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毛竹Phyllostachys edulis是中国亚热带地区分布最广泛的竹种,约占中国竹林种植面积的73.76%,具有极高的生态价值和经济价值。但在非生物胁迫下,毛竹林的种植面积显著减少[1]。毛竹在生长发育过程中经历多种胁迫后会引发一系列生理生化变化,最终影响毛竹的正常生长[2]。
毛竹基因组由超过63.24%的转座子(TE)组成[3]。TE可以通过2种主要机制在基因组内移动:复制-粘贴和剪切-粘贴。反转录转座子(Ⅰ类)通过RNA中间体利用复制-粘贴机制,而DNA转座子(Ⅱ类)直接作为DNA片段利用剪切-粘贴或复制-粘贴机制在基因组内移动[4−5]。TE是真核生物基因组的动态组成部分,可以被激活或沉默。TE受表观遗传变化的影响较大[6−7],可以通过塑造表观基因组促进植物对非生物胁迫的适应性反应。对水稻Oryza sativa研究表明:高盐和低温胁迫可诱导基因转录起始位点100 bp内插入TE[8]。转座子受逆境胁迫更容易发生转录[9]。大麦Hordeum vulgare基因组中的BARE-1反转录转座子具有转录活性,拷贝数与基因组大小、温度、水分、土壤类型、海拔等呈正相关[10]。
不确定编码潜力转录本(TUCP)[11]是一类具有明显组织特异性,与基因间长链非编码RNA表达模式相似,但序列保守性明显更高的一种转录本[12]。TUCP可以作为非编码调节因子,翻译成小肽或在转录调节、细胞分化等多种生物活动中发挥作用[13]。越来越多的真核生物基因组TUCP被高通量测序鉴定出来,如棉花Gossypium spp.[14]、人类Homo sapiens [15]、罗非鱼Oreochromis mossambicus[16]、山羊Capra hircus[17]和杜仲Eucommia ulmoides[18]等。在拟南芥Arabidopsis thaliana、水稻和玉米Zea mays中,TE衍生的TUCP参与低温和盐的胁迫反应,并影响种子发芽和幼苗绿化率[19]。棉花中TUCP参与光合作用并影响生长发育过程[14]。高温胁迫影响TUCP转录从而使红枣Ziziphus jujuba基因表达产生了整体性改变[20]。
目前,对毛竹转座子衍生TUCP (TE-TUCP)表达的综合分析尚未见报道。鉴于此,本研究调查非生物胁迫下毛竹幼苗TE-TUCP活性的变化及附近基因的差异表达情况,以期为转座子参与毛竹抗逆分子机制提供参考。
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毛竹幼苗全转录组测序数据共获得1 749 524个转录本。在这些转录本的基础上使用Cuffmerge进行数据预处理,保留1 008 312个转录本。通过表达量筛选,获得567 404个表达量至少为1的转录本。
如图1所示:CPC2预测出6 434个TUCP,CNCI预测出73 035个TUCP,PFAM预测出26 040个TUCP,共预测出87 409个TUCP。对TUCP的结构分析表明:TUCP的平均长度为759.73 bp,比mRNA的平均长度短,但比lncRNA的平均长度(241.02 bp)长。
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通过RepeatMasker对毛竹参考基因组注释,共得到991 865条转座子。根据上述鉴定的87 409个TUCP在基因组的位置和转座子在基因组的位置,共有57 627个TUCP与TE序列重叠超过60%,命名为TE-TUCP。其中来源反转录转座子(RE)的TE-TUCP非常丰富,占73.60%。
如表1所示:鉴定的转座子中,TE-TUCP中有17 265个来源于LTR/Copia超家族,23 980个来源于LTR/Gypsy超家族。LTR/Copia和LTR/Gypsy来源的TUCP数量占所有TE-TUCP的71.57%,说明LTR-TE-TUCP含量丰富,可能与LTR/Copia和LTR/Gypsy在毛竹基因组含量丰富(54.97%)[37]有关。DNA-TE-TUCP占所有转座子来源的TUCP的20.75%。其中DNA/CMC-EnSpm类型转座子(66.39%)和DNA/MULE-MuDR类型转座子(55.56%)在TUCP-TE中增加,可能是非生物胁迫导致。
转座子来源分类 TUCP-TE/
个nonTUCP-TE/
个数量合
计/个DNA 45 115 160 DNA/CMC-EnSpm 2 994 1 516 4 510 DNA/hAT 4 18 22 DNA/hAT-Ac 745 907 1 652 DNA/hAT-Tag1 17 26 43 DNA/hAT-Tip100 228 209 437 DNA/MULE-MuDR 2 368 1 894 4 262 DNA/PIF-Harbinger 112 154 266 DNA/TcMar-Stowaway 153 452 605 LINE/L1 1 040 1 050 2 090 Low_complexity 4 9 13 LTR 68 1058 1126 LTR/Caulimovirus 6 39 45 LTR/Copia 8 456 8 809 17 265 LTR/Gypsy 10 662 13 318 23 980 Other/centromeric 2 2 4 RC/Helitron 241 427 668 Simple_repeat 112 341 453 SINE/L1 6 6 12 SINE 2 2 未知 12 12 合计 27 263 30 364 57 627 Table 1. Sources of TE-TUCP transposons in Ph. edulis
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从图2可见:C4与ck处理组共筛选出261个上调TE-TUCP,246个下调TE-TUCP (图2A)。H42与ck处理组共筛选出199个上调TE-TUCP,127个下调TE-TUCP (图2B)。UV与ck处理组共筛选出270个上调TE-TUCP,178个下调TE-TUCP(图2C)。Sa与wa处理组共筛选出97个上调TE-TUCP,66个下调TE-TUCP (图2D)。TE-TUCP表现出胁迫特异性表达模式,在冷、盐胁迫下下调个数多于上调个数,在热和紫外胁迫下上调个数多于下调个数。
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对TUCP-TE附近4 646个基因研究发现:C4与ck处理组共筛选出758个上调基因,833个下调基因(图3A),差异表达基因占所有附近基因的34.24%。H42与ck处理组共筛选出358个上调基因,334个下调基因(图3B),差异表达基因占所有附近基因的14.89%。UV与ck处理组共筛选出739个上调基因,596个下调基因(图3C),差异表达基因占所有附近基因的28.73%。Sa与wa处理组共筛选出320个上调基因,201个下调基因(图3D),差异表达基因占所有附近基因的11.21%。
对nonTUCP-TE附近2 456个基因研究发现:C4与ck处理组共筛选出474个上调基因,496个下调基因(图4A),差异表达基因占所有附近基因的39.50%。H42与ck处理组共筛选出287个上调基因,225个下调基因(图4B),差异表达基因占所有附近基因的20.85%。UV与ck处理组共筛选出475个上调基因,383个下调基因(图4C),差异表达基因占所有附近基因的34.93%。Sa与wa处理组共筛选出217个上调基因,130个下调基因(图4D),差异表达基因占所有附近基因的14.13%。可见,除了低温处理外,高温、高盐、紫外照射处理组TUCP-TE附近5 000 bp距离内基因差异表达数量均比nonTUCP-TE高,表明高温、高盐、紫外照射可以促进TUCP-TE附近差异基因表达,但是低温会抑制TUCP-TE附近差异基因表达。
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在附近5 000 bp距离内,分别取TUCP-TE和nonTUCP-TE差异表达基因合集2 592、1 591个基因进行GO富集分析。如图5所示:与nonTUCP-TE相比,非生物胁迫下,TUCP-TE附近5 000 bp距离内差异表达基因,除了共同显著富集在细胞、细胞组分、细胞内、细胞内组分、代谢过程外,还额外显著富集在与非生物胁迫相关的催化活性、水解酶活性、对辐射反应、对光刺激反应、对渗透胁迫的反应等方面。表明非生物胁迫可以促进毛竹TUCP-TE附近相关基因的表达。
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如图6所示:nonTUCP-TE附近1 500 bp内的差异表达基因比TUCP-TE相同距离内差异表达基因的数量多,且在越靠近nonTUCP-TE的位置,差异表达基因集中。在附近1 500 bp内,TUCP-TE附近越靠近TUCP,差异表达基因就数量越少,而在距离2 000~3 000 bp内,TUCP-TE附近差异表达基因数量较多。说明基因的表达潜能与邻近TE-TUCP的表达潜能互相抑制。2 000~3 000 bp是TE-TUCP对基因影响较明显的范围。同时,TUCP-TE附近差异表达基因平均表达量为757.1,低于nonTUCP-TE (1 245.5)。TUCP-TE附近差异表达基因表达水平与nonTUCP-TE相比,整体水平上表达峰更低,说明非生物胁迫可能会抑制TE-TUCP附近基因的整体表达水平。
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为了验证转录组测序数据分析结果的准确性,从鉴定的差异表达TE-TUCP中随机挑选4个TE-TUCP及其附近基因,分别是TE-TUCP1和PH02Gene02823、TE-TUCP2和PH02Gene14564、TE-TUCP3和PH02Gene16722,以及TE-TUCP4和PH02Gene25649。引物见表2。如图7所示:TE-TUCP和邻近基因的RT-qPCR结果与转录组分析结果一致,说明转录组测序数据分析结果是可靠的。
引物名称 序列(5′→3′) 引物名称 序列(5′→3′) TE-TUCP1-F AACAAGGCAGCGCAGCAGAC TE-TUCP3-R AACTAATGGAAGCGGACGCACG TE-TUCP1-R TTGGCGGCACCTTAGGCTGA PH02Gene16722-F CGAATGGCAGGAGGAGCAGAGA PH02Gene02823-F CTCCACGCCCATCAACACCAAG PH02Gene16722-R TCTTGCCCTTGCCGAAGTGGA PH02Gene02823-R ACTGAGGAGGGAGGAGGCAACT TE-TUCP4-F AGGCAGATTCCGCAGGTGGTT TE-TUCP2-F ATGGTGTTGGTGGTGTGCGTG TE-TUCP4-R ATTCACCAGCATCCAGCTTGGC TE-TUCP2-R CGGCAGATTGCGTGCGTACATA PH02Gene25649-F AATTGCACCTGCCTGCTGGATG PH02Gene14564-F GGAAGGTCAGGCACCAACGATG PH02Gene25649-R ACCTCCCGTCACTGGTCCTTTG PH02Gene14564-R AGCCACCACTGCTACCGTAGTC Actin-F ATACGCTTCCTCACGCTATTCTT TE-TUCP3-F AGCCACGGATTCAGCAACAAGG Actin-R CCGAGCTTCTCCTTTATGTCCCT Table 2. Primer sequence information
Effects of abiotic stress treatments on the transcriptional activity of transposable element-derived TUCP in Phyllostachys edulis
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240195
- Received Date: 2024-03-01
- Accepted Date: 2024-05-24
- Rev Recd Date: 2024-05-10
- Available Online: 2024-11-20
- Publish Date: 2024-11-20
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Key words:
- Phyllostachys edulis /
- transposable elements (TE) /
- transcripts of uncertain coding potential (TUCP) /
- abiotic stresses
Abstract:
Citation: | ZHU Bailiang, DING Yiqian, ZHOU Mingbing. Effects of abiotic stress treatments on the transcriptional activity of transposable element-derived TUCP in Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(6): 1160-1169. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240195 |