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【易文献】原地满血复活的能力可以训练出来?

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浏览:- 发布日期:2016-01-25 17:03:00【


干旱可以造成植物的枯萎甚至死亡,但是世界上有一类植物能够在极度缺水的环境中坚强生存下来,比如养仙人掌可以很长时间不浇水,它也不会死,即使它已经枯萎了,只要浇点水,它几天后就又活过来了,这类植物被人们称之为“复苏植物”。

牛耳草是用来研究复苏植物的一种常用模式植物。经历一个缓慢的土壤干燥失水过程的驯化能够使牛耳草在后续的快速失水条件下存活下来,为什么经过驯化的牛耳草能够经受后续的快速失水处理?植株到底发生什么变化来应对这种逆境呢?近期发表在PCP上的一篇文章揭示了其中的奥秘。

欧易生物全面助力研究团队,提供实验和后期数据分析协助,帮助研究小组全面分析了了经过驯化的植株和未经驯化的植株在经历快速失水和缓慢失水(土壤干燥)过程中的基因表达变化的差异,为我们认识复苏植物提供详细的信息。(Global TranscriptomeAnalysis Reveals Acclimation-PrimedProcesses Involved in the Acquisition ofDesiccation Tolerancein Boeahygrometrica Plant and Cell Physiology,0(0): 1–13 (2015) doi:10.1093/pcp/pcv059)

我们先来看看牛耳草脱水满血复活能力get全过程

原地满血复活的能力可以训练出来?

图表 1:初来乍到,未驯化牛耳草没有脱水复活能力

从左至右:新鲜牛耳草,快速脱水2小时,快速脱水48小时,复水死亡

原地满血复活的能力可以训练出来?

图表 2:历经磨难,牛耳草驯化满血复活能力

从左至右:新鲜牛耳草,缓慢脱水5天,缓慢脱水14天,复水后满血复活,驯化完成

原地满血复活的能力可以训练出来?

图表 3:能力get,再来一次

从左至右:驯化牛耳草,快速脱水2小时,快速脱水48小时,复水后满血复活

下面,亲们请收拾心情,看看这个研究小组是如何进行的分析?

研究方法:芯片杂交和转录组测序

数据分析:

第一步:PCA(主成分分析)

获得的结果:复水后的植物的表达谱与干燥植物更接近,提示植物经过缓慢脱水训练后转录组发生了变化,其复水后也不会恢复到处理器状态。

第二步:比较非驯化的含水植物和驯化后复水植物的转录组差异,并针对这些差异基因进行GO和KEGG pathway分析。

获得的结果:与非驯化含水植物相比,复水的驯化植物中有478个基因上调表达,407个基因下调表达。过氧化物酶、肉桂醇脱氢酶、果胶裂解酶、果胶酯化酶、几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶、内切葡聚糖酶和纤维素酶等基因在复水驯化植物中被诱导表达,表示在复水过程中细胞壁会变得松弛。与此一致的是细胞壁代谢相关基因富集在上调表达基因中而细胞壁组织相关基因富集在下调表达基因中。

GO富集分析表明胁迫和激素响应、光合合成(尤其光反应)硝酸盐同化、碳水化合物合成(尤其岩藻糖)和脂质转运相关基因在下调表达基因中富集,氧化还原、次生代谢、维生素生物合成和细胞壁大分子代谢、碳水化合物和寡胎转运相关基因在上调表达基因中富集,说明复水驯化植物在驯化过程中经历了复杂的转录改变。

第三步:比较快速脱水对于驯化和非驯化植物的影响

获得的结果:在非驯化植物经历快速失水时会特异性诱导细胞程序性死亡、蛋白和氨基酸代谢、包括合成氨基酸衍生物,转运氨基酸和蛋白泛素化相关基因的表达。但在驯化植株中这些基因的表达不被富集。同样的染色体组装、基因表达、翻译、核糖体生物合成、类胡萝卜素合成、脂质转运、代谢和能量前体产生、电子传递链和光呼吸过程相关基因在非驯化植物经历快速失水时富集,但是在驯化植物中却不会富集。这些变化表明在非驯化植物中快速失水会启动激活泛素介导的蛋白降解和细胞死亡;能量供给下降、碳氮同化下降,但是植物经过驯化后能通过改变表达谱,适应这种极端情况。

第四步:深入关注与细胞死亡和氧化还原相关的基因功能

这两类基因可以说是和植物抗逆以及生存高度相关的,在完成了上述的基因功能和pathway的分析后,作者重点关注这两类功能基因。

后续的基因功能富集分析和细胞实验显示O2-自由基和H2O2在驯化含水植物中和快速失水时含量较少而在非驯化植物快速失水时含量高,在非驯化细胞快速失水时会启动细胞死亡但在土壤失水和驯化细胞快速失水时却不会。

从上述结果可以看出,非驯化植株和驯化植株在各个方面的表现的差异导致两者在快速失水后的存活产生差异。因此植物抗旱过程涉及了各个方面,以前的研究大部分是阐述单个或某几个原因,而高通量测序技术和数据分析技术的发展使全面分析基因表达变化从而研究植物抗旱提供了技术保障。


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