三種植物線粒體基因低溫差異表達(dá)比較分析

王賽賽 李錦 祝建波

摘 要：線粒體作為植物細(xì)胞的能量代謝中心，在植物響應(yīng)逆境脅迫中有重要的作用。該研究基于雪蓮（Saussurea involucrata）、番茄（Lycopersicon esculentum）和擬南芥（Arabidopsis thaliana）三種不同低溫耐受性植物的低溫轉(zhuǎn)錄組。通過(guò)blast比對(duì)和數(shù)據(jù)庫(kù)檢索篩選相關(guān)物種的線粒體基因，使用PlantCARE在線網(wǎng)站分析啟動(dòng)子，使用mega7軟件對(duì)系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建分析。結(jié)果表明：通過(guò)差異表達(dá)基因篩選，分別在雪蓮、擬南芥、番茄中篩選出2、24、15個(gè)顯著差異表達(dá)基因，主要包括線粒體核糖體亞基和電子傳遞鏈各復(fù)合體亞基，其中部分基因的低溫差異表達(dá)情況如NAD1和NAD5，可能與植物的低溫適應(yīng)性有關(guān);通過(guò)表達(dá)模式的聚類分析，雪蓮與擬南芥在基因的表達(dá)模式上相對(duì)于番茄更為相近，且不同類別的基因表達(dá)模式在不同物種間差異較大;雪蓮與其他菊科植物的呼吸鏈相關(guān)基因的蛋白序列具有很大差異，與萬(wàn)年蘚（Climacium dendroides）、牛舌蘚（Anomodon minor）等高山植物的進(jìn)化距離較近。在整體上擬南芥、番茄和雪蓮三種植物線粒體基因在低溫響應(yīng)上具有很大差異，表明線粒體基因及其表達(dá)調(diào)控與植物的低溫耐受性之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。

關(guān)鍵詞：低溫耐受性， 植物， 線粒體基因， 表達(dá)模式

中圖分類號(hào)：Q943

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3142（2020）08-1140-11

Abstract：As the energy metabolism center of plant cells， mitochondria play an important role in plant response to stress. To analyze difference in expression mode of mitochdria gene from the Arabidopsis thaliana， Lycopersicon esculentum and Saussurea involucrata， the differential expression genes （DEGs） was filtered in the three low temperature transcriptomes and comparison analysis was performed on the DEGs from three plants. All the mitochondria genes were filtered through blast against the mitochondria genomes that was downloaded from the NCBI database. Promoter analysis was performed through PlantCARE online website and the mega software was used to phylogenetic tree construction. The results were as follows：In total， there were 2， 24 and 15 DEGs were found in Saussurea involucrata， Arabidopsis thaliana and Lycopersicon esculentum， and these genes were mainly focused on mitochondrial ribosomal and electron transfer chain complex subunits; A few genes were seemed to relate to the cold adaptation that the expression level was positive to the ability of cold tolerance of the three plants， especially for the NAD1 and NAD5 gene; Through cluster analysis of expression patterns， Saussurea involucrata and Arabidopsis thaliana were more similar in genes expression mode than Lycopersicon esculentum， and the expression mode of different genes had a quite difference between different plants; Further analysis on the conserved motif sequence of these genes， the sequences of Saussurea involucrata showed more close relationship with the alpine plants such as Climacium dendroides and Anomodon minor than the other compositae plants. In general， the mitochondrial genes had a quite difference on the sequence of conserved motif and expression mode under the cold condition between the Arabidopsis thaliana， Lycopersicon esculentum and Saussurea involucrata. It was concluded that the mitochondria genes and its expressional regulation could be implicated in the cold adaptation of plants.

Key words：low temperature tolerance， plants， mitochondrial gene， expression mode

植物線粒體通過(guò)氧化磷酸化提供生命活動(dòng)所需的各種能量，在光呼吸代謝、C4植物的光合作用和景天酸代謝（Picault et al.， 2004）等途徑中發(fā)揮著重要作用。線粒體的主要功能是進(jìn)行三羧酸循環(huán)，通過(guò)電子傳遞鏈及氧化磷酸化合成ATP，這里是物質(zhì)徹底氧化分解的場(chǎng)所，為細(xì)胞內(nèi)的各種生命活動(dòng)提供能量。此外，線粒體還與細(xì)胞內(nèi)眾多代謝過(guò)程相關(guān)，如參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原電位，調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞凋亡等（Millar et al.， 2011）。線粒體在植物響應(yīng)逆境脅迫中有重要作用，在逆境脅迫下它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能會(huì)發(fā)生明顯的變化，在一定程度上可作為表征植物對(duì)逆境條件耐受性的依據(jù)（周宇飛等， 2013）。逆境脅迫會(huì)引起呼吸代謝的紊亂（Vanhoudt et al.， 2011; Tulah & Birch-Machin， 2013），造成活性氧的積累，過(guò)剩的ROS會(huì)誘導(dǎo)或加劇膜脂過(guò)氧化程度，導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化物水平迅速提高（Sairam & Srivastava， 2002），主要體現(xiàn)在線粒體膜和膜蛋白的損傷、線粒體蛋白質(zhì)損傷、線粒體DNA損傷等（Rachel et al.， 2005; Foyer & Noctor， 2010; 馬曉蕾等， 2013）。通過(guò)對(duì)冷脅迫下植物線粒體蛋白組的研究發(fā)現(xiàn)，一些線粒體蛋白如線粒體電子傳遞鏈（mitochondrial electron transport chain， mETC）復(fù)合物I-V、交替氧化酶（alternative oxidase， AOX）、解偶聯(lián)蛋白（uncoupling protein， UCP）等的表達(dá)水平受到冷或熱脅迫的影響，預(yù)示著這些蛋白可能參與了植物對(duì)溫度脅迫的響應(yīng)過(guò)程（Yin et al.， 2009; Qin et al.， 2009; Tan et al.， 2012）。但是，植物線粒體中存在有多條電子傳遞途徑，低溫脅迫對(duì)不同植物線粒體呼吸鏈的具體傷害位點(diǎn)也會(huì)不同（劉美君等， 2014）。如在對(duì)半耐寒植物豌豆（Pisum sativum）的蛋白組研究中，低溫對(duì)其電子傳遞鏈復(fù)合物的影響較小，主要影響的是線粒體中AOX和UCP的豐度（Taylor et al.， 2009）;在對(duì)耐寒植物高山離子芥（Chorispora bungeana）研究中，低溫對(duì)其線粒體的影響又出現(xiàn)不同，其線粒體中AOX和UCP含量變化較小，但呼吸鏈復(fù)合體的變化較高（常建鋒， 2007）。這表明不同植物線粒體在應(yīng)對(duì)低溫脅迫時(shí)的響應(yīng)機(jī)制有所不同，其響應(yīng)機(jī)制可能與其低溫耐受性之間存在某種關(guān)聯(lián)。

本研究主要根據(jù)雪蓮、擬南芥和番茄三種不同低溫耐受性植物的低溫轉(zhuǎn)錄組，篩選并比較其線粒體基因表達(dá)差異，來(lái)探索植物線粒體低溫表達(dá)模式與低溫耐受性之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)低溫條件下，三種不同低溫耐受性植物線粒體基因表達(dá)差異比較和不同低溫耐受性植物間線粒體基因進(jìn)化關(guān)系的對(duì)比，來(lái)分析不同低溫耐受性植物間低溫響應(yīng)機(jī)制和代謝水平的差異，以及通過(guò)響應(yīng)冷脅迫的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因的序列差異，來(lái)探索不同低溫耐受性植物間線粒體的低溫表達(dá)模式的差別，為進(jìn)一步研究植物線粒體冷脅迫響應(yīng)機(jī)制和相關(guān)基因功能奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 雪蓮、番茄、擬南芥線粒體低溫差異表達(dá)基因的抽取

雪蓮轉(zhuǎn)錄本源數(shù)據(jù)（李錦等， 2017）的下載，以向日葵、菊花等菊科線粒體基因參照，與轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行比對(duì)，參照雪蓮轉(zhuǎn)錄組注釋文件，篩選出雪蓮線粒體基因的低溫差異表達(dá)量數(shù)據(jù)，編寫python腳本并篩選其基因序列。番茄低溫轉(zhuǎn)錄本數(shù)據(jù)（Barrero-Gil et al.， 2016）的下載，以NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的番茄線粒體基因組為參考，從源數(shù)據(jù)中篩選出其線粒體基因的低溫表達(dá)量數(shù)據(jù)。擬南芥低溫轉(zhuǎn)錄組源數(shù)據(jù)（Vogel et al.， 2005）下載，以擬南芥線粒體基因組（Sloan et al.， 2018）為參考，篩選出擬南芥線粒體的低溫差異表達(dá)量數(shù)據(jù)。

1.2 三種植物線粒體基因低溫差異表達(dá)對(duì)比

根據(jù)三種植物的低溫差異表達(dá)的線粒體基因表達(dá)量數(shù)據(jù)，使用R語(yǔ)言中的pheatmap包進(jìn)行聚類分析，比較其低溫線粒體基因表達(dá)差異，并分析差異表達(dá)基因分屬的不同代謝通路，分析其代謝通路差異與低溫脅迫之間的關(guān)系，主要從代謝通路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因入手。

1.3 三種植物線粒體低溫差異表達(dá)基因的驗(yàn)證

對(duì)以上篩選的部分線粒體低溫差異表達(dá)基因進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)其轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)三種植物低溫轉(zhuǎn)錄本的測(cè)定條件，分別對(duì)其進(jìn)行低溫處理，雪蓮組培苗低溫處理組為4 ℃冷馴化7 d，-2 ℃再處理48 h，參照組為4 ℃冷馴化7 d，所用雪蓮為生長(zhǎng)2個(gè)月的組培苗;擬南芥低溫處理組條件為4 ℃處理24 h，參照組條件為18 ℃培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng)2周的擬南芥;番茄低溫處理組條件為10 ℃處理48 h，參照組條件為25 ℃正常生長(zhǎng)3周的番茄栽培苗。分別提取其RNA并反轉(zhuǎn)錄為cDNA，根據(jù)篩選出的三種植物主要的低溫差異表達(dá)基因序列，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)熒光定量檢測(cè)引物（各基因的引物序列與內(nèi)參基因引物表1），進(jìn)行RT-qPCR實(shí)驗(yàn)。分析三種植物的線粒體基因低溫差異表達(dá)情況，是否與轉(zhuǎn)錄組中篩選的低溫差異表達(dá)趨勢(shì)一致。

1.4 三種植物的線粒體呼吸鏈基因的啟動(dòng)子分析

從篩選出的低溫差異表達(dá)基因中，找到與呼吸鏈組成密切相關(guān)的基因，并獲得其啟動(dòng)子序列（雪蓮基因組由祝建波研究員提供，未發(fā)表），使用PlantCARE （Lescot et al.， 2002）在線網(wǎng)站分析其順式作用原件，統(tǒng)計(jì)并分析呼吸鏈相關(guān)基因啟動(dòng)子中的順式作用元件功能與數(shù)量。對(duì)含有低溫響應(yīng)元件的線粒體基因表達(dá)差異進(jìn)行分析。

1.5 多種植物線粒體低溫差異表達(dá)基因的進(jìn)化關(guān)系分析

下載了17種擁有不同低溫耐受性植物線粒體基因組序列，抗寒植物包括尖葉牛舌蘚（Anomodon attenuates）、萬(wàn)年蘚（Climacium americanum）、歐洲山楊（Populus tremula）、人參（Panax ginseng），耐寒植物有柴胡（Bupleurum falcatum）、蠶豆（Vicia faba）、沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus），較耐寒植物有甘藍(lán)（Brassica oleracea）、菊花（Chrysanthemum boreale）、向日葵（Helianthus annuus），以及不耐寒的天仙子（Hyoscyamus niger）、煙草（Nicotiana attenuate）、丹參（Salvia miltiorrhiza）、巨桉（Eucalyptus grandis）、辣椒（Capsicum annuum）、葡萄藻（Botryococcus braunii）、共球藻（Trebouxiophyceae sp.）。通過(guò)對(duì)不同適應(yīng)溫度的植物線粒體基因蛋白保守序列的比對(duì)與進(jìn)化關(guān)系分析，來(lái)探索和討論不同植物間在低溫脅迫下的線粒體基因的作用與響應(yīng)機(jī)制。首先使用DNAMAN對(duì)線粒體基因中響應(yīng)低溫的蛋白序列進(jìn)行多序列比對(duì)，并使用mega7分析它們之間的進(jìn)化關(guān)系與距離。主要探究其低溫耐受性與線粒體差異表達(dá)基因序列相似性的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種植物低溫差異表達(dá)線粒體基因篩選

從三種植物的轉(zhuǎn)錄本中共篩選出32個(gè)線粒體差異表達(dá)基因， 雪蓮2個(gè)， 番茄15個(gè)， 擬南芥24個(gè)。從表2可以看出，線粒體中低溫差異表達(dá)基因主要為組成各呼吸鏈復(fù)合體的亞基和核糖體蛋白大小亞基基因，包括NAD、COB、COX、CCB、ATP6、RPS和RPL等。擬南芥低溫差異表達(dá)基因有24個(gè)，主要包括呼吸鏈復(fù)合體I亞基基因8個(gè)，復(fù)合體Ⅲ亞基基因5個(gè)，復(fù)合物Ⅳ亞基基因2個(gè)，核糖體亞基基因8個(gè)，1個(gè)線粒體mRNA成熟酶R基因; 番茄低溫差異表達(dá)基因有15個(gè)， 主要包括呼吸鏈復(fù)合體I亞基基因2個(gè)，復(fù)合體Ⅲ亞基基因1個(gè)，核糖體亞基基因13個(gè);雪蓮低溫差異表達(dá)基因2個(gè)，均在呼吸鏈復(fù)合體上，其中復(fù)合體Ⅲ亞基1個(gè)，復(fù)合體Ⅳ亞基基因1個(gè)。其中，低溫差異表達(dá)上調(diào)基因中擬南芥主要為電子傳遞鏈復(fù)合體亞基基因，番茄為核糖體亞基基因，雪蓮無(wú)上調(diào)表達(dá)基因。其中，雪蓮線粒體下調(diào)基因CCB206和COB下調(diào)幅度較大，在擬南芥和番茄中均上調(diào)的線粒體基因，上調(diào)幅度均是番茄大于擬南芥。

2.2 三種植物線粒體低溫差異基因相對(duì)表達(dá)量分析

通過(guò)三種植物低溫差異表達(dá)熱圖，雪蓮與擬南芥相對(duì)于番茄在基因的表達(dá)模式上更為相近。在基因的表達(dá)聚類上，所有差異表達(dá)基因可分為6大類，從上到下分別為6類（圖1）。其中第一類和第二類主要是線粒體核糖體亞基基因，低溫差異表達(dá)模式大致相似，按雪蓮、擬南芥到番茄依次遞增。第一類中雪蓮不變，擬南芥上調(diào)較小，番茄上調(diào)程度最大;第二類中除核糖體亞基外，還有兩個(gè)呼吸鏈復(fù)合體亞基基因ATP6和CCB206，其低溫差異表達(dá)與第一類相似，但擬南芥與番茄的低溫差異表達(dá)程度差異不大，雪蓮不變或顯著下調(diào)，擬南芥和番茄均上調(diào)，且上調(diào)幅度一致。第五類也是由核糖體亞基基因組成，表達(dá)模式與第一類和第二類有一定的相似性，其低溫差異表達(dá)模式番茄同樣是顯著上調(diào)表達(dá)，雪蓮與擬南芥不變或下調(diào)幅度較小。第三類、第四類和第六類主要為呼吸鏈復(fù)合體亞基基因。第三類低溫差異表達(dá)為雪蓮和番茄差異較小或不變，擬南芥上調(diào)程度最大;第四類低溫差異表達(dá)按番茄、雪蓮、擬南芥依次遞增，番茄差異表達(dá)下調(diào)程度大，雪蓮不變，擬南芥差異表達(dá)上調(diào)或不變;第六類低溫差異表達(dá)為雪蓮和番茄不變，擬南芥下調(diào)幅度較小。其中第一類、第二類和第四類的部分核糖體亞基基因的差異表達(dá)情況與其低溫耐受性呈負(fù)相關(guān)。三種植物線粒體在低溫表達(dá)模式均有差異，整體上雪蓮與擬南芥相較于番茄的低溫表達(dá)模式更為相近，表明其耐受性與線粒體低溫表達(dá)模式可能存在某種關(guān)聯(lián)性。

2.3 三種植物的線粒體基因低溫差異表達(dá)情況的驗(yàn)證

選取NAD1、NAD3、NAD5、RPS12、RPL2、RPL5、ATP6、COB、CCB206、COX1和COX2等11個(gè)線粒體基因進(jìn)行低溫表達(dá)差異檢測(cè)，熒光定量PCR結(jié)果如表3所示，表中數(shù)據(jù)為根據(jù)各基因低溫相對(duì)表達(dá)量（即2-ΔΔCT）的差異程度分為不同的等級(jí)。雪蓮線粒體基因低溫處理后的差異表達(dá)基因數(shù)比低溫轉(zhuǎn)錄組中的較多，但大部分基因表達(dá)量與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)一致。在轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中沒(méi)有篩選

出變化的基因，在熒光定量驗(yàn)證中出現(xiàn)了變化，但變化量不大，且重復(fù)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)變化量不一致，使用數(shù)據(jù)較好的一組，求平均值進(jìn)行計(jì)算，會(huì)存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差，當(dāng)然也可能是由于轉(zhuǎn)錄組誤差所致，但其表達(dá)量變化不顯著，仍可以進(jìn)行相關(guān)分析。但總體上三種植物的低溫差異表達(dá)基因與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)一致，少數(shù)基因的相對(duì)表達(dá)量大小可能有所出入，但表達(dá)量變化趨勢(shì)沒(méi)有變化。

2.4 三種植物的線粒體呼吸鏈基因的啟動(dòng)子分析

通過(guò)對(duì)三種低溫差異表達(dá)基因的篩選，其中與呼吸鏈相關(guān)的基因主要有NAD1、NAD2、NAD4、NAD5、NAD6、NAD7、NAD9、ATP6、CCB382、CCB206、CCB256、CCB452、COB、COX1和COX2，分別分析其啟動(dòng)子， 啟動(dòng)子中的順式作用元件種類主要有光響應(yīng)元件、缺氧與厭氧誘導(dǎo)響應(yīng)元件、茉莉酸甲酯響應(yīng)元件、赤霉素響應(yīng)元件、生長(zhǎng)素響應(yīng)元件、脫落酸響應(yīng)元件、水楊酸響應(yīng)元件、防御與脅迫響應(yīng)元件、低溫響應(yīng)元件、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)響應(yīng)元件，啟動(dòng)子和增強(qiáng)子區(qū)域中常見(jiàn)的響應(yīng)元件CAAT-box、GC-motif，核心啟動(dòng)子元件TATA-box，參與晝夜控制元件circadian等具有不同功能的順式作用原件。圖2列出了呼吸鏈相關(guān)線粒體基因的元件類型與數(shù)量。

由表4可知，低溫響應(yīng)元件LTRE和脫落酸響應(yīng)元件ABRE是基因低溫誘導(dǎo)調(diào)控中的關(guān)鍵元件。在雪蓮中顯著下調(diào)的ATP6和CCB206基因的啟動(dòng)子中均包含1個(gè)ABRE和0個(gè)LTRE元件，說(shuō)明該ABA響應(yīng)元件可能與其他逆境誘導(dǎo)有關(guān)。擬南芥中低溫顯著上調(diào)的大多數(shù)基因均可發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)子中包含LTRE或ABRE，如NAD1、NAD5和NAD9等。但在擬南芥中NAD7作為顯著低溫上調(diào)基因，其基因啟動(dòng)子區(qū)域卻均未發(fā)現(xiàn)LTRE和ABRE，說(shuō)明該基因的低溫誘導(dǎo)表達(dá)與其他誘導(dǎo)信號(hào)關(guān)聯(lián)。番茄中的NAD1和NAD5基因類似與雪蓮的ATP6和CCB206基因，均可發(fā)現(xiàn)ABRE元件的存在。整體上，大多低溫上調(diào)表達(dá)的基因均可在其表達(dá)調(diào)控區(qū)域發(fā)現(xiàn)LTRE或ABRE，說(shuō)明線粒體基因的表達(dá)受低溫信號(hào)或相關(guān)激素信號(hào)的調(diào)控，但這種調(diào)控模式在不同植物間具有很大差異。

2.5 不同溫度適應(yīng)性植物線粒體基因序列分析與對(duì)比

通過(guò)NCBI根據(jù)不同適應(yīng)溫度，下載17種不同溫度適應(yīng)性植物線粒體編碼蛋白序列，進(jìn)行多序列分析，并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹。由于植物線粒體基因組主要編碼部分呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ-Ⅵ亞基基因，這些復(fù)合體亞基基因不僅序列上高度保守，而且在數(shù)量上基本相同。所以各植物選擇的線粒體編碼基因序列主要是由NAD1、NAD3、NAD5、NAD7、NAD9、COB、CCB、COX1、RPS3、RPS5和RPL5等具有較高保守結(jié)構(gòu)域的基因序列構(gòu)成。由圖3可知，雪蓮與菊花和向日葵雖同屬一科，但其序列相似度卻不高，與其序列相似度較高的為擬南芥、牛舌蘚、萬(wàn)年蘚、甘藍(lán)和歐洲山楊。與雪蓮保守序列相似性較高的，除擬南芥與甘藍(lán)外，其他均分布在寒溫帶針葉林，且都具有抗寒特性， 表明雪蓮與其他植物的線粒體序列差異不僅體現(xiàn)在種屬差異，還與其生長(zhǎng)環(huán)境差異有關(guān)。高度保守的蛋白序列之間存在的差異，一定程度上與其所處環(huán)境壓力有關(guān)。雖然雪蓮、菊花、向日葵等同屬菊科植物，但在進(jìn)化關(guān)系上距離較遠(yuǎn)，與萬(wàn)年蘚、牛舌蘚、歐洲山楊等高山植物的進(jìn)化距離較近，說(shuō)明雪蓮線粒體在高寒環(huán)境影響下，進(jìn)化出自身適應(yīng)該環(huán)境的機(jī)制，基因結(jié)構(gòu)也與其他菊科植物產(chǎn)生較大差異。

3 討論與結(jié)論

三種植物在低溫下差異表達(dá)基因，主要集中在電子傳遞鏈各復(fù)合物亞基和核糖體蛋白亞基基因。由于植物的低溫響應(yīng)機(jī)制特別復(fù)雜，本文只針對(duì)呼吸鏈相關(guān)基因低溫表達(dá)差異與低溫耐受性之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)呼吸鏈相關(guān)基因分析發(fā)現(xiàn)，其中番茄和擬南芥中NADH脫氫酶亞基基因差異表達(dá)最多，即擬南芥與番茄冷脅迫的影響主要是依賴于NADH的呼吸受抑制程度較大，而依賴于琥珀酸的呼吸受抑制較輕，冷脅迫主要破壞呼吸鏈中復(fù)合體Ⅰ的活性，復(fù)合體Ⅰ低溫下差異表達(dá)情況，對(duì)其低溫耐受性有重要作用（Daniela et al.， 2007）。擬南芥與番茄在調(diào)節(jié)依賴于NADH的電子傳遞途徑時(shí)的差異，如NAD1、NAD5擬南芥中顯著上調(diào)，而番茄顯著下調(diào)，反映出擬南芥與番茄在冷脅迫上的耐受性差異。兩種植物的電子傳遞鏈復(fù)合體Ⅲ、IV亞基基因在冷脅迫下也具有不同的表達(dá)模式，該復(fù)合體同樣在植物低溫脅迫下具有重要作用，其表達(dá)上調(diào)有助于呼吸電子鏈的電子傳遞，有助于氧自由基的消耗，減少活性氧對(duì)細(xì)胞的損傷（Verrier et al.， 2008; Rayapuram et al.， 2008; Gaudet et al.， 2011）。擬南芥和番茄該復(fù)合體亞基基因的低溫差異表達(dá)模式同樣有區(qū)別，擬南芥中該復(fù)合體亞基基因大多顯著上調(diào)表達(dá)，番茄中下調(diào)表達(dá)或不變，如CCB、COX等基因在兩種植物中的低溫表達(dá)差異，這種表達(dá)差別同樣是其低溫耐受性差異的原因。雪蓮的呼吸鏈相關(guān)基因的差異表達(dá)模式不同于其他兩種植物，由于其較強(qiáng)的低溫耐受性，復(fù)合體Ⅰ-Ⅳ的大部分亞基基因均未受到低溫傷害，只有復(fù)合體Ⅳ、Ⅴ中的CCB和ATP6出現(xiàn)顯著下調(diào)，冷脅迫主要影響的是其電子傳遞鏈的最后部分，通過(guò)控制能量代謝速率降低機(jī)體能量消耗和呼吸效率，來(lái)應(yīng)對(duì)低溫脅迫（Jacoby et al.， 2011）。三種植物在低溫脅迫下表達(dá)模式和調(diào)控機(jī)制的差異，可能是形成其低溫耐受性差異的一個(gè)原因。通過(guò)對(duì)呼吸鏈相關(guān)基因蛋白序列分析得出，雖然雪蓮、菊花、向日葵等同屬菊科植物，但在進(jìn)化關(guān)系上距離較遠(yuǎn)，與萬(wàn)年蘚、牛舌蘚、歐洲山楊等高山植物的進(jìn)化距離較近，雪蓮與其他植物的線粒體序列差異不僅體現(xiàn)在種屬差異，還與其生長(zhǎng)環(huán)境差異有關(guān)。

通過(guò)以上對(duì)三種植物的線粒體差異表達(dá)基因模式和基因表達(dá)聚類分析得出，雪蓮與擬南芥相對(duì)于番茄在基因的表達(dá)模式上更為相近;不同冷耐受性植物線粒體之間的線粒體保守序列分析得出，雖然雪蓮和菊花、向日葵等同屬菊科植物，但在進(jìn)化關(guān)系上距離較遠(yuǎn)，卻與萬(wàn)年蘚、牛舌蘚和歐洲山楊等高山植物的進(jìn)化距離較近，這一現(xiàn)象同樣驗(yàn)證了一部分線粒體基因的低溫差異表達(dá)與其自身冷耐受性相關(guān)聯(lián)這一結(jié)論。

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（責(zé)任編輯 何永艷）