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【文献解读】转录组分析揭示爪哇香茅次生代谢途径的基因表达差异

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浏览:- 发布日期:2017-10-17 09:02:09【

实验材料

爪哇香茅,叶子和根部组织均于种植后四个月采摘,每个样本取三个生物学重复。

实验方法

1、RNA的抽提及文库构建(Illumina TruSeq RNA sample preparation v2 kit)

2、测序:MiSeq(叶子)、NextSeq(根部)

3、数据分析:对测序结果进行生物信息学分析

4、差异表达基因的验证

结果分析

1、转录组数据分析显示,共39582个功能基因具有叶或根的组织特异性,其中15080个基因只在根部表达,24502个基因只在叶子中表达。此外,基于FPKM值对转录本评估,以描述整体的基因表达丰度。结果表明,大部分差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)可归入到 FPKM range > 10 to 100,其次是FPKM range > 3 to 10。具体结果如下图:

FPKM distribution of DEGs.

Dark blue indicates significant up regulation in leaf compared to roots.

2、对DEGs中与次生代谢产物相关的基因进行聚类分析发现,热图中形成了4个明显的簇,其中Cluster IV中的基因在叶中高水平表达,Cluster I 和 II中的基因在根部高丰度表达,而cluster III中的基因在两个组织中的表达水平类似。对上述结果进一步分析发现,叶中上调表达的大部分基因属于MEP(methyl erythritol 4-phosphate)、甲羟戊酸和萜类骨架合成途径。相反的,根部中上调表达的基因大部分属于倍半萜和三萜生物合成、新生霉素生物合成和药物代谢等途径。以上结果证实了香茅精油主要由叶子产生,而其他与次生代谢产物相关基因在根部中的高表达也为香茅的研究打开了新局面。

3、DEGs的GO富集分析。对差异基因进行GO富集分析,主要从BP(biological process),CC(cellular component)和MF(molecular function)三个方面进行注释分析,如下图。结果表明,BP中信号传导、光合作用及胞内运输相关差异基因的富集量较高;CC中叶绿体类囊体、叶绿体靶信号识别粒子及膜的特殊组分等所占比例较高;但最重要的是,在MF中与次级代谢产物相关的GO注释中,基焦磷酸合酶、基焦磷酸转移酶、3-hydroquinate synthase 及4-hydroxy-3-methylbut-2-en-1-yl diphosphate synthase等被大量富集,证实了这些基因在叶片中具有较高的差异表达水平

4、用RT-PCR和qRT-PCR对15个萜类生物合成相关的基因(MEP代谢通路的7个基因、甲羟戊酸途径的4个基因、萜类骨架生物合成的4个基因)进行定量分析以验证其组织特异性表达差异。结果均表明这些基因有明显的差异表达模式:叶鞘中的表达量最高、叶子部位次之、根部最低。

总结

本研究利用转录组测序找出了香茅的已知基因的主要代谢通路,同时,这些转录组数据可以作为香茅的基因表达、基因组学和功能基因组学研究的重要的公共信息。

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参考文献

Devi K, Mishra S K, Sahu J, et al. Genome wide tranome profiling reveals differential gene expression in secondary metabolite pathway of Cymbopogon winterianus[J]. Scientific Reports, 2016, 6(21026):21026

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