Horticulture Res|转录组和代谢组学分析表明褪黑素通过抑制茉莉酸的生物合成促进铜胁迫下瓜根的发育

Horticulture Res|转录组和代谢组学分析表明褪黑素通过抑制茉莉酸的生物合成促进铜胁迫下瓜根的发育

中国农业科学院蔬菜花卉研究所的研究人员于Horticulture ResearchIF:5.404)上发表了一篇题为“Transcriptomic and metabolomic analyses reveal that melatonin promotes melon root development under copper stress by inhibiting jasmonic acid biosynthesis”的研究文献,该文献用转录组和代谢组学分析表明褪黑素通过抑制茉莉酸的生物合成促进铜胁迫下瓜根的发育。

文章来源

背景

褪黑素已显示出减轻非生物胁迫的作用并调节植物发育。铜是一种常见的重金属和土壤污染物,可以抑制植物的生长发育。在这项工作中,我们探索了使用三种种子萌发处理的甜瓜种子对CK胁迫响应的外源褪黑素对侧根形成的保护作用。然后,我们使用转录组学和代谢组学分析来探索外源性褪黑激素保护铜应激的机制。这项研究阐明了褪黑激素对铜胁迫瓜的保护作用的分子机制。


结果

褪黑素促进铜胁迫下瓜根的发育

不同处理对甜瓜幼苗根系形态的影响明显。相比之下,铜胁迫(CK2)幼苗的初生根较短,侧根较少。表明褪黑素预处理,尤其是MT3处理,在CuSO 4胁迫下显著促进了根的发育。

褪黑素对CuSO 4胁迫下瓜根发育的影响

1:褪黑素对CuSO 4胁迫下瓜根发育的影响

褪黑素改善瓜根对过量铜的抗性

抗氧化酶过氧化氢酶(CAT),过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD的活性在治疗之间存在显著差异。结果表明褪黑激素对铜胁迫下瓜根的发育具有积极作用,因此,选择了CK1CK2MT3处理进行转录组和代谢组学分析,以确定与褪黑激素缓解瓜铜毒性有关的候选基因和代谢物。

褪黑激素对CuSO 4胁迫瓜的生理指标的影响

2:褪黑激素对CuSO 4胁迫瓜的生理指标的影响

褪黑素诱导的DEGDEM

通过对从CK1CK2MT3幼苗的根中提取的RNA进行测序,获得了三个cDNA文库。我们检测到805DEGCK1CK2瓜根库之间的铜胁迫相关。这些对外源性褪黑激素有反应的基因被认为是进一步研究的重要候选基因。为了确认RNA序列数据,使用Q-PCR评估了12个随机选择的基因的表达,Q-PCR数据与RNA-seq数据一致。

对瓜根样品进行了代谢物分析,以评估褪黑素预处理对铜胁迫下瓜幼苗根部的总体代谢作用。在褪黑激素预处理下,Val-Phe等显示相对较高的水平,而尿苷等显示相对较低的水平。

褪黑素诱导的差异表达基因(DEGs)和代谢物(DEMs)

3:褪黑素诱导的差异表达基因(DEGs)和代谢物(DEMs


褪黑素调节抗氧化酶活性和氧化还原相关的基因表达,以保护瓜根免受铜胁迫

抗氧化酶具有保护植物免受胁迫诱导的氧化损伤的能力。在这项研究中,我们发现CK2CATPODSOD活性相对于CK1分别降低,而MT3CATPODSOD活性分别增加。这些结果表明褪黑激素可以减轻瓜根中过量铜引起的氧化应激。

褪黑激素对甜瓜中氧化还原酶和基因的影响

4:褪黑激素对甜瓜中氧化还原酶和基因的影响

褪黑素改变细胞壁相关基因表达以促进瓜根形成

根的发育与细胞壁的形成密切相关。从转录组分析中,我们发现褪黑激素调节细胞壁相关基因的表达。表明褪黑激素通过调节细胞壁基因表达影响瓜根的发育。

褪黑激素对甜瓜中细胞壁相关基因表达的影响

5:褪黑激素对甜瓜中细胞壁相关基因表达的影响

褪黑素调节转录因子基因的表达以影响根的发育

转录因子在植物基因调控中起着至关重要的作用。与对照相比,铜处理下我们发现了82个差异表达的转录因子基因,另外,在铜胁迫下,褪黑素预处理和未预处理的根之间有五个转录因子基因差异表达。

褪黑激素对甜瓜中转录因子基因表达的影响

6:褪黑激素对甜瓜中转录因子基因表达的影响

褪黑素调控基因和代谢物参与JA生物合成以促进瓜根发育

JA可以通过抑制根细胞伸长,细胞分裂和ROS损伤来抑制植物根。脂氧合酶(LOX)是参与JA生物合成的关键酶。将来自同一组的差异表达基因和代谢物同时映射至KEGG途径,以阐明基因与代谢物之间的关系。结果表明褪黑激素可能通过刺激脂氧合酶途径而减轻铜胁迫对根的影响。

LOX的主要底物是亚油酸和亚麻酸。在亚油酸代谢途径中,亚油酸水平随CK1上调而被上调,结果表明褪黑素下调了亚油酸和脂氧合酶相关基因的表达水平,从而抑制了JA的生物合成。

褪黑激素对甜瓜JA生物合成中涉及的基因和代谢产物的影响

7:褪黑激素对甜瓜JA生物合成中涉及的基因和代谢产物的影响

结论

在这项工作中,我们测量了八种处理过的植物的根系形态和生理特性,结合转录组和代谢组学分析,比较了在铜胁迫下褪黑素预处理组和非预处理组之间的基因表达和代谢组学谱。褪黑激素通过多种机制减轻了铜的毒性并促进了瓜根的发育。这项工作的目的是确定外源褪黑素对铜胁迫下甜瓜幼苗根部的保护作用机理,这可能有助于制定有效的铜胁迫控制措施。

该研究得到了国家重点研发计划,国家西甜瓜产业技术体系,中国农科院科技创新工程以及中央公益性科研院所基本科研业务费专项的支持。


参考文献

1Reiter, R. J. et al. Phytomelatonin: assisting plants to survive and thrive.

Molecules 20, 7396–7437 (2015).

2Kolar, J. & Machackova, I. Melatonin in higher plants: occurrence and possible

functions. J. Pineal Res. 39, 333–341 (2005).

3Tan, D. X. et al. Functional roles of melatonin in plants, and perspectives in

nutritional and agricultural science. J. Exp. Bot. 63, 577–597 (2012).

 文献链接:https://doi.org/ 10.1038/s41438-020-0293-5

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褪黑素已显示出减轻非生物胁迫的作用并调节植物发育。铜是一种常见的重金属和土壤污染物,可以抑制植物的生长发育。在这项工作中,我们探索了使用三种种子萌发处理的甜瓜种子对CK胁迫响应的外源褪黑素对侧根形成的保护作用。然后,我们使用转录组学和代谢组学分析来探索外源性褪黑激素保护铜应激的机制。这项研究阐明了褪黑激素对铜胁迫瓜的保护作用的分子机制。
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