园艺学报 ›› 2024, Vol. 51 ›› Issue (6): 1284-1296.doi: 10.16420/j.issn.0513-353x.2023-0417
杨碧楠1,*, 李博文1,*, 杨振宇1, 徐奕芃1, 阎韵清1, 娄玉霞1, 奉树成2,**(), 明凤1,**(
)
收稿日期:
2024-03-13
修回日期:
2024-05-27
出版日期:
2024-12-18
发布日期:
2024-06-22
通讯作者:
作者简介:
* 共同第一作者
基金资助:
YANG Binan1, LI Bowen1, YANG Zhenyu1, XU Yipeng1, YAN Yunqing1, LOU Yuxia1, FENG Shucheng2,**(), MING Feng1,**(
)
Received:
2024-03-13
Revised:
2024-05-27
Published:
2024-12-18
Online:
2024-06-22
摘要:
以月季品种‘安吉拉’‘韧月’‘仙境’为材料,模拟高温处理(46 ℃,4 h),通过表型以及生理指标分析,明确‘安吉拉’对热胁迫的抵御能力最强。通过转录组、共表达、蛋白互作网络以及多态性分析发现,‘安吉拉’较高的热胁迫抵御能力与热激蛋白(heat shock protein,HSP)以及热激转录因子(HSF)家族成员基因的超量表达有关。其中月季热激蛋白基因RcHSP18.1 的表达水平受高温诱导提高最为显著。在烟草中瞬时沉默HSP18.1后发现,HSP18.1蛋白的表达能够显著提高宿主热胁迫的抵御能力。采用基因枪法对‘安吉拉’月季愈伤组织进行RcHSP18.1过表达以及对植株进行病毒诱导基因沉默,均验证RcHSP18.1对抵御热胁迫提高发挥了重要作用。
杨碧楠, 李博文, 杨振宇, 徐奕芃, 阎韵清, 娄玉霞, 奉树成, 明凤. 月季‘安吉拉’热胁迫反应机制及功能基因的挖掘[J]. 园艺学报, 2024, 51(6): 1284-1296.
YANG Binan, LI Bowen, YANG Zhenyu, XU Yipeng, YAN Yunqing, LOU Yuxia, FENG Shucheng, MING Feng. The Mechanism of Heat Stress Response and the Exploration of Functional Genes in Rosa chinensis‘Angela’[J]. Acta Horticulturae Sinica, 2024, 51(6): 1284-1296.
用途 Application | 名称 Name | 引物序列(5′-3′) Primer sequence |
---|---|---|
基因克隆 Gene clone | RcHSP18.1 | F:ATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:TTACCCGGAAATTTCAATGGC |
酵母双杂交 Yeast two hybrid | AD-HSP18.1 | F:ATGGCCATGGAGGCCAGTGAATTCATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:CTGCAGCTCGAGCTCGATGGATCCTTACCCGGAAATTTCAATGGC |
BD-HSP18.1 | F:CATATGGCCATGGAGGCCGAATTCATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:CGGCCGCTGCAGGTCGACGGATCCTTACCCGGAAATTTCAATGGC | |
AD-HSF30 | F:ATGGCCATGGAGGCCAGTGAATTCATGGAGGGAGTAGCAGTGAAAG R:CTGCAGCTCGAGCTCGATGGATCCTCAAGGATTGGGCTTGATCAGAAA | |
BD-HSF30 | F:CATATGGCCATGGAGGCCGAATTCATGGAGGGAGTAGCAGTGAAAG R:CGGCCGCTGCAGGTCGACGGATCCTCAAGGATTGGGCTTGATCAGAAA | |
亚细胞定位和过表达验证 Subcellular localization and overexpression verification | pCAMBia-2300-GFP- RcHSP18.1 | F:GGATCCTCTAGAACTAGTCATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:GTCAGAAGGCCTCCCGGGTTACCCGGAAATTTCAATGGC |
基因沉默 Gene silencing | TRV2-HSP18.1-1 | F:TGAGTAAGGTTACCGAATTCGCATCTTCGACCTCGATCTCTGG R:GACATGCCCGGGCCTCGAGTGGAGAACTTGCCGCTGCTT |
TRV2-HSP18.1-2 | F:TGAGTAAGGTTACCGAATTCCGGATCGACTGGAAGGAGACC R:GACATGCCCGGGCCTCGAGGACATCAGGCCTCTTCACCTCTC | |
qRT-PCR | qPCR-HSP18.1 | F:GTCGCTCATCCCAAATTTCC R:TTCTCGCCAGGAAATTCAGG |
qPCR-HSF30 | F:CATCAAGAGGAGGAGGCATGTGTCG R:GTCTTTCAAGCTCAGTCTCCAGCCC |
表1 本研究中所用引物信息
Table 1 Primers information in this study
用途 Application | 名称 Name | 引物序列(5′-3′) Primer sequence |
---|---|---|
基因克隆 Gene clone | RcHSP18.1 | F:ATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:TTACCCGGAAATTTCAATGGC |
酵母双杂交 Yeast two hybrid | AD-HSP18.1 | F:ATGGCCATGGAGGCCAGTGAATTCATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:CTGCAGCTCGAGCTCGATGGATCCTTACCCGGAAATTTCAATGGC |
BD-HSP18.1 | F:CATATGGCCATGGAGGCCGAATTCATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:CGGCCGCTGCAGGTCGACGGATCCTTACCCGGAAATTTCAATGGC | |
AD-HSF30 | F:ATGGCCATGGAGGCCAGTGAATTCATGGAGGGAGTAGCAGTGAAAG R:CTGCAGCTCGAGCTCGATGGATCCTCAAGGATTGGGCTTGATCAGAAA | |
BD-HSF30 | F:CATATGGCCATGGAGGCCGAATTCATGGAGGGAGTAGCAGTGAAAG R:CGGCCGCTGCAGGTCGACGGATCCTCAAGGATTGGGCTTGATCAGAAA | |
亚细胞定位和过表达验证 Subcellular localization and overexpression verification | pCAMBia-2300-GFP- RcHSP18.1 | F:GGATCCTCTAGAACTAGTCATGTCGCTCATCCCAAATTTCC R:GTCAGAAGGCCTCCCGGGTTACCCGGAAATTTCAATGGC |
基因沉默 Gene silencing | TRV2-HSP18.1-1 | F:TGAGTAAGGTTACCGAATTCGCATCTTCGACCTCGATCTCTGG R:GACATGCCCGGGCCTCGAGTGGAGAACTTGCCGCTGCTT |
TRV2-HSP18.1-2 | F:TGAGTAAGGTTACCGAATTCCGGATCGACTGGAAGGAGACC R:GACATGCCCGGGCCTCGAGGACATCAGGCCTCTTCACCTCTC | |
qRT-PCR | qPCR-HSP18.1 | F:GTCGCTCATCCCAAATTTCC R:TTCTCGCCAGGAAATTCAGG |
qPCR-HSF30 | F:CATCAAGAGGAGGAGGCATGTGTCG R:GTCTTTCAAGCTCAGTCTCCAGCCC |
图1 ‘安吉拉’‘韧月’和‘仙境’月季不同温度处理2 h后的表型(A)、DAB与NBT染色(B)和相对电导率(C) DAB:二氨基联苯胺染色,颜色深表示SOD活性高;NBT:硝基蓝四氮唑染色,颜色深显示活性氧含量高。* 表示在0.05水平差异显著。
Fig. 1 ‘Angela’‘Renyue’and‘Xianjing’rose cultivars phenotypes following 2-hour treatments at different temperatures(A),DAB and NBT staining(B),and relative electrical conductivity(C) DAB:Diaminobenzidine staining,with darker color indicating higher SOD activity;NBT:Nitro blue tetrazolium staining,where deeper color reflects higher levels of reactive oxygen species. * indicated significant differences at 0.05 level.
图2 ‘安吉拉’月季高温(46 ℃)与常温(25 ℃)处理2 h后的差异表达基因的GO分析和KEGG通路富集分析
Fig. 2 GO analysis and KEGG pathway enrichment analysis of differentially expressed genes in‘Angela’after 2 hours of treatment under high temperature(46 ℃)and normal temperature(25 ℃)conditions
基因类别 Gene category | 基因识别数量 Identified | 差异表达基因数量 Differenced | 表达量上升数量 Up regulated | 表达量下降数量 Down regulated |
---|---|---|---|---|
热信号转导 Heat signal transduction | 32 | 5 | 0 | 5 |
转录调控 Transcription regulation | 42 | 22 | 18 | 4 |
蛋白质稳态 Protein homeostasis | 50 | 17 | 16 | 1 |
活性氧稳态 ROS homeostasis | 27 | 3 | 1 | 2 |
RNA稳态 RNA homeostasis | 1 | 1 | 1 | 0 |
基因总数 Total quantities of gene | 152 | 48 | 36 | 12 |
表2 ‘安吉拉’月季高温(46 ℃)与常温(25 ℃)处理2 h后差异表达的热应激相关基因
Table 2 Differentially expressed heat stress-related genes in‘Angela’after 2-hour treatments at high temperature(46 ℃)compared to normal temperature(25 ℃)
基因类别 Gene category | 基因识别数量 Identified | 差异表达基因数量 Differenced | 表达量上升数量 Up regulated | 表达量下降数量 Down regulated |
---|---|---|---|---|
热信号转导 Heat signal transduction | 32 | 5 | 0 | 5 |
转录调控 Transcription regulation | 42 | 22 | 18 | 4 |
蛋白质稳态 Protein homeostasis | 50 | 17 | 16 | 1 |
活性氧稳态 ROS homeostasis | 27 | 3 | 1 | 2 |
RNA稳态 RNA homeostasis | 1 | 1 | 1 | 0 |
基因总数 Total quantities of gene | 152 | 48 | 36 | 12 |
图3 ‘安吉拉’月季正常和高温下RcHSP18.1表达水平和候选调控基因网络分析 A:差异表达热相关基因(HRG)的热图分析;B:热胁迫前后热激转录因子(HSF)的表达分析;C:热激转录因子HSF和热激蛋白HSP基因间的相互作用网络。
Fig. 3 In‘Angela’rose,analysis of RcHSP18.1 expression levels under normal and high temperature conditions,along with the candidate regulatory gene network analysis A:Heatmap analysis of differentially expressed heat-responsive genes(HRGs);B:Expression analysis of heat shock transcription factors(HSFs)before and after heat stress;C:Interaction network between heat shock transcription factor HSF and heat shock protein HSP genes.
图4 ‘安吉拉’月季在高温下的表型和RcHSP18.1表达水平及亚细胞定位 A:表型变化;B:qRT-PCR检测的RcHSP18.1表达量变化;C:转录组数据中RcHSP18.1的表达量,*** 表示在0.001水平差异显著;D:RcHSP18.1在叶片表皮细胞中的亚细胞定位。
Fig. 4 In‘Angela’,under high temperature conditions,the phenotypic traits as well as the expression levels and subcellular localization of the RcHSP18.1 gene A:Phenotypic changes;B:Changes in RcHSP18.1 expression levels detected by qRT-PCR;C:Transcriptomic data showing expression levels of RcHSP18.1,*** indicated significant differences at 0.001 level;D:Subcellular localization of RcHSP18.1 in epidermal cells of the leaf.
图5 烟草沉默HSP18.1后的表型(A)、相对电导率与基因表达量变化(B)和DAB与NBT染色(C) HSP18.1:基因沉默株;GFP:空载对照;DAB:二氨基联苯胺染色,颜色深表示SOD高;NBT:硝基蓝四氮唑染色,颜色深显示活性氧含量多。* 表示在0.05水平差异显著。
Fig. 5 Phenotype of tobacco after silencing HSP18.1(A),changes in relative electrical conductivity and gene expression levels(B),and DAB and NBT staining(C) HSP18.1:Gene silenced strain;GFP:Empty vector control;DAB:Diaminobenzidine staining,where darker color indicates higher SOD activity;NBT:Nitro Blue Tetrazolium staining,with deeper color reflecting higher levels of reactive oxygen species. * indicated significant differences at 0.05 level.
图6 ‘安吉拉’月季愈伤组织RcHSP18.1过表达株(OX)与野生型(WT)的RcHSP18.1表达量和相对电导率 * 表示在0.05水平差异显著,** 表示在0.01水平差异显著。
Fig. 6 The comparison of RcHSP18.1 expression levels and relative electrical conductivity between overexpression lines(OX)and wild-type(WT)of RcHSP18.1 in callus tissue of‘Angela’rose * indicated significant differences at 0.05 level;** indicated significant differences at 0.01 level.
图7 ‘安吉拉’月季沉默RcHSP18.1后的表型基因(A)、基因表达量(B)和DAB与NBT染色(C) TRV2-HSP18.1:基因沉默株;TRV2-GFP:空载对照;DAB:二氨基联苯胺染色,颜色深表示SOD高;NBT:硝基蓝四氮唑染色,颜色深显示活性氧含量多。*** 表示在0.001水平差异显著。
Fig. 7 The phenotypic effects post-silencing of the RcHSP18.1 gene(A),changes in gene expression levels(B),and DAB and NBT staining results(C)in‘Angela’rose TRV2-HSP18.1:Gene silenced strain targeting HSP18.1;TRV2-GFP:Empty vector control expressing GFP;DAB:Diaminobenzidine staining,where darker color indicates higher SOD activity;NBT:Nitro blue tetrazolium staining,with deeper color reflecting higher levels of reactive oxygen species. *** indicated significant differences at 0.001 level.
图8 ‘安吉拉’月季中RcHSF30响应热胁迫的表达及其编码蛋白与HSP18.1互作关系测定 ** 表示在0.01水平差异显著。
Fig. 8 Identification of the expression pattern of RcHSF30 in response to heat stress and its interaction with HSP18.1 in‘Angela’rose ** indicated significant differences at 0.01 level.
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