拟南芥生态型Tor-1根系响应镉的转录组学与可变剪接分析

摘要

[目的]研究拟南芥生态型根系对镉(Cd)的适应性机制,挖掘耐Cd基因,为培育修复型植物提供生理基础和理论指导.[方法]本研究以高Cd积累同时高耐受性的拟南芥生态型Tor-1为试验材料,测定Cd处理后根系的生理变化、氧化应激反应、抗氧化酶活性,结合转录组学和可变剪接分析,以期从分子水平上解析Tor-1根系对Cd的适应性机制.[结果]Cd处理后,拟南芥生态型Tor-1的主根长度和根尖数没有明显差异,但根系总体积、总表面积显著降低,总根长极显著下降,表明根系受到损伤;根系丙二醛浓度较对照有所增加,但变化不显著;脯氨酸浓度显著下降;超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性显著增加.基因本位论(GO)富集分析显示,在生物过程中,差异表达基因(DEGs)在代谢过程和对化学物质的反应功能富集最为显著;在细胞组分中,DEGs在细胞外组分功能显著富集;在核酸功能中,DEGs在氧化应激活性和血红素结合功能显著富集.京都基因和基因组百科全书(KEGG)通路表明,高比例诱导的DEGs富集于7条KEGG途径,分别为苯丙素生物合成(4.49％)、次生代谢物的生物合成(14.45％)、代谢途径(20.57％)、硫代葡萄糖苷(GS)生物合成(0.89％)、谷胱甘肽(GSH)代谢(2.04％)、苯丙氨酸和酪氨酸及色氨酸的生物合成(1.39％)、苯丙氨酸代谢(1.14％).在Cd胁迫下,Tor-1根系苯丙素合成与代谢和GSH代谢相关基因表达大部分显著上调,而GS合成相关基因表达受到抑制,并发生可变剪接事件,其中内含子保留事件发生最多.[结论]Tor-1根系在应对Cd胁迫时虽然根系形态受到一定损伤,但可通过增加抗氧化酶(SOD、CAT)活性减轻镉胁迫产生的危害,并积极通过调节苯丙素合成与代谢、GSH代谢以及抑制GS合成对应的基因来减轻Cd对植物的伤害,还可通过可变剪接来积极适应Cd胁迫.