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代謝組學+轉錄組學:揭示環境脅迫下水稻的防御機制

中國農業網  發布時間:2020-01-02 18:23:37  信息來源:

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   多溴聯苯醚(PBDEs)被公認為新興的一種普遍存在的持久性有機污染物,通常在聚合物泡沫、建筑材料、塑料、電子和家具中用作阻燃劑。其中2,2',4,4'-四溴二苯醚(BDE-47)由于分布廣泛,并具有高親脂性和半衰期長的特點,是在環境中檢測到的最普遍的PBDEs之一。累積的研究表明,BDE-47可以誘導代謝反應并改變動物和人類細胞中相關基因的表達。然而,關于BDE-47在作物中引起的代謝組學和轉錄組學改變的分子機制的研究較少。

  今天小編和大家分享一篇2019年發表在Environment International上通過代謝組學和轉錄組學研究水稻作物,旨在闡明在污染條件下生長的水稻作物所引起的谷物品質差異及轉錄組變化的分子機制,并對其復雜的防御機制進行討論。

    研究人員使用LJ-7(耐性品種)和YY-9(敏感性品種)兩個品種的水稻在含有BDE-47污染物(0、1、10和50 mg / kg四個不同濃度)的土壤中培養,約180天后收集谷物。去除稻殼后得到糙米進行代謝組學和轉錄組學分析。

1. BDE-47對兩個水稻品種的代謝物的影響

  為了解兩個水稻品種在代謝水平上抗BDE-47的差異,研究人員使用GC-MS鑒定了LJ-7和YY-9籽粒中代謝物的變化。與對照組相比,LJ-7中的65種代謝產物和YY-9中的45種代謝產物的濃度變化顯著,尤其是在10和50 mg / kg處理組中。

   經PCA分析,發現不同濃度污染物中代謝物分布的區別,在LJ-7品種中,PC1可以將四組之間的差異分開,這解釋了總變異的48.2%。與對照組相比,暴露于50 mg / kg 的BDE-47的LJ-7籽粒代謝反應最為顯著。VIP評分圖顯示,LJ-7籽粒中顯著差異的代謝物有D-松二糖、蔗糖、亞油酸和D-塔羅糖。

   與LJ-7品種不同的是,YY-9的PCA模型顯示四個組之間的PC1分離效果很好,可以解釋68.1%的總變異。與對照組相比,暴露于10 mg / kg 的BDE-47的YY-9籽粒代謝反應最顯著。VIP評分確定了YY-9籽粒中蔗糖、甘油酸、亞油酸、棕櫚酸和油酸為顯著差異的代謝物。

2. 兩個水稻品種對BDE-47暴露的轉錄組解析

     轉錄組分析顯示,在LJ-7的谷粒中檢測到55802個基因。與對照相比,在分別暴露于1、10和50 mg / kg BDE-47的LJ-7品種的谷物中,發現了213、626和966顯著上調的基因,以及107、563和620下調的基因。在YY-9中檢測到55986個基因。與對照組相比,在YY-9中三個暴露組(1、10和50 mg / kg BDE-47)中發現453、818和85個基因上調,而53、771和291個基因下調。

    整體來說,在YY-9的谷物中TCA循環增加,而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。而LJ-7品種的谷物糖代謝、氨基酸代謝生物合成相關酶增加。

3. 兩個水稻品種的代謝途徑分析

     研究人員通過代謝途徑分析暴露于BDE-47的兩個水稻品種的生物學過程的變化。分析發現,LJ-7和YY-9分別有12條和4條代謝途徑顯著變化。兩個品種的氨基酸代謝、糖代謝和三羧酸循環(TCA循環)均發生了顯著變化。

4. 兩個水稻品種中生物合成機制分析

    根據代謝組學和轉錄組學的結果,兩個水稻品種的生物合成途徑明顯受到干擾,其中糖和氨基酸在谷物中表現出最顯著的變化。

   LJ-7在暴露于10和50 mg / kg的BDE-47后, d-葡萄糖的含量增加了約1.3倍。d-葡萄糖作為光合作用的重要產物,是谷物的首選碳和能源。其次己糖激酶的水平增加,由于只有磷酸化的己糖在植物的生命活動中有效,因此己糖激酶被認為在己糖磷酸化的信號傳遞中起關鍵作用。己糖激酶在糖利用的調節中起雙重作用,其一可充當糖酵解過程中d-葡萄糖和d-果糖的傳感器;其二可作為ROS自由基的清除劑,防止氧化損傷植物細胞。LJ-7谷物中的酶和代謝產物共同抵抗BDE-47暴露后的能量消耗。而在YY-9的谷粒中大部分基因受到抑制,與相關代謝產物的變化一致,這表明YY-9無法產生更多的能量物質來對抗BDE-47的暴露。

   將LJ-7品種分別暴露于10mg / kg和50 mg / kg的BDE-47后,籽粒中L-賴氨酸的含量分別增加了2.9倍和7.4倍。L-賴氨酸在應對非生物脅迫條件如水分限制、營養限制和氧化脅迫中起重要作用。轉錄組發現與l-賴氨酸相關的基因表達增強,進一步的促進賴氨酸的生物合成從而發揮抗性品質。與LJ-7中的氨基酸不同,YY-9的谷物中氨基酸變化不顯著。綜上所述,兩個品種之間氨基酸代謝的顯著對比表明,在暴露于BDE-47的條件下,LJ-7在植物生長中采取了更為復雜的反應。與YY-9相比,LJ-7中糖和氨基酸的代謝相對活躍,從而解釋它們對BDE-47的耐受性的差異。

  本研究結合代謝組學和轉錄組學分析,分析了兩個水稻品種對BDE-47的抗性分子差異機制。耐性品種LJ-7在應對BDE-47的脅迫時,主要是通過促進能量消耗以及糖和氨基酸的生物合成。而敏感的YY-9品種在面對BDE-47污染時增加了能量消耗但抑制了生物合成。這些結果為了解環境污染物對水稻的不同生物學作用的分子機制提供了新見解。

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