裘波音,鄭 旋,李大忠,林 琿,張前榮,劉建汀,朱海生,溫慶放
(1.福建省蔬菜遺傳育種重點實驗室,福州 350013;2.福建省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所,福州 350013;3.福建省蔬菜工程技術(shù)研究中心,福州 350013;4.福建省種子總站(福建種子質(zhì)量檢驗站),福州 350003)
【研究意義】苦瓜(MomordicacharantiaL.)屬于葫蘆科苦瓜屬一年生蔓性草本植物,起源于熱帶,喜光喜濕,對肥料要求較高,花、果期5—10月[1]??喙弦蚝辛_漢果苷和苦瓜素等成分而呈苦味,是一種重要的食藥兼用園藝作物,具有重要經(jīng)濟價值。果肉厚度是瓜果類作物重要的品質(zhì)性狀,也是產(chǎn)量的決定性因素,即果肉越厚,果實的可食用部分就越大[2]。果肉發(fā)育是果實發(fā)育的重要階段,也是關(guān)系果實整體品質(zhì)的核心因子[3]。果實發(fā)育過程受一系列基因表達引起的生理生化變化調(diào)控,最終形成不同的顏色、質(zhì)地、香氣、營養(yǎng)成分等,導致產(chǎn)量及品質(zhì)上的差異[4-5]。研究果肉發(fā)育一方面有利于深化植物發(fā)育相關(guān)機制的探討,另一方面也對推進理論成果轉(zhuǎn)化應用起到積極作用?!厩叭搜芯窟M展】高通量轉(zhuǎn)錄組測序作為后基因時代率先發(fā)展起來的技術(shù),已經(jīng)在生物學領域得到了廣泛的應用。在蔬菜相關(guān)研究中,轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)主要用于分子標記開發(fā),如劉峰等[6]基于5份辣椒的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)篩選獲得18 159個SNP,且選取的15對驗證引物中有8對表現(xiàn)出多態(tài)性;林琿等[7]在24份花椰菜中挖掘出10 715個轉(zhuǎn)錄組SSR位點,分析獲得具有潛在高多態(tài)性的引物6119對;劉建汀等[8]在印度南瓜11 871個Unigenes中發(fā)現(xiàn)其中5391個含有SSR位點,且含有至少2個SSR位點的有319個;遺傳育種和進化分析,如Koenig等[9]利用轉(zhuǎn)錄組分析了番茄栽培品種和5個近緣野生品種的基因序列和表達差異,發(fā)現(xiàn)序列變異方面有50多個基因出現(xiàn)了正向選擇,而在表達水平方面,有數(shù)千個基因出現(xiàn)了變化,其中很多包括果色、耐熱、耐鹽等在內(nèi)的相關(guān)基因其表達差異是由選擇壓力造成的,表明人工馴化在栽培植物的形態(tài)、生理和生活史方面產(chǎn)生了重要影響;差異表達基因分析和功能注釋,如王明霞等[10]對安徽烏菜與普通白菜共3份材料進行測序,其中200個KEGG注釋基因中參與植物病原菌互作通路的占11%,位居第一,參與植物激素信號轉(zhuǎn)導通路和類苯基丙烷生物合成通路的占9.5%,排第二;吳萍等[11]對來源于6個產(chǎn)地的不同種白芷進行分析共獲得15 939個差異基因,其功能主要與細胞組分、催化活性、代謝過程等相關(guān),其中在川白芷中上調(diào)最高的10個基因多與蛋白質(zhì)加工、激素信號傳導等相關(guān),而下調(diào)最多的10個基因則與RNA運輸、果糖代謝等相關(guān);功能基因挖掘,如基于轉(zhuǎn)錄水平獲得的BvM14-SAMS2基因在甜菜M14品系根中表達最高,并受鹽脅迫誘導表達[12];而WRKY家族各成員在甜菜不同組織間表達差異大,其中BvWRKY33在熱脅迫和鹽脅迫下均呈上調(diào)表達[13],表明上述基因?qū)μ鸩四婢成碚{(diào)控具有重要作用?!颈狙芯壳腥朦c】近年來,苦瓜營養(yǎng)價值被不斷開發(fā)和利用,促使其生產(chǎn)在全世界逐漸流行,這對苦瓜種質(zhì)創(chuàng)新提出了挑戰(zhàn)。了解不同果肉厚度苦瓜果實成熟過程中的基因表達情況,有利于探究果實發(fā)育調(diào)控機理,推動良種培育,滿足人類對其持續(xù)消費的需求?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究立足果肉厚度,對不同苦瓜種質(zhì)進行統(tǒng)計分析,篩選果肉厚度差異顯著材料,再利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對其進行比較分析,挖掘差異表達基因,預測轉(zhuǎn)錄因子,并對差異表達基因進行功能注釋、代謝通路富集等分析,為進一步揭示苦瓜果肉發(fā)育分子調(diào)控機制提供理論依據(jù)。
70份苦瓜品系由福建省農(nóng)科院作物研究所蔬菜研究室提供,于2020—2021年春季種植于福州市試驗基地(119.28°E, 26.08°N)。
于成熟期采樣,每個品系采長勢相似的4個瓜,在離瓜蒂2/3處橫切,用游標卡尺測量橫徑和瓤腔寬度,計算果肉厚度,公式如下:果肉厚度=(橫徑-瓤腔寬度)×0.5。根據(jù)果肉厚度的顯著性差異篩選厚肉和薄肉材料各1份進行后續(xù)試驗。
于樣品成熟期對厚肉型苦瓜和薄肉型苦瓜各1份進行取樣,每份材料取9個瓜,設3個生物學重復,即每個重復為3個瓜混樣。采摘后立即置于液氮中保存,用于總RNA的提取。利用OmniPlant RNA(DNase I)試劑盒(康為世紀,北京)進行RNA提?。?%瓊脂糖凝膠電泳分析樣品RNA完整性及是否存在DNA污染;利用NanoPhotometer spectrophotometer檢測RNA純度(OD260/280及OD260/230比值);利用Agilent 2100 bioanalyzer精確檢測RNA完整性。樣品送福建華諾通達公司進行轉(zhuǎn)錄組測序。
使用Illumina的NEBNext?UltraTM RNA Library Prep Kit對總RNA進行建庫。文庫構(gòu)建完成后,先使用Qubit2.0 Fluorometer進行初步定量,隨后使用Agilent 2100 bioanalyzer對文庫的insert size進行檢測,qRT-PCR對文庫有效濃度進行準確定量(文庫有效濃度高于2 nmol/L),以保證文庫質(zhì)量。
采用Illumina HiSeq2500進行測序,對測序所獲得的原始數(shù)據(jù),按照華諾通達公司的數(shù)據(jù)處理方法進行過濾,去除帶接頭(adapter)、含N(N表示無法確定堿基信息)和低質(zhì)量reads(Qphred≤20的堿基數(shù)占整個read長度的50%以上的reads),再對clean data進行Q20,Q30和GC含量計算。后續(xù)所有分析均是基于clean data進行的高質(zhì)量分析。
本研究采用有參轉(zhuǎn)錄組測序(Momordica charantia ASM199503v1,https://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/001/995/035/GCF_001995035.1_ASM199503v1/),使用HISAT2 v2.0.5構(gòu)建參考基因組的索引,并將配對末端clean reads與參照基因組比對。通過BlastX軟件,與NCBI的non-redundant(NR)、UniProt/Swiss-Prot、Gene Ontology(GO)、Kyoto Encyclopedia of Genes and Gnomes(KEGG)等數(shù)據(jù)庫進行比對,以獲得其功能注釋信息。
通過FPKM法來計算基因的表達量,即每百萬fragments中來自某一基因每千堿基長度的fragments數(shù)目。差異基因篩選基于“有生物學重復”類型,利用DESeq2軟件和負二項分布的P-value計算模型,以“|log2(Fold Change)| > 0,padj <0.05”為標準進行。用BLAST2GO軟件進行GO注釋,用KOBAST軟件進行KEGG注釋。并采用clusterProfiler軟件對差異基因集進行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析。
數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0進行統(tǒng)計分析,采用WPS Office進行作圖。
如表1所示,測定的70個品系材料果肉厚度分布范圍較廣,最大值為12.85 mm,最小值為8.65 mm,平均厚度為9.84 mm,整體呈正態(tài)分布,其中大部分厚度在9~11 mm,小于9 mm的有7個,大于11 mm的有3個?;谝话憔€性模型的單因素分析進行多重比較,方法選用Tamhane’s T2(P≤0.01),發(fā)現(xiàn)LX1-3(12.85 mm)和ZK54(8.83 mm)果肉厚度具有極顯著差異,前者是后者的1.46倍,因此,將LX1-3作為厚肉型材料,ZK54作為薄肉型材料進行后續(xù)分析。
表1 苦瓜不同果肉厚度統(tǒng)計Table 1 Summary of flesh thickness of different bitter gourds
經(jīng)轉(zhuǎn)錄組測序分析統(tǒng)計,LX1-3共計得到241 306 304條初始序列,過濾后得到234 825 400條干凈序列,17.61 G干凈堿基對,平均Q30值為92.74%;比對到參考基因組上的序列平均為34 455 982條,占總序列數(shù)的88.07%,其中,單一比對序列為34 027 357條,占比86.98%,多重比對序列為428 625條,占比1.10%,GC含量為46.54%;ZK54共計得到250 983 052條初始序列,過濾后得到241 318 020條干凈序列,18.1 G干凈堿基對,平均Q30值為92.26%;比對到參考基因組上的序列平均為35 079 431條,占總序列數(shù)的87.23%,其中,單一比對序列為34 607 181條,占比86.06%,多重比對序列為472 250條,占比1.17%,GC含量為46.75%(表2)。
表2 樣品轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Summary of transcriptome sequencing results of different samples
對序列長度統(tǒng)計分析(圖1)顯示,長度小于200 bp的有54條,占0.28%;長度為200~500 bp的有684條,占3.49%;長度為501~1000 bp的有3672條,占18.73%;長度為1001~2000 bp的合計共有8578條,占43.76%;長度為2001~3000 bp的有4169條,占21.27%;長度為3001~4000的有1555條,占7.93%;長度超過4000 bp的有890條,占4.54%??傮w呈“兩頭低中間高”的趨勢,數(shù)量最多的序列長度集中在1001~2000 bp。
圖1 苦瓜轉(zhuǎn)錄組序列的長度分布Fig.1 The length distribution of unigenes of transcriptome in bitter gourd
經(jīng)篩選共得到1492個差異基因,其中796個基因上調(diào)表達,696個基因下調(diào)表達,分別占差異基因數(shù)量的53.35%和46.65%,從圖2中可以看岀,2組材料之間的基因表達水平呈顯著差異。本次測序共預測到598個轉(zhuǎn)錄因子,分屬于216類,│log2(Fold Change)│值在0.62~11.24。其中,Pkinase數(shù)目最多(45個,7.53%),其次是p450(29個,4.85%),接著為Pkinase_Tyr(21個,3.51%),2OG-FeII_Oxy(17個,2.84%),UDPGT(16個,2.68% ),Myb_DNA-binding(14個,2.34%),AP2(12個,2.01%)和HLH(10個,1.67%),其他家族共有基因434個,占72.58%(圖3)。
圖2 不同果肉厚度苦瓜差異基因Fig.2 Differential gene of bitter gourd with different sarcocarp thickness
圖3 苦瓜序列的轉(zhuǎn)錄因子預測 Fig.3 Transcription factor prediction of Unigenes in bitter gourd
共有1452個差異基因被注釋到了GO數(shù)據(jù)庫中,得到616條功能注釋,共分為三大功能,分別是生物過程、細胞組分和分子功能,依次得到308、93和215條功能注釋,占比分別為50.00%、15.10%、34.90%。每項功能中重要注釋(P<0.05)如表3所示。生物過程含DEGs 556個,共獲得308條注釋。最主要的11條功能注釋共包含151個DEGs,占27.16%。從差異基因數(shù)量上可看出,“碳水化合物代謝過程”條目居于第一位,含47個DEGs,其次為“細胞碳水化合物代謝過程”和“多糖代謝過程”,分別含18和13個DEGs,條目“細胞葡聚糖代謝過程”,“葡聚糖代謝過程”,“細胞多糖代謝過程”和“抗氧化反應”并居第四,分別含12個DEGs。從差異基因的上下調(diào)變化上得出,11個條目中上調(diào)基因數(shù)目多于下調(diào)基因數(shù)的有7條,且其中6條位于前六位。細胞組分含DEGs 180個,功能注釋93條。最主要的前9條功能注釋(P<0.05)共含75個DEGs,占41.67%。其中,“細胞周邊”條目含DEGs數(shù)目最多,為16個,其次為“細胞壁”和“外部封裝結(jié)構(gòu)”,均含有11個。9個條目共計含有上調(diào)基因55個,下調(diào)基因20個,上調(diào)基因數(shù)目是下調(diào)基因的2.275倍。分子功能含DEGs 716個,功能注釋215條。前27條主要注釋條目含有587個DEGs,占81.98%?!把t素結(jié)合”和“四吡咯結(jié)合”最多,均含有43個DEGs,其次為“轉(zhuǎn)移酶的活性/轉(zhuǎn)移糖基” “DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性” “轉(zhuǎn)錄因子活性”,各含有41個DEGs。27個條目共計含有上調(diào)基因328個,下調(diào)基因259個,上調(diào)基因數(shù)目多于下調(diào)基因。從上述結(jié)果看出,生物過程,細胞成分和分子功能三方面的上調(diào)基因數(shù)目均大于下調(diào)基因數(shù),說明果肉厚度的發(fā)育受上調(diào)基因的表達影響較大。
表3 不同果肉厚度苦瓜差異表達基因的GO富集分析Table 3 GO enrichment analysis of differentially expressed genes of bitter gourd with different sarcocarp thickness
續(xù)表3 Continued table 3
共有308個差異基因富集到了KEGG通路上,包括188個上調(diào)基因和120個下調(diào)基因,結(jié)果如圖4所示。上調(diào)基因有178個富集到20條主要的代謝通路。富集因子最高的為“卟啉和葉綠素代謝”通路,其次為“光合作用生物的碳固定作用”和“光合作用”通路。而富集數(shù)目最多的通路為“核糖體”,其次為“碳代謝”,兩者所占DEGs比列分別為12.77%和9.04%。下調(diào)基因有111個富集到20條主要的代謝通路。其中,富集因子最高的通路為“苯丙素生物合成”,其次為“二萜生物合成”通路。富集下調(diào)差異基因最多的通路為“苯丙素生物合成”,占差異基因比例為10.00%,其次為“淀粉和蔗糖代謝”“氨基酸的生物合成”和“碳代謝”,三者數(shù)量相當,所占比列為7.5%。從富集DEGs的數(shù)量角度也可以看出,厚肉苦瓜材料的代謝途徑中上調(diào)基因數(shù)量高于下調(diào)基因數(shù)量,是下調(diào)基因數(shù)量的1.56倍,說明果肉厚度發(fā)育可能主要受上調(diào)基因表達調(diào)控。
圓點的位置代表代謝途徑,圓點的大小代表基因的數(shù)量The position of the dot represents the enriched pathway,the size of the dot indicates the number of differential genes圖4 差異表達基因的KEGG分析Fig.4 The KEGG analysis of the differentially expressed genes
苦瓜是重要的蔬菜作物,其果實生長發(fā)育受細胞分裂、激素水平、信號傳導、糖碳基礎代謝、環(huán)境條件等多種因素的影響。果肉厚度作為一個重要的性狀,對其產(chǎn)量和質(zhì)量起決定性作用。立足果肉厚度的早期研究報道不多,何曉明[14]、徐強[15]等對黃瓜產(chǎn)量和果實性狀進行調(diào)查,得出果肉厚度對黃瓜產(chǎn)量影響重大,基于相關(guān)分析也得出果實的鮮重與果肉厚度的遺傳呈正相關(guān),楊濤等[16]也發(fā)現(xiàn)辣椒果肉厚度與果實橫徑、單果重也極顯著正相關(guān)。本研究通過對70份苦瓜的果肉厚度測定分析,發(fā)現(xiàn)不同材料的果肉厚度差異較大,最大值與最小值差值占比平均果肉厚度超四成,說明果肉厚度受基因型調(diào)控表現(xiàn)出種系間差異,進而可能對產(chǎn)量及品質(zhì)造成影響。LX1-3和ZK54兩者果肉厚度具有極顯著差異,前者是后者的1.46倍,但其它生長性狀基本相似,因此將兩者作為后續(xù)轉(zhuǎn)錄組測序的研究材料對保證結(jié)果真實性和準確性具有有利的一面,對深入研究其次生代謝、產(chǎn)量形成、品質(zhì)進化等具有重要意義。
轉(zhuǎn)錄組測序是目前生物學研究中的主流技術(shù),通過分析不同材料在不同時期或環(huán)境下的轉(zhuǎn)錄組差異,有助于了解它們的差異表達在不同生物學過程中的作用[17]。早期研究發(fā)現(xiàn),果實品質(zhì)在成熟過程中會發(fā)生一系列生理生化變化,這些變化與各種基因的表達調(diào)控有關(guān),如黃瓜基因Csa2GO58670與兩親本(厚果肉和薄果肉)果肉厚度均顯著相關(guān),果實發(fā)育不同時間該基因在兩個品種中相對表達量存在差異[18]。本研究基于不同果肉厚度苦瓜進行轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)多個差異表達基因,其中上調(diào)基因數(shù)目明顯多于下調(diào)基因數(shù),表明其果肉發(fā)育可能受上調(diào)基因影響較大。作為轉(zhuǎn)錄過程的重要元件,轉(zhuǎn)錄因子能與5’端上游特定序列專一性結(jié)合,從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間與空間表達,在真核生物中,轉(zhuǎn)錄因子能與RNA聚合酶Ⅱ形成轉(zhuǎn)錄起始復合體,共同協(xié)助其完成復雜的轉(zhuǎn)錄過程。 本研究預測得到598個轉(zhuǎn)錄因子,但分屬于多個家族,說明參與苦瓜果肉發(fā)育調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子種類繁多,再次證實植物發(fā)育是一個極其復雜的過程,最終果實的質(zhì)量和品質(zhì)是多種因素綜合調(diào)控的結(jié)果。
GO和KEGG分析是基因注釋的重要手段,GO的功能分類有利于了解基因功能,而KEGG富集分析除了可以推測基因功能,還可以研究基因在不同代謝通路中的位置及作用[19]。本研究GO注釋表明,生物過程在三大功能中占主要地位,深入挖掘發(fā)現(xiàn)糖類代謝相關(guān)注釋所含差異基因最多且上調(diào)基因數(shù)均多余下調(diào)基因數(shù),同時,KEGG富集分析也發(fā)現(xiàn),上調(diào)基因與葉綠素、碳固定以及光合作用相關(guān)途徑富集因子最高,而核糖體及碳代謝途徑富集的差異基因數(shù)量最多,表明在維持苦瓜果肉正常發(fā)育中,基礎糖碳代謝和光合作用以及源庫關(guān)系在整個生物過程中至關(guān)重要。光合作用是植物進行物質(zhì)生產(chǎn)的基本生理過程,植物絕大部分干物質(zhì)是由光合作用提供的,光合作用的重要產(chǎn)物及其運輸?shù)闹饕问绞钦崽荹20],光合組織中蔗糖不僅影響著光合同化產(chǎn)物的分配運輸,其含量的多少直接影響籽實中糖分含量,對糖類整體代謝、果實的膨大與生長速率均造成干擾,進而影響作物產(chǎn)量與品質(zhì)[21-23]。同時,各類酶在保障葉綠體內(nèi)光合碳代謝、蔗糖運輸、多糖積累平衡等生物過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用,并且與多種調(diào)控作物生長和產(chǎn)量的指標密切相關(guān)[24-25]。本研究基于轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)參與苦瓜果肉發(fā)育生物過程的重要調(diào)控因子與早期研究結(jié)果類似,再次證明糖碳代謝是保證作物生長發(fā)育的關(guān)鍵。早期研究表明,源庫器官的數(shù)量及其機能的相互協(xié)調(diào),是作物生產(chǎn)力的重要決定因素。在本次試驗中,厚肉型苦瓜相較薄肉型苦瓜在糖代謝和光合作用相關(guān)基因表達水平更高,表明其具有較高的“源”性能,為多糖形成提供基礎,而“淀粉和蔗糖代謝”基因下調(diào),表明“庫”性能在化合物分配時將較多的基底物質(zhì)傾向于葡聚糖等多糖的形成,因此推測,改善光合作用性能、調(diào)節(jié)源庫平衡可能是提高苦瓜產(chǎn)量及品質(zhì)的重要途徑。
眾所周知,生長素、赤霉素、細胞分裂素等植物內(nèi)源激素對果實的發(fā)育和成熟也發(fā)揮著重要作用,不同的激素在不同品種以及同一品種的不同發(fā)育階段作用不一。IAA含量的提高能促進發(fā)育早期的番茄子房細胞的分裂和膨大以及誘導果實發(fā)育[26];GA種類眾多,在幼果中含量較高,能刺激果實和種子發(fā)育[27];茄子子房(果實)發(fā)育前期的IAA、ZR含量明顯高于發(fā)育后期,其中單性結(jié)實品系的IAA、ABA含量和ABA/(IAA+GA4+ZR)均高于非單性結(jié)實品系[28];黃瓜Q30(CsSUN/CsLNG1)的BR/ABA與GA3/ABA在開花前6 d顯著低于其近等基因系材料[27]。本研究對下調(diào)基因進行KEGG分析發(fā)現(xiàn),“苯丙素生物合成”是富集因子最高且基因數(shù)最多的通路,這個通路主要涉及一些過氧化物酶,其次為“二萜生物合成”,以赤霉素加雙氧酶為主。植物體內(nèi)的過氧化物酶對生長素有破環(huán)作用,對調(diào)控生長素水平,維持生長素庫源的平衡非常關(guān)鍵。而赤霉素加雙氧酶參與赤霉素代謝,對維持植物體內(nèi)活性赤霉素的水平及含量具有重要作用。上述結(jié)果表明植物激素參與苦瓜果肉發(fā)育,再次證實激素平衡在果實發(fā)育中的重要地位。
細胞壁組分和代謝酶對植物生長發(fā)育具有重要影響,如基于甜瓜和黃瓜材料在成熟過程的轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了果實膨大和發(fā)育與細胞壁相關(guān)基因包括擴張蛋白基因(Csa6G014540)、木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)葡糖基酶基因(MelO3C014468,Csa1G422480)等關(guān)系密切[29-30];而隨著果實的不斷成熟,砂梨中β-半乳糖苷酶基因PpGal1和PpGal4表達量呈逐漸上升趨勢[31],鱷梨中PaGal2表達量增高但PaGal4則不表達[32]。本次研究發(fā)現(xiàn)細胞組分條目中涉及細胞周邊、細胞壁以及外部封裝結(jié)構(gòu)的基因如果膠酯酶基因、木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因等數(shù)目占比較大,表明細胞壁相關(guān)結(jié)構(gòu)在苦瓜果肉發(fā)育中也起到了較大的作用。
通過研究獲得的果肉厚度差異苦瓜種質(zhì)為培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苦瓜提供潛力材料;高通量轉(zhuǎn)錄組測序挖掘的差異基因以及相關(guān)功能注釋和富集分析結(jié)果,為苦瓜果實發(fā)育分子調(diào)控機制的探討提供理論基礎。