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揭示环境胁迫下水稻的防御机制

中国农业网  发布时间:2019-12-07 11:39:57  信息来源:

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多溴联苯醚(PBDEs)被公认为新兴的一种普遍存在的持久性有机污染物,通常在聚合物泡沫、建筑材料、塑料、电子和家具中用作阻燃剂。其中2,2',4,4'-四溴二苯醚(BDE-47)由于分布广泛,并具有高亲脂性和半衰期长的特点,是在环境中检测到的最普遍的PBDEs之一。累积的研究表明,BDE-47可以诱导代谢反应并改变动物和人类细胞中相关基因的表达。然而,关于BDE-47在作物中引起的代谢组学和转录组学改变的分子机制的研究较少。

今天小编和大家分享一篇2019年发表在Environment International上通过代谢组学和转录组学研究水稻作物,旨在阐明在污染条件下生长的水稻作物所引起的谷物品质差异及转录组变化的分子机制,并对其复杂的防御机制进行讨论

图、整体研究思路图

研究人员使用LJ-7(耐性品种)和YY-9(敏感性品种)两个品种的水稻在含有BDE-47污染物(011050 mg / kg四个不同浓度)的土壤中培养,约180天后收集谷物。去除稻壳后得到糙米进行代谢组学和转录组学分析。

1. BDE-47对两个水稻品种的代谢物的影响

 

为了解两个水稻品种在代谢水平上抗BDE-47的差异,研究人员使用GC-MS鉴定了LJ-7和YY-9籽粒中代谢物的变化。与对照组相比,LJ-7中的65种代谢产物和YY-9中的45种代谢产物的浓度变化显著,尤其是在10和50 mg / kg处理组中。

 

经PCA分析,发现不同浓度污染物中代谢物分布的区别,在LJ-7品种中,PC1可以将四组之间的差异分开,这解释了总变异的48.2%。与对照组相比,暴露于50 mg / kg 的BDE-47的LJ-7籽粒代谢反应最为显著。VIP评分图显示,LJ-7籽粒中显著差异的代谢物有D-松二糖、蔗糖、亚油酸和D-塔罗糖。

 

与LJ-7品种不同的是,YY-9的PCA模型显示四个组之间的PC1分离效果很好,可以解释68.1%的总变异。与对照组相比,暴露于10 mg / kg 的BDE-47的YY-9籽粒代谢反应最显著。VIP评分确定了YY-9籽粒中蔗糖、甘油酸、亚油酸、棕榈酸和油酸为显著差异的代谢物。

图、2个水稻品种LJ-7a)和YY-9b)暴露于BDE-47PCA得分图及VIP评分图

2. 两个水稻品种对BDE-47暴露的转录组解析

 

转录组分析显示,在LJ-7的谷粒中检测到55802个基因。与对照相比,在分别暴露于1、10和50 mg / kg BDE-47的LJ-7品种的谷物中,发现了213、626和966显着上调的基因,以及107、563和620下调的基因。在YY-9中检测到55986个基因。与对照组相比,在YY-9中三个暴露组(1、10和50 mg / kg BDE-47)中发现453、818和85个基因上调,而53、771和291个基因下调。

 

整体来说,在YY-9的谷物中TCA循环增加,而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。而LJ-7品种的谷物糖代谢、氨基酸代谢生物合成相关酶增加。

图、LJ-7a-c)和YY-9d-f)谷物中的差异表达基因(DEG)的火山图

3. 两个水稻品种的代谢途径分析

研究人员通过代谢途径分析暴露于BDE-47的两个水稻品种的生物学过程的变化。分析发现,LJ-7和YY-9分别有12条和4条代谢途径显著变化。两个品种的氨基酸代谢、糖代谢和三羧酸循环(TCA循环)均发生了显着变化。

图、暴露于BDE-47LJ-7a)和YY-9b)代谢途径分析

4. 两个水稻品种中生物合成机制分析

 

根据代谢组学和转录组学的结果,两个水稻品种的生物合成途径明显受到干扰,其中糖和氨基酸在谷物中表现出最显著的变化。

 

糖代谢:

图、2个品种生物合成途径的变化(糖代谢)

LJ-7在暴露于1050 mg / kgBDE-47后, d-葡萄糖的含量增加了约1.3倍。d-葡萄糖作为光合作用的重要产物,是谷物的首选碳和能源。其次己糖激酶的水平增加,由于只有磷酸化的己糖在植物的生命活动中有效,因此己糖激酶被认为在己糖磷酸化的信号传递中起关键作用。己糖激酶在糖利用的调节中起双重作用,其一可充当糖酵解过程中d-葡萄糖和d-果糖的传感器;其二可作为ROS自由基的清除剂,防止氧化损伤植物细胞。LJ-7谷物中的酶和代谢产物共同抵抗BDE-47暴露后的能量消耗。而在YY-9的谷粒中大部分基因受到抑制,与相关代谢产物的变化一致,这表明YY-9无法产生更多的能量物质来对抗BDE-47的暴露。


本研究结合代谢组学和转录组学分析,分析了两个水稻品种对BDE-47的抗性分子差异机制。耐性品种LJ-7在应对BDE-47的胁迫时,主要是通过促进能量消耗以及糖和氨基酸的生物合成。而敏感的YY-9品种在面对BDE-47污染时增加了能量消耗但抑制了生物合成。这些结果为了解环境污染物对水稻的不同生物学作用的分子机制提供了新见解。

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