2017-09-20
植物生殖器官一般对外界温度刺激更加敏感，但目前对于拟南芥花序组织热休克反应（heat shock response，HSR）的调节机理还知之甚少。Squamosa promoter-binding-like (SPL) 基因家族作为一个植物特异转录因子家族, 已被证实具有参与开花时期的调节，时期转换，叶发育的起始以及其他发育过程等许多重要的生物学功能。中科院上海植物生理生态研究所陈晓亚院士课题组利用转录组测序技术对其中两个功能未知的转录调控因子SPL1和SPL12进行了功能分析，该研究结果已发表在Molecular Plant（IF=8.8269）杂志上， 题为“Arabidopsis Transcription Factors SPL1 and SPL12 Confer Plant Thermotolerance at Reproductive Stage”。
高温胁迫（42℃，1h）对花序期拟南芥的影响
RNA-seq分析结果显示： 对于开花期的拟南芥高温胁迫（42℃）后，野生株相较于spl1spl12双阻断突变株有1040个基因差异表达。其中有531个基因上调，298个基因下调，同时有211个基因只在spl1spl12双阻断突变株中显著表达。结合表型分析结果，发现SPL1和SPL12参与介导了拟南芥生殖生长期的耐热性调节。
方法：对拟南芥进行高温胁迫处理（42℃，1h），以常温处理组（22℃）分别作为对照，选取开花期（35d）的野生株和spl1spl12双阻断突变株进行转录组测序
样本量：4组
测序平台：Illumina HiSeq平台
结果解读：
1 对拟南芥进行高温胁迫处理引起的基因表达差异进行GO富集分析和聚类分析
RNA-seq分析结果显示：对于开花期的拟南芥高温胁迫（42℃）后，相较于对照组（22℃），野生株中有1939个基因上调，1479个基因下调；spl1spl12双阻断突变株中有1150个基因上调，1357个基因下调，GO富集结果显示差异基因显著富集在热激反应应答相关通路。
图1 基因差异表达分析和GO富集分析
图2 不同样品间聚类热图
2 对野生株和spl1spl12双阻断突变株中热休克反应应答相关差异基因进行分析
对开花期的拟南芥进行高温胁迫（42℃）处理后，野生株与spl1spl12双阻断突变株中共有1040个热休克反应应答相关基因检测到表达差异，文中根据表达特征将其分为了三类：HRD-Up（在野生株中上调）共有531个基因； HRD-down（在野生株中下调）共有298个基因下调；HRD-Neutral（在野生型中无变化但在spl1spl12双阻断突变株中有差异表达）共有211个基因。HRD-Up和HRD-down分类分析结果表明，SPL1和SPL12转录因子介导了近1/4（298/1040）的热休克反应应答相关基因的重编程，同时对HRD-Neutral的分析表明拟南芥生殖生长期的热休克反应除了SPL1和SPL12之外还受到其他基因的共同调节。
图3 野生株和突变株之间热激应答差异表达基因分类
图4 对HRD-up基因进行GO富集分析
3 对SPL1，SPL12启动子结合位点进行预测
GO富集分析结果显示HRD-up基因主要富集在应激信号通路中。本文研究人员选取了HRD-up基因中能直观反映基因转录表达水平的启动子区顺式作用元件进行了富集分析，结果显示有13个HRD-up基因富集在DRE通路中，该通路包含热休克反应的两个正调控因子DREB2C和RAP2.6。此外DREB，DRE-like，LTRE，ABRE-like，DRE 和GCC-box 通路均与热休克反应应答相关。基于上述分析结果，研究人员利用活性分析实验从HRD-up基因中筛选得到SPL1的5个靶基因： CEJ1， RD29A，RPK1，ABI2和RAS1。
图5 对HRD-up基因启动子区顺式作用元件进行富集分析
图6 SPL1转录因子激活的靶基因
总结
本文对参与植物花序期耐热性调节的两个SPL家族的转录因子SPL1，SPL12基于转录组测序结果进行了系统的生物信息学分析，发现高温胁迫处理和spl1spl12双阻断处理后，热休克反应应答相关基因发生了差异表达。对差异表达基因进行分类分析和GO富集分析，结合表型分析结果，表明SPL1和SPL12参与介导了拟南芥生殖生长期的耐热性调节。
参考文献：
Chao L.-M., Liu Y.-Q., Chen D.-Y., Xue X.-Y., Mao Y.-B., and Chen X.-Y. (2017). Arabidopsis Transcription Factors SPL1 and SPL12 Confer Plant Thermotolerance at Reproductive Stage. Mol. Plant. 10, 735–748.
