野薔薇花瓣轉錄組分析

熊 燕,陳 菲,李 黎,付俊生,韓 輝,曲彥婷

(黑龍江省科學院自然與生態研究所,黑龍江 哈爾濱 150040)

野薔薇(RosemultifloraThunb.)為薔薇科薔薇屬植物,兼具觀賞性及藥用價值,且抗性強,是現代月季的主要親本之一[1]。 花朵作為野薔薇重要觀賞性狀,是現代月季遺傳改良、培育月季新品種重要的因素。 因此,對野薔薇花瓣發育的研究具有重要的現實意義。 多年來對于野薔薇的研究多集中于再生體系建立、根活性成分研究、抗白粉病研究等方面[2～6],野薔薇花基因的挖掘和利用等分子生物學方面的研究還很少[7]。

在野薔薇花瓣的發育過程中,其花瓣表型會發生明顯的變化。 花芽形成后,花芽逐漸膨大,含綠色花瓣。 隨后花瓣顏色開始變為淡黃色,花芽逐漸擴大。 而后花蕾停止生長,萼片輕微開裂,露出內部的黃白色花瓣;幾天后花朵完全開放,通過花瓣細胞擴張,花瓣已經擴大到最大尺寸,完全白色。 近年來對于花瓣擴展的研究,主要在小花草玉梅(Anemonerivularis)、金花茶(Camellianitidissima)等觀賞植物中[8,9],對于野薔薇花瓣擴展的相關研究甚少。 隨著轉錄組測序技術的不斷發展,從大規模的基因數據中,找到各個階段的差異基因,從而揭示花瓣擴張相關機理成為可能。 本研究于2021 年在黑龍江省科學院自然生態研究所進行,對4 個階段野薔薇花瓣進行轉錄組分析,以揭示花瓣擴展相關基因在野薔薇花瓣伸展調控中的關系,為薔薇屬觀賞植物遺傳改良,培育新品種提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

以野薔薇(RosemultifloraThunb.)花為材料進行花瓣轉錄組研究,根據發育過程中觀察到的花瓣表型變化,將發育過程分為4 個典型階段,以“花狀態_顏色”命名:花蕾中花瓣為綠色(green petals in the flower bud(FB_GP))、花蕾中花瓣開始變色(colour changing petals in the flower bud(FB_CP))、花蕾中花瓣為黃白色(yellowish-white petals in the flower bud(FB_YP))、開放花瓣為白色(white petals of the open flower(OF_WP))(圖1)。 每個發育階段采集6 朵花的花瓣為一個樣本,立即冷凍在液氮中。

圖1 野薔薇開花的4 個階段Figure 1 Four flowering stages of Rose multiflora Thunb.

1.2 方法

1.2.1 RNA 提取

野薔薇花瓣RNA 采用Thermo Fisher GeneJET RNA Purification Mini Kit 試劑盒提取。

1.2.2 cDNA 文庫構建和RNA-seq

野薔薇花瓣cDNA 文庫構建及RNA-seq 參考Wang ZM 的方法。 并參考Zhang J 的方法進行轉錄組數據分析[10,11]。 應用BlaxtX,將Unigene 序列在蛋白數據庫NR、Swiss-Prot、GO、KEGG 和COG 中進行比對。

1.2.3 野薔薇花瓣差異基因篩選

利用RPKM 值來衡量基因的表達量[12,13],RPKM 值計算方法如下:

統計4 個時期的花瓣轉錄組數據,以差異倍數(log2 fold change≥2)和顯著性水平(P-value)為標準,根據開花過程的先后順序進行兩兩比對,獲得了FB_CP vs.FB_GP,FB_YP vs.FB_CP,OF_WP vs.FB_YP 的3 個比較組,并對表達基因的上下調關系進行統計。

2 結果與分析

2.1 樣本RNA 的制備及檢測

以野薔薇花瓣為材料進行高通量轉錄組測序,根據發育過程中觀察到的花瓣表型變化,分別提取4 個不同發育階段花瓣RNA,GX 檢測結果結果顯示,RNA 樣品均能滿足測序建庫要求(圖2)。

圖2 野薔薇花瓣總RNA 檢測Figure 2 Detection of total RNA from Rosa multiflora petals

2.2 Unigen 功能分析

本研究有89 872 條基因序列在8 個數據庫中具有匹配結果,最終獲得52 865(58.8%)個有注釋信息的Unigenes。 8 985(54.5%)個基因序列注釋到NR 數據庫,47 417(52.8%)個基因序列注釋到eggNOG 數據庫,33 537(37.3%)個基因序列注釋到Swiss-Prot 數據庫,32 192(35.8%)個基因序列注釋到Pfam 數據庫,31 640(35.2%)個基因序列注釋到GO 數據庫,30 244(33.7%)個基因序列注釋到KOG 數據庫,21 685(24.1%)個基因序列注釋到KEGG,15 475(17.2%)個基因序列注釋到COG 數據庫(表1)。

表1 Unigene 注釋統計Table 1 Statistics table of unigene annotates

通過Unigene 序列相似性對組裝得到的Unigene 與NR 數據庫比對。 在NR 數據庫中48 985 個Unigene 比對到了相似序列,45.72%的Unigene 為低同源性,分布介于1.0×10-11～1.0×10-50之間,而54.28%的序列具有高度同源性,E-value 低于1.0×10-50(圖3,A)。 匹配序列相似度達到80%以上的Unigene 有35 171(71.8%),相似度低于60%的Unigene 有6 301(12.86%)(圖3,B)。 功能注釋匹配物種中,與月季匹配的物種前3 位為野草莓(Fragaria vescasubsp.vesca)(36.17%)、粳稻(OryzasativaJaponica)(13.65%)、棉花(Gossypiumhirsutum)(4.04%)(圖3,C)。

圖3 Nr 分類圖Figure 3 Classification diagram of Nr

2.3 野薔薇開花各階段差異基因分析

對代表花瓣表型主要變化的3 個比較組(FB_CP vs FB_GP,FB_YP vs FB_CP,OF_WP vs FB_YP)的差異基因進行比較。 FB_CP 階段與 FB_GP 階段比較中,其中上調基因873 個,下調基因750 個;FB_YP 階段與FB_CP 階段比較中,上調基因934 個,下調基因1 056 個;花瓣生長的OF_WP 與FB_YP 階段比較,上調基因1 650 個,下調基因1 248 個,此階段差異基因增加,上調和下調的基因數量均有所增加(圖4 A)。 FB_CP vs FB_GP 階段花瓣為綠色;FB_YP vs FB_CP 代表花瓣由綠色變為黃白色,但花朵未完全開放;而OF_WP vs FB_YP 代表了花瓣的生長過程,花瓣由黃白色全部變為白色。 比較各個階段的特異差異基因分別為642、902、1 899(圖4 B)。

圖4 差異表達基因Figure 4 Different expressed genes

代表花瓣表型主要變化的3 個比較組,包含了6 個擴展基因家族基因,其中花瓣擴增階段(OF_WP vs FB_YP)α-expansins(c27913.graph_c0、c37172.graph_c0)顯著下調,α-expansins(c28742.graph_c0)顯著上調。 而葡聚糖內糖基轉移/水解酶XTH 也參與了細胞擴張和細胞壁纖維的疏松,6 個基因在野薔薇花瓣中被標注為XTH,4 個基因(c36042.graph_c3、c35650.graph_c4、c29942.graph_c0、c35065.graph_c0)在OF_WP vs FB_YP 階段上調表達。代表花瓣表型主要變化的3 個比較組,還包括參與細胞壁合成、修飾和水解的基因,如5 個木糖苷酶(XYL),其中c30953.graph_c、0c35470.graph_c0、c34590.graph_c0 3 個基因在3 個比較組中都為上調表達。 纖維素合成酶(CES)、聚半乳糖醛酸酶(PG),這些基因都可能參與了野薔薇花瓣的擴展。 在OF_WP vs FB_YP 比較組有2 個XYL基因(c30953.graph_c0、c35470.graph_c0)、2 個PG基因(c32184.graph_c0、c29723.graph_c1)的表達量為FB_YP 階段的2 倍以上(表2)。

表2 不同開花階段花瓣擴展相關基因表達Table 2 Expression of genes related to petal expansion at different flowering stages

3 結論與討論

花瓣是花卉重要的觀賞器官,從花瓣原基形成,進入細胞增殖時期,再通過細胞擴展和分化,形成成熟花器官[14]。 花瓣的生長主要通過花瓣細胞的擴展,使花瓣達到最終的大小,而這一過程伴隨著細胞膨壓改變、細胞骨架構建、細胞壁物質重新合成等生理活動[15]。 本研究通過對野薔薇花瓣發育過程中4 個典型階段進行轉錄組測序,比對各個不同階段影響花瓣伸展的差異基因。 轉錄組分析組裝得到52 865 個單基因(Unigenes),通過對NR數據庫的比對,功能注釋匹配物種中,與野薔薇匹配的物種前 3 位為野草莓(Fragariavescasubsp.vesca)(36.17%)、粳稻(OryzasativaJaponica)(13.65%)、棉花(Gossypiumhirsutum)(4.04%)。

花瓣的生長主要通過花瓣細胞的擴展,使花瓣達到最終的大小,而這一過程伴隨著細胞膨壓改變、細胞骨架構建、細胞壁物質重新合成等生理活動[15]。 本研究對花瓣開放的3 個比較組(FB_CP vs FB_GP,FB_YP vs FB_CP,OF_WP vs FB_YP)的差異基因比較,各階段的差異基因分別為642、902、1 899 個,比對各個不同階段影響花瓣伸展的差異基因,花蕾變色期到花蕾花瓣黃白色階段及花蕾花瓣黃白色到花瓣開放白色階段,花瓣擴展相關基因相關差異基因表現為上調,在花蕾花瓣黃白色到花瓣開放白色階段差異基因的表達量明顯升高,表明花瓣擴展相關基因在野薔薇完整花發育階段有重要的作用。 與菟葵(Eranthisstellata)、櫻桃(Cerasus×yedoensis)、白菜(Brassicacampestrisssp.pekinensis)、深山含笑(Michelia maudiae)等植物花瓣富集分析有類似的結論[16～19]。

植物擴展蛋白(EXP)包括α-expansin(EXPA)、β-expansin(EXPB)、類 α-expansin(EXLA) 和 類 β-expansin(EXLB)[20～21]。 花器官控制花朵開放過程,尤其是花瓣的擴展[22],不同的EXP基因家族成員在植物花開放花瓣擴展過程中的表達有差異[23]。 本研究鑒定出了6 個擴展蛋白基因(EXP)基因,其中包括2 個RmEXPA1,1 個RmEXPA6 表現為在花瓣擴展期表達量升高的趨勢,同唐菖蒲(Gladiolusgrandiflorus)、桂花(Osmanthusfragrans)的EXPA1 表達量在花蕾期較低,花瓣顯著伸展期增加的趨勢相類似[24,25]。 而RmEXPA11 則表現為在整個花瓣開放過程中持續降低的趨勢,同月季中RhEXPA3 的表達模式較為類似[26]。 而6 個木葡糖內轉糖苷酶/水解酶(XET/XTH)基因在花瓣開放前期都表現為表達量升高,在花瓣最后開放的過程中表達量降低,與番茄(Lycopersiconesculentum)DpXTHs基因花瓣早期表達量相同,推測XET/XTH基因與花瓣的早期生長密切相關[27]。 本研究通過對不同開花階段花瓣擴展相關基因表達分析,得到花瓣擴展可能受EXP,XTH基因家族及細胞壁合成、修飾和水解相關基因XYL,CES的作用。