09月09 【一作解讀】高分辨率時(shí)空動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組景觀揭示陸地棉中GhCAL介導(dǎo)的開花調(diào)控途徑?

文章題目：High-resolution temporal dynamic transcriptome landscape reveals a GhCAL-mediated flowering regulatory pathway in cotton (Gossypium hirsutum L.)

發(fā)表期刊：Plant Biotechnology Journal

發(fā)表時(shí)間：2020年7月12

影響因子：8.1

研究?jī)?nèi)容：棉花花芽分化

研究對(duì)象：兩個(gè)早熟品種，兩個(gè)晚熟品種；每個(gè)品種6個(gè)時(shí)期

研究方法：轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

 

前言

陸地棉(Gossypium hirsutum L.)是世界上最重要的纖維作物。在我國(guó)黃河流域和長(zhǎng)江流域棉區(qū)，實(shí)現(xiàn)早熟棉在小麥或者油菜后直播可以提高復(fù)種指數(shù)。而在西北內(nèi)陸棉區(qū)，春季氣溫低，秋季枯霜早，早熟棉既能提高棉花的霜前花率，還可以改善棉花品質(zhì)。花芽分化是影響短季棉品種早熟的重要性狀，是棉花現(xiàn)蕾期、開花期和成鈴期發(fā)育的基礎(chǔ)，花芽分化直接影響開花時(shí)間?；ㄑ糠只侵参飶臓I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過渡的標(biāo)志。當(dāng)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)時(shí)，側(cè)芽變成花芽，花芽發(fā)育成果枝。果枝分化決定了開花量、生殖能力和棉花產(chǎn)量。因此，早熟性狀及早熟棉品種在生產(chǎn)上顯得尤為重要。

 

結(jié)果

1、棉花莖尖的形態(tài)發(fā)育

在這項(xiàng)研究中，選擇了兩個(gè)早熟的陸地棉栽培品種CCRI50和Yanzao2，以及兩個(gè)晚熟的栽培品種國(guó)新棉11和STS458。與晚熟品種相比，早熟品種的花芽分化時(shí)間提前了10天，開花時(shí)間提前了19天，整個(gè)生長(zhǎng)期縮短了33天（圖1a）。石蠟切片的組織學(xué)分析表明，在早熟品種Yanzao2和CCRI50中，花芽分化出現(xiàn)在第三片真葉展平時(shí)期（3TLS），而晚熟品種在第五真葉（5TLS）才出現(xiàn)花芽分化。?

圖1兩個(gè)早熟品種和兩個(gè)晚熟品種的比較

 

2、棉花不同發(fā)育階段的72個(gè)RNA文庫(kù)的轉(zhuǎn)錄組譜

在這里，為了研究棉花早期成熟調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分子機(jī)制，我們選擇了兩個(gè)早熟品種和兩個(gè)晚熟品種，在花芽分化前后收集了莖尖樣品，并分析了它們的轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)。發(fā)現(xiàn)至少一個(gè)樣品中表達(dá)的基因共有49 000個(gè)。為了了解早熟和晚熟棉花品種發(fā)展的轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)，對(duì)所有樣品進(jìn)行了聚類分析（圖2a）和主成分分析（PCA）（圖2b）。結(jié)果表明，這些高密度時(shí)空轉(zhuǎn)錄本可以根據(jù)發(fā)育階段分為兩個(gè)類群，然后在每個(gè)類群中將早熟和晚熟品種分開。

?圖2早熟和晚熟品種六個(gè)發(fā)育階段之間的轉(zhuǎn)錄關(guān)系。

 

3、加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）

將5312個(gè)基因用于WGCNA，產(chǎn)生10個(gè)不同的模塊（標(biāo)有不同的顏色）（圖3a，b）。幾乎80％的基因聚集在發(fā)育階段的模塊中（MEcyan，Megreen，MElightgreen，MEtan，MEsalmon和MEturquoise）（圖3b）。這些基因的動(dòng)態(tài)和階段或品種特異性表達(dá)模式可能反映了它們發(fā)揮的關(guān)鍵功能。

?圖3差異表達(dá)基因的WGCNA

 

4、棉花從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)換相關(guān)基因的鑒定

MElightcyan模塊包含46個(gè)基因，其中包括29個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。這些基因的表達(dá)模式與花芽分化階段相吻合，在3TLS時(shí)表達(dá)，并且兩個(gè)早熟品種中這些基因的表達(dá)水平始終高于兩個(gè)晚熟品種中的表達(dá)水平（圖4a）。在這個(gè)模塊中，GH_D07G0876的連接線（邊緣）數(shù)量最多，這是AtCAL基因的同源基因，命名為GhCAL（圖4c）。

?圖4模塊MElightcyan的分析

5、GhCAL在調(diào)節(jié)從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換的功能驗(yàn)證

GhCAL過表達(dá)能夠使擬南芥顯著早花。GhCAL沉默的轉(zhuǎn)基因棉花顯著晚花，花芽分化與野生型相比顯著推遲。GhCAL表達(dá)的下降延遲了棉花從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的過渡。?

6、病毒誘導(dǎo)的GhAGL6-D09和GhAP1-A04沉默導(dǎo)致棉花開花延遲

為了探索GhCAL如何調(diào)節(jié)棉花開花，分析了以GhCAL為中心的WGCNA基因網(wǎng)絡(luò)中具有更多連接線（邊緣）的其他基因的表達(dá)。編碼AGL6同源基因的GH_D09G0468和編碼AP1同源基因的GH_A04G1749分別被命名為GhAGL6-D09和GhAP1-A04。在GhCAL沉默的轉(zhuǎn)基因棉花品系中，GhAGL6-D09和GhAP1-A04的表達(dá)明顯較低，這可能是由于GhCAL表達(dá)的降低導(dǎo)致的，表明AGL6和AP1受GhCAL調(diào)控。GhAGL6-D09和?GhAP1-A04過表達(dá)能夠使擬南芥開花時(shí)間明顯提前。同時(shí)，GhAGL6-D09和?GhAP1-A04沉默的棉花植株與對(duì)照相比，花芽分化和開花時(shí)間顯著推遲。

7、GhCAL-D07能夠與GhAGL6-D09 / GhAP1-A04形成異源二聚體

先前的研究表明，某些MADSbox轉(zhuǎn)錄因子可能形成異二聚體以發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。酵母雙雜交（Y2H）和雙分子熒光互補(bǔ)（BiFC）分析表明，GhCAL，GhAGL6-D09和GhAP1-A04這三種蛋白質(zhì)彼此相互作用，形成異二聚體。在擬南芥中，MADS-box轉(zhuǎn)錄因子可以形成特異性異二聚體，該異源二聚體與自身啟動(dòng)子區(qū)域的CArG-box結(jié)合并調(diào)節(jié)其自身表達(dá)。GhCAL可能與GhAGL6-D09和GhAP1-A04形成異源二聚體，結(jié)合啟動(dòng)子區(qū)域的CArG-box，然后調(diào)節(jié)它們的表達(dá)。

8、GhCAL通過調(diào)節(jié)GhAP1A04和GhAGL6-D09介導(dǎo)棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的調(diào)控途徑

在早熟品種中，GhCAL在3TLS表達(dá)。GhCAL與GhAGL6-D09形成異二聚體，可能與GhAGL6-D09啟動(dòng)子區(qū)域的CArG-box結(jié)合并誘導(dǎo)GhAGL6-D09的表達(dá)以啟動(dòng)花芽分化。在5TLS時(shí)，GhCAL / GhAGL6與GhAP1-A04形成異二聚體，可能與GhAP1-A04啟動(dòng)子區(qū)域的CArG-box結(jié)合并誘導(dǎo)GhAP1-A04的表達(dá)。GhCAL充當(dāng)整個(gè)途徑的調(diào)節(jié)中心，調(diào)節(jié)棉花從營(yíng)養(yǎng)期到生殖期的過渡，以誘導(dǎo)開花。

小編說：本篇文章思路清晰，有幸和一作溝通后編輯此文，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘，功能驗(yàn)證穩(wěn)扎穩(wěn)打。那么作者是如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及我們是否有值得學(xué)習(xí)和參考的地方呢？

首先作者挑選兩個(gè)早熟，兩個(gè)晚熟材料進(jìn)行表型調(diào)查和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序后，拿到所有基因表達(dá)量數(shù)據(jù)后對(duì)表達(dá)量篩選，做了聚類圖和PCA，發(fā)現(xiàn)根據(jù)表達(dá)量可以把不同性狀、不同發(fā)育時(shí)期進(jìn)行分類。

百邁客云平臺(tái)可以在所有基因挖掘這里進(jìn)行所有基因篩選和PCA聚類（動(dòng)圖是示例數(shù)據(jù)）

 

然后作者利用高分文章利器：WGCNA分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)深度挖掘和整理，推薦大家使用百邁客云平臺(tái)小工具WGCNA模塊，可以出來(lái)和作者同樣高大上的圖片。

登陸百邁客云平臺(tái)—小工具，即可使用分析（動(dòng)圖是示例數(shù)據(jù)）

 

然后作者根據(jù)一系列的功能驗(yàn)證最終鎖定控制花芽分化的基因，再次推薦大家使用百邁客轉(zhuǎn)錄組個(gè)性化（所有基因挖掘，差異基因挖掘，基因結(jié)構(gòu)挖掘）三大模塊和小工具（108款分析繪圖工具），下一篇高分文章就是你！