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转录组+蛋白质组揭示小麦根系对植物有益和致病微生物的响应机制

2019-08-06

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派森诺生物与南京大学生命科学院携手合作,于2019年5月24日在《MOLECULAR PLANT-MICROBE INTERACTIONS》上发表了六倍体小麦响应Bacillus velezensis Gaeumannomyces graminis 的比较转录组学和蛋白质组学分析的研究成果,影响因子3.649。

研究背景


全球小麦生产受“take-all”的严重影响,这是一种由Gaeumannomyces graminis var(Ggt)引起的主要真菌病。有研究表明,内生生物防治细菌Bacillus velezensis CC09(Bv)具有独特的疾病预防能力,然而,小麦Bv介导的抗真菌病的分子机制仍然未知。因此,本研究的目的是阐明小麦根系对Bv,Ggt反应的分子机制,使用RNA-seq和iTRAQ,研究Bv和Ggt在根系组织内可能的协同作用及其对小麦防御反应系统的潜在影响。
 

研究结果


小麦响应Bv,Ggt和Bv + Ggt的转录谱‍


通过DEG的筛选发现,当两种微生物攻击小麦时,基因表达水平的变化比用单一微生物处理更为剧烈,特别是用于有益微生物(图1,2,3,4)。RPKM数据的聚类分析显示基因表达模式可分为七个聚类(图5)。离散转录组对细菌和/或真菌定植的反应表明植物初级代谢的重新调整可能有助于植物对病原体攻击的防御反应。


基因表达分析结果显示,在Bv和Ggt共同定植的小麦中,JA含量可能会降低,而SA含量可能会增加(表1)。与Ggt感染相比,JA响应基因的表达在Bv + Ggt样品中减弱。Bv可能导致细胞壁木质化的增加,或者Bv和Ggt之间的相互作用可能触发植物中基因表达的复杂调节(表2,图4,6,7,8)。

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图1:表达模式(A)和编码NBS-LRR蛋白的DEG数(B)

  

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图2:通过来自概况4,17,10和1的数据计算的富集途径

 

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图3:小麦根中随机选择基因的qRT-PCR分析

 

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图4:从当前转录组数据获得的基因表达谱

 

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图5:DEG的分层聚类分析.PNG


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图6:茉莉酸(JA)生物合成概述

 

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图7:Bv,Ggt和Bv + Ggt对木质素生物合成的影响

 

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图8:木质素结构对Bv,Ggt和Bv + Gg定植的影响


表1:参与小麦根中JA和SA生物合成的基因表达谱(上下)


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表2:抗性基因(上下)的表达
 
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小麦的蛋白质组响应于Bv-, Ggt- and Bv+Ggt-概况


为了鉴定相对于对照植物在Bv,Ggt和Bv+Ggt定植的小麦根中差异表达的蛋白质(DEP),基于iTRAQ技术进行了定量蛋白质组学分析。根据DEP的标准鉴定(≥1.5-fold cutoff, P-value < 0.05),在783个鉴定的蛋白中,只有8种蛋白质,无论在Ggt-还是在Bv Ggt-定植的小麦根中,都显示出显著差异。然而,在Bv定植的小麦根中没有鉴定出DEP。在这些DEP中,包括磷酸甘油酸激酶,磷酸烯醇丙酮酸羧化酶2,天冬氨酸氨基转移酶,亲环蛋白A和预测的蛋白质在Ggt-和Bv Ggt-定植的根中受到调节。Ggt定植的小麦根中,特异性调节了三种DEP,包括26S蛋白酶体非ATP酶调节亚基3,40S核糖体蛋白S16和Serpin-ZX。同样,三个DEP在Bv Ggt定植的根中被特异性调节,包括内质蛋白样蛋白,核糖体蛋白S6和丝氨酸羟甲基转移酶,这可能有助于提高小麦抗性。

转录组和蛋白质组数据的比较分析


总共129种鉴定的蛋白质相应的转录物在RNA-seq数据中被表示。来自Bv,Ggt和Bv + Ggt处理的转录物和蛋白质数据显示皮尔森相关性(r)分别为0.0196,0.0927和0.0116(图10)。


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图9:Bv,Ggt和Bv + Ggt对茉莉酸(JA)和水杨酸(SA)生物合成的影响
 

小麦根系中植物激素和木质素的含量


木质素是一种芳香族聚合物,主要沉积在二次增稠的细胞壁中,硬化细胞壁。为了解木质素在单个或组合定植中的作用,研究了有益或致病微生物及木质素含量。小麦根横切面的比较表明,与未接种的植物相比,接种Bv,Ggt或Bv + Ggt导致更多的木质化组织(图8)。然而,实验结果显示在病原体存在下木质素含量增加,并在Bv + Ggt样品中最高,表明Bv和Ggt的共感染进一步增强了次生壁厚度。
 
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图10:转录物和相关蛋白的相关图


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图11:植物-病原体相互作用途径


文章小结


在这项研究中,通过对小麦感染微生物后的转录组和蛋白质组的比较分析,作者首次报道了六倍体小麦对Bacillus velezensis CC09,Gaeumannomyces graminis var 的响应机制,加深了对六倍体小麦有益菌株 - 病原真菌关系的理解,这可能为生物防治提供新的思路,并有助于缓解小麦作物相关疾病问题。

本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份三分快3完成。


原文索引


X Kang et al.  Mol Plant Microbe Interact (2019). A comparative transcriptomic and proteomic analysis of hexaploid wheat’s responses to colonization by Bacillus velezensis and Gaeumannomyces graminis both separately and combined. Published Online:24 May 2019.