09月30 【成功案例】生物化學(xué)和比較轉錄組學(xué)分析鑒定紫斑牡丹中與色素形成相關(guān)的候選基因

Biochemical and Comparative Transcriptomic?Analyses Identify Candidate Genes Related to?Variegation Formation in Paeonia rockii

PMID:?28817092

雜志：Molecules

影響因子：2.861

研究背景：牡丹是木本灌木，芍藥屬牡丹組，是一種重要的傳統觀(guān)賞植物，花瓣大而有吸引力。在十個(gè)牡丹野生種中P. rockii（紫斑牡丹）白色花瓣的基部有明顯的黑色彩斑，而P. ostii（鳳丹）沒(méi)有花瓣雜色?；ǖ念伾悄档さ囊粋€(gè)重要的商業(yè)特性，花瓣顏色的多樣性可提高牡丹的觀(guān)賞價(jià)值，因此闡明P. rockii中紫斑的形成機制具有重要意義。眾所周知，牡丹的基因很大組（13–16 GB），往往具有較高的雜合度和配子體自交不親和性，在缺少完整的基因組序列的情況下，RNA測序技術(shù)是獲得基因組表達信息最有效的工具。到目前為止，幾個(gè)花青素生物合成相關(guān)基因在牡丹中已確定，但是色斑形成的分子機制還不清楚。

材料方法：

取P. rockii (PR)，P. ostii?(PO)和PR與PO的雜交F1代（RO），分別收集4月底到五月初5個(gè)不同開(kāi)放階段的三種牡丹的花瓣進(jìn)行轉錄組分析，三個(gè)生物學(xué)重復。取階段5（完全開(kāi)放期）的花瓣進(jìn)行形態(tài)解剖分析和色素含量分析。

技術(shù)路線(xiàn)：

實(shí)驗結果：

1. 花瓣顏色測量，形態(tài)解剖分析和色素含量分析

為了確定色斑性狀的遺傳背景，利用PO和PR雜交產(chǎn)生F1植株（RO），所有60株F1植株在花瓣的基部都有色斑存在（Figure 1），PR的彩斑呈顯性遺傳。根據英國皇家園藝學(xué)會(huì )比色卡（RHSCC），在階段5的PR和RO的背景與PO花瓣一樣為白色，而在第5階段的PR和RO的色斑顏色有差異。PR色斑為深紫色，而RO的為紫紅色。

Figure 1.?Fully open flowers of individuals selected for sequencing.

為了闡明其色斑形成的機制，作者檢測了色素在PR, PO和RO花瓣中的空間位置。在非色斑花瓣中沒(méi)有色素細胞（Figure 2C，I，L）。相反，色素細胞主要位于色斑花瓣的上、下表皮和柵欄組織中（Figure 2F，O）。色素細胞在PR的雜色相應也位于表皮內（正面），這可能有助于PR色斑更深的顏色（圖左）。在非雜色花瓣中，表皮細胞是無(wú)色的（圖2A，B，G – K）。

Figure 2.?Cellular features of the flower materials.

HPLC分析表明，在P. rockii和F1代牡丹花瓣的色素中含有四種花青素（CY3G5G，CY3G，芍藥色素（Pn）3G5G和Pn3G）。PR的色斑顯示出“Cy > Pn”的表型，CY3G是含量最高的花青素(28.36 ± 0.063 mg/g)。RO顯示出“Pn > CY”的表型，有比較高的Pn3G5G（4.27±0.046毫克/克）和Cy3G5G（2.51±0.011毫克/克）含量。在PR和RO背景花瓣和全部的PO花瓣中沒(méi)有檢測到花青素的存在。對色斑中成分的進(jìn)一步分析發(fā)現，花瓣顏色受色素種類(lèi)和濃度的強烈影響，這促使作者進(jìn)一步研究轉錄水平上的分子過(guò)程。

2. 轉錄組測序和注釋

為了確定參與PR色斑形成的關(guān)鍵基因，作者利用Illumina Hiseq^TM?2500對PR、PO和RO進(jìn)行了比較轉錄組學(xué)分析。九個(gè)文庫中總共產(chǎn)生了181866條unigenes，其中57913（31.84%），43307（23.81%），34125（18.76%），18986（10.44%），33409（18.37%），24154（13.28%），47410（26.07%）條unigenes分別被注釋到了NR、PFAM、SwissProt、KEGG、GO、COG和KOG數據庫中。

與KEGG數據庫比對發(fā)現這些unigenes與代謝、遺傳信息處理，生物系統和細胞過(guò)程中的130個(gè)信號通路有關(guān)。目前已知，四個(gè)次生代謝途徑與花青素相關(guān)：苯基丙酸類(lèi)生物合成（250，1.04%），類(lèi)黃酮合成（64，0.26%），花色素苷生物合成（4，0.02%）以及黃酮和黃酮醇的生物合成（6，0.02%）。

3. P. rockii，P. ostii 和F1代轉錄組比較分析

根據三種樣品的特殊表達模式，將9個(gè)RNA-seq樣品中的基因表達變化分為三組（Figure 4A）。此外，RO的基因表達水平與PO更類(lèi)似。為了鑒定P. rockii中彩斑形成的候選基因，進(jìn)行了PR、PO和RO文庫的比較分析。PO花瓣與PR花瓣相比，基于閾值FDR＜0.001和| log2Ratio | > 1，7065條unigenes被確定為差異表達基因（DEGs），包含3174個(gè)上調和3918個(gè)下調基因（Figure 4B）。PR vs. RO中有4113個(gè)DEGs，2615個(gè)上調，2332個(gè)下調。而且，有691條unigenes在所有三個(gè)組中顯示出顯著(zhù)的表達差異。

Figure 4. Gene expression profiles in three differentially colored tree peonies.

三組DEGs的GO富集分析發(fā)現9191個(gè)DEGs被分類(lèi)到50個(gè)功能組，包含生物學(xué)過(guò)程（20組）、細胞組分（14組）和分子功能分類(lèi)（16組）。此外，還利用KEGG數據庫對DEGs進(jìn)行了功能注釋分析，PO vs. PR中與色素沉著(zhù)相關(guān)的四條信號通路被鑒定出來(lái)：苯基丙酸類(lèi)生物合成（39DEGs，ko00940），類(lèi)黃酮化合物的生物合成（DEGs，ko00941）、黃酮和黃酮醇的生物合成（DEGs，ko00944）以及花色素苷生物合成（DEGs，ko00942）。PR vs. RO中與色素沉著(zhù)相關(guān)的三條信號通路被鑒定出來(lái)：苯基丙酸類(lèi)生物合成（29 DEGs），類(lèi)黃酮化合物的生物合成（4DEGs）和花色素苷生物合成（1DEGs）。相比之下，PO?vs.RO中鑒定了苯基丙酸類(lèi)生物合成（25DEGs），類(lèi)黃酮化合物的生物合成（6DEGs），黃酮和黃酮醇的生物合成（1DEGs）和花色素苷生物合成（1DEGs）四條通路。

作者對KEGG分析中鑒定的代謝通路表達譜進(jìn)行了聚類(lèi)（Figure 5）。參與色素沉著(zhù)的四個(gè)途徑在PO中豐度較高，類(lèi)黃酮生物合在PO和RO中有很高的豐度，PR中花色素苷生物合成通路有高豐度。

Figure 5. Expression profiles of 130 KEGG pathways.

以往的研究已經(jīng)證明，牡丹彩斑的形成主要取決于花青素的空間生物合成（Cy和Pn）。因此，對花青素代謝途徑中核心基因的表達模式進(jìn)行了詳細研究，許多基因表達水平有顯著(zhù)差異（Figure 6）。

Figure 6. A detailed schematic of anthocyanin metabolism related to?flower pigmentation in PO, PR and RO.

此外，對R2R3-MYB，bHLH和WD40的表達水平分析顯示在PR或RO中一些R2R3-MYB，bHLH和WD40基因顯著(zhù)上調（Figure 7）。為了分析在PR中與色斑形成相關(guān)的苯基丙酸類(lèi)生物合成，類(lèi)黃酮化合物的生物合成，黃酮和黃酮醇的生物合成和花色素苷生物合成的相互作用，構建了一個(gè)共表達網(wǎng)絡(luò )（Figure 8）。

Figure 7. All unigenes encoding the R2R3-MYB.

Figure 8. A co-expression network of the DEGs involved in pigmentation.

4. 差異表達基因在不同時(shí)期表達水平的驗證

為了驗證從轉錄組數據獲得的表達譜，選取了12個(gè)色素沉著(zhù)相關(guān)DEGs進(jìn)行了qRT-PCR分析以評估它們在PO、PR和RO花瓣發(fā)育中的表達模式。結果表明，12個(gè)選取的DEGs的表達模式與Illumina測序獲得的表達模式相一致。

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結論：經(jīng)轉錄組測序產(chǎn)生了181866條unigenes，包括各種參與花青素生物合成和合成調控的相關(guān)基因。暗紫色和紫紅色色斑的形成主要與花青色素（Cy）和芍藥色素（Pn）為基礎的花青素的比例有關(guān)。本文結果表明各種色斑圖案是由花青素生物合成基因的轉錄調控產(chǎn)生的，R2R3-MYBs轉錄譜為闡明這個(gè)特征產(chǎn)生的機制提供了線(xiàn)索。