合作文章|安诺助力白桦渗透耐受性机制研究
2020.08.26

白桦是爱情的象征?花语是生与死的考验?小编带着十万个为什么找到了度娘,度娘把回忆定格在了二战的苏联,小编似乎看到了硝烟中的侦查兵和在白桦林苦苦等待他的姑娘,立刻对白桦林充满了无限神往。近日中国科学院新疆生态与地理研究所王玉成团队在Journal of integrative plant biology发表了一篇关于白桦渗透耐受性的研究论文,安诺优达为本研究提供了ChIP-Seq和RNA-Seq技术服务,接下来让我们一起走进这片美丽的白桦林,看看中科院的白桦背后又有哪些奇妙的故事~


白桦BpHOX2转录因子与不同的顺式作用元件结合并赋予渗透耐受性


研究内容


水分是影响植物生长的重要因子,当环境水势低于植物体内水势时,植物体不能正常吸水甚至失水,从而引起渗透胁迫,破坏植物正常的生命活动,严重时导致植物死亡。同源域-亮氨酸拉链(HD-Zip)蛋白在植物发育和环境应答中发挥着重要作用,除了参与植物生长发育的功能外,还能够响应非生物胁迫,然而,它们是如何通过调控基因表达来提高非生物胁迫耐受性仍未可知。在本研究中,研究者从白桦中鉴定到一个编码HD-Zip家族蛋白的基因BpHOX2,结合ChIP-Seq和RNA-Seq技术,明确了其调控渗透耐受性的生物学功能,并筛选得到了转录因子BpHOX2的顺式作用元件,解析该基因在调节渗透耐受性方面的作用机制。


技术路线


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主要研究结果


1. BpHOX2具有良好的渗透耐受性



前人研究表明BpHOX2可能参与了桦树抵御渗透胁迫的生物学过程,研究者在明确了该基因的表达特征后,首先对BpHOX2的分子功能进行了探究,在成功构建了超表达植株(OE)和RNAi植株(RS)后,从中各自选出3个表达量较高的株系进行试验。发现在正常情况下,各株系的株高和生长表型等指标无显著差异。然而,在渗透条件生长25d后,OE株系仍保持绿色,而WT和RS株系均出现黄叶,且OE系的株高、鲜重和叶绿素含量、根重显著高于WT株系,而RS系明显低于WT株系。这些结果表明,转基因植株具有显著的渗透胁迫耐受性(图1)。


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BpHOX2有渗透胁迫耐受性


2. BpHOX2通过降低细胞死亡和膜脂过氧化,提高渗透耐受性


渗透胁迫会引起植物细胞膜脂过氧化反应,进而对细胞膜产生损伤,造成部分细胞死亡现象。研究者接下来对细胞膜损伤、丙二醛MDA含量和失水率的进行了测定,发现当暴露在渗透胁迫条件下时,OE系细胞死亡减少,失水率降低,MDA含量最低,相对含水量最高,这些结果表明BpHOX2通过保护细胞免于死亡,降低膜脂过氧化,提高渗透耐受性(图2)。

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图2 细胞膜损伤、MDA含量和失水率的测定


3. BpHOX2通过调节ROS清除能力提高渗透耐受性


植物受到渗透胁迫后,体内的一些保护酶,例如超氧化物歧化酶(SOD过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT等会通过清除活性氧降低膜脂过氧化对细胞造成伤害。研究者用NBT和DAB对植物叶片进行染色,发现OE的H2O2和O2-水平最低(图3A);进一步测定发现植物的H2O2含量与DAB染色结果一致(图3B);接下来研究者通过测定两种主要活性氧清除酶SOD和POD的活性,发现在渗透胁迫条件下,与WT植株相比,RS系SOD和POD活性均显著降低,而OE系SOD和POD活性显著提高(图3C、D)RT-qPCR检测基因表达量也验证了这一结果(图3E)。因此,SOD和POD活性的增加应该是由BpHOX2诱导SODs和PODs表达引起的。


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图3 BpHOX2ROS清除的调控分析


4. ChIP-Seq与RNA-Seq联合分析筛选下游基因


对渗透胁迫下的过表达株系和野生型株系分别进行转录组测序,鉴定出了上调基因866个,下调基因587个。渗透胁迫条件下,BpHOX2过表达诱导了许多ROS清除相关基因的上调表达。GO富集分析结果显示,差异表达的基因在结合活性、催化活性、转运蛋白活性、转录调节相关基因、代谢过程、细胞过程、刺激反应、生物调节相关基因中高度富集。RNA-Seq结果表明,上述基因在渗透胁迫条件下可以被BpHOX2的过表达所激活。


研究者又使用3个OE株系进行ChIP-Seq,寻找BpHOX2结合的基序和BpHOX2直接调控的基因。利用模因(Multiple EM for Motif Elicitation程序对ChIP-Seq峰进行分析,确定可能被BpHOX2结合的Motif,利用RNA-Seq进行联合分析,筛选顺式作用元件,并进行EMSA验证,结果显示BpHOX2蛋白可以和脱水响应元件(DRE)、Myb-p binding box、2个新发现的顺式作用元件进行特异结合。最后确定了BpHOX2可以结合不同的基序调控基因表达(图4)。


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图4 BpHOX2结合的顺式作用元素的测定


文章小结


基于上述研究,研究者得到了BpHOX2在渗透胁迫下的调控模型:渗透胁迫诱导BpHOX2的表达,BpHOX2蛋白与不同的顺式作用元件结合,再作为转录激活因子和抑制因子调控相关基因表达,通过激活ROS清除能力和渗透调节,最终提高渗透耐受性(图5)。本研究的结果为HD-Zip蛋白在非生物胁迫耐受性中的作用提供了重要的见解。

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图5 BpHOX2在渗透胁迫下的调控模型


安诺基因在转录组测序方面拥有多样化的产品类型,涵盖了普通转录组测序产品,医学转录组测序产品、lncRNA测序产品、医学lncRNA测序产品、单细胞转录组产品、全转录组测序产品等,各类型产品均具有丰富的项目经验及物种经验,拥有专业的实验团队、分析团队以及领先的二代、三代测序平台,为大家提供高质量的测序服务,满足广大科研工作者们的研究需求,一切只为助力科研。


参考文献


Zilong Tan, Xuejing Wen, Yucheng Wang. Betula platyphylla BpHOX2 transcription factor binds to different cis-acting elements and confers osmotic tolerance[J]. Journal of integrative plant biology, 2020 Jul 16.