差异基因/差异蛋白映射到黄瓜的两条代谢通路上（图7）。其中13个差异基因（6个上调，7个下调）和7个上调的差异蛋白比对到光合代谢中的固碳途径上（图7A）。18个差异基因（14个上调，4个下调）和2个上调差异蛋白比对到硫、半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径上（图7B）。
图7黄瓜叶片中光合代谢（A）中固碳途径和硫、半胱氨酸和蛋氨酸代谢（B）的整合途径
文章小结！
本研究首次尝试在转录组和蛋白质组水平上研究H2S参与黄瓜盐胁迫响应的潜在调控机制。通过对转录组和蛋白质组学数据的分析，揭示了部分可能参与H2S调控黄瓜耐盐机制的候选基因和蛋白。这些DEGs或DEPs既参与光合作用、碳代谢、氨基酸生物合成、氮代谢、脂肪酸降解等初级代谢途径，也参与含硫代谢途径以及细胞防御和信号转导途径。同时，转录本和蛋白质丰度变化之间的相关性，可能提供H2S调节黄瓜耐盐性过程中转录后控制或从转录本到蛋白质的时滞性信息。虽然后续还需进一步阐明这些已识别基因和蛋白质的具体功能，但本研究将有助于鉴定影响H2S调控耐盐性的关键基因和蛋白质。
本研究的RNA-seq测序和分析工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。
原文索引：
Jiang J , Ren X , Li L , et al. H2S Regulation of Metabolism in Cucumber in Response to Salt-Stress Through Transcriptome and Proteome Analysis[J]. Frontiers in Plant Science, 2020, 11:1283.
