棉花耐盐相关基因挖掘及OSCA基因家族全基因组鉴定

摘要

随着全球环境的恶化，干旱和土壤盐碱化日益加重。棉花作为纺织品的主要原料之一，在国民经济和人民生活中占有重要地位。在盐和干旱胁迫下，棉花的产量和品质均会受到严重的影响。陆地棉野生种系应对恶劣环境的能力强，有栽培品种不具备的许多优良性状，对改进棉花品质和抗性具有重要的应用价值，是棉花育种的重要遗传资源。本研究利用耐盐材料进行转录组测序，获得了与盐胁迫相关的候选基因（OSCA），并通过生物信息学手段对OSCA基因家族进行全基因组鉴定和功能验证。主要结果如下: 1.对陆地棉野生种系玛利加郎特棉85、阔叶棉40和陆地棉中棉所12进行盐碱胁迫处理后转录组测序，得到64737个表达基因。对22359个差异表达基因进行GO富集分析和KEGG富集分析，结果表明信号转导过程参与了叶片SS3和SS12阶段的盐碱胁迫反应;碳水化合物代谢过程和氧化还原过程参与了叶片SS48阶段的盐碱胁迫反应;根系的三个处理阶段的差异表达基因均显著富集在氧化还原过程。总的来说，在盐碱胁迫下信号转导和氧化还原过程在不同组织中发挥着关键作用。此外，共表达网络分析表明，GhSOS3、GhCBL10、Gh_A05G1480等基因参与了盐碱胁迫反应。 2.OSCA(Hyperosmdality-gate calcium-permeable channels)参与感知细胞外渗透势的变化，从而诱导Ca2+浓度增加，调节渗透势。为了解棉花OSCA基因的特征和功能，本研究对棉花OSCA基因家族进行了全基因组分析。在陆地棉、亚洲棉、雷蒙德氏棉中分别鉴定出35、21、22个OSCA基因成员，并根据其基因结构和系统发育关系分为4个不同的组。基因和蛋白质结构分析表明，35个GhOSCA家族基因均含有保守的RSN1_7TM(PF02714，DUF221)结构域。顺式作用元件分析表明，OSCA基因家族成员可能在响应热、低温、干旱、盐胁迫等方面发挥关键作用。通过RNA-seq和qRT-PCR分析表明，GhOSCA基因在不同组织的表达具有特异性，这表明GhOSCA家族成员在不同组织中发挥特定的作用来调节渗透压。GhOSCA1.1与AtOSCA1最为相似，在盐和干旱胁迫下表达显著上调，表明GhOSCA1.1可能是一个参与盐和干旱胁迫反应的关键基因。 3.通过病毒诱导基因沉默(VIGS)技术分析了GhOSCA1.1的潜在功能。在干旱和盐胁迫下，与对照和空载相比，沉默植株均表现出严重萎蔫的现象。GhOSCA1.1基因沉默植株与空载植株相比，SOD活性和PRO含量降低，MDA含量升高，植株的耐旱耐盐性减弱，证明该基因是参与耐旱耐盐应答的关键基因。