论文推荐｜小麦返青期白叶性状的转录组学分析

摘要：简介：王志龙，男，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向：作物遗传育种。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事旱区农作物节水技术研究。

作者：王志龙，南文智，刘婷婷，何旭光，樊晨晨，李渊博，张雄*

单位：榆林学院生命科学学院

简介：王志龙，男，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向：作物遗传育种。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事旱区农作物节水技术研究。

基金项目：国家自然科学基金项目(32160462)；榆林学院研究生创新基金项目(2022YLYCX08)。

来源：《安徽农业科学》2024年23期

引文格式：王志龙,南文智,刘婷婷,等.小麦返青期白叶性状的转录组学分析[J].安徽农业科学,2024,52(23):85-93.

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叶片是植物进行光合作用的主要器官，在叶片中叶绿素是最重要的光合色素之一，类胡萝卜素是辅助光合色素，叶绿素和类胡萝卜素在植物的生物过程中有着重要的作用。调控叶绿素和类胡萝卜素的基因发生变化往往会导致植物叶色的异常。目前，植物合成叶绿素和类胡萝卜素的一般通路已较为明晰，在拟南芥中，已发现有15种酶和27个基因参与叶绿素的生物合成调控途径。从细菌、真菌、藻类和植物等生物中分离出150余个调控类胡萝卜素形成的基因，它们编码类胡萝卜素合成途径中的20余种酶。这些基因变异均都可能导致叶绿素和叶黄素含量发生变化。叶色突变材料是研究光合色素生物合成、叶绿体发育以及开发基因遗传转化标记性状的理想材料。

高通量测序具有测序成本低、时间短的特点。这种技术可同时对数百万条序列进行测序，不仅丰富物种的遗传数据库，在功能基因的筛选和鉴定中也可以发挥作用。该技术促进了植物叶色研究领域发展，通过de novo转录组测序产生物种的遗传信息和预测可能的非编码RNA。目前，多种叶色变异植物已被测序分析，小麦中叶绿素生物合成的调控机制还有待继续深入研究。

目的

挖掘调控小麦叶色变白的分子机制，以期为进一步研究小麦叶色变异的分子调控机制提供参考依据。

方法

选用白叶突变小麦（Triticum aestivum L.）叶色变化前后的叶片，以及同一时期叶色正常的小麦叶片，构建4个RNA文库，进行转录组测序，分析叶色变化过程中叶片基因表达谱。

结果

◆正常叶片和白叶突变体叶片发育的Rna-Seq分析

利用正常叶色小麦和白叶小麦的叶片构建了12个mRNA文库并测序，获得了50634256~ 62110976条原始序列（表1）。去除接头和低质量的序列后得到50096610~61562006条高质量序列，并且94.25%~95.40%的序列可以比对到基因组，表明测序质量和参考基因组满足高质量转录组的分析要求。

◆小麦叶片发育的差异表达基因

为了挖掘与小麦叶色变白相关的代谢机制，进行了样本间的比较转录组学分析。结果表明，WL和HWL之间共有6298个差异表达基因，其中表达量上调的基因有3654个，表达量下降的基因有2644个。GL和RGL之间共有16192差异表达基因，其中表达量上调的基因有8973个，表达量下降的基因有7219个。白叶小麦样本间的显著性差异基因极大减少，可能是由于光合作用显著降低，导致光合产物生物合成及其一系列相关的代谢在样本间受到抑制，进而抑制了细胞的生命活动。白叶小麦WL vs HWL和正常叶色小麦GL vs RGL间的共同表达基因为2489个，数量显著少于2个材料间特异表达的基因，表明小麦叶色变白后显著影响了基因的表达，致使细胞生命活动发生了显著变化（图1）。

图1 差异基因表达VAN图

◆GO、KEGG富集和通路分析

分别对GL vs RGL显著性差异表达的基因以及WL vs HWL显著性差异表达的基因分别进行GO富集分析，结果表明，正常叶色小麦和白叶小麦的基因主要在细胞组分和分子功能有差异，其中正常叶色小麦显著差异基因特异参与核（nucleoid）、细胞连接（cell junction）、共质体（symplast）、超分子复合体（supramolecular complex）等细胞组分，白叶小麦显著性差异基因特异参与分子转导活性（molecular transducer activity）、信号转导活性（signal transducer activity）分子功能（图2、图3）。

图2 GL和RGL差异基因GO富集分析

图3 WL和HWL差异基因GO富集分析

为了进一步挖掘调控小麦叶色变白相关基因参与的代谢通路，笔者将GL和RGL之间的显著差异表达基因及WL和HWL之间的显著差异表达基因分别进行 KEGG注释和富集分析（表2、表3）。结果表明，正常叶色小麦的差异表达基因主要参与糖类、脂类、氨基酸、蛋白质等初生代谢产物以及黄酮、类黄酮和光合色素等次生代谢产物的代谢过程，并且上述多种生物大分子的合成代谢都显著富集；白叶小麦由于光合同化作用受影响，初生物质代谢和次生物质代谢相对较少，并且光合作用、氧化磷酸化、淀粉和蔗糖代谢等显著富集。