转录组和代谢组联合分析SPD诱导杧果成花的作用机制

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杧果(Mangifera indica L.)是中国重要的热带经济果树,目前,我国杧果50%以上的主产区常采用土壤淋施多效唑控梢促花,然而,长期土施多效唑(Paclobutrazol,PBZ)用量控制不当易导致土壤残留、树势衰退进而影响果实产量和品质。因此,筛选绿色低残留促花调节剂成为杧果产业健康发展的难题。前期研究发现叶面喷施适宜浓度复配药剂缩节胺、调环酸钙和烯效唑(简称SPD)可以显著促进杧果的成花率,且安全、低残留。然而,其调控杧果成花的作用机制尚不清楚。因此,研究响应SPD处理促进杧果成花的关键调控途径和调节因子,可为解析SPD促进杧果成花调控网络奠定理论基础,对指导杧果绿色高效生产和理解杧果成花调控理论具有重要的意义。本研究以‘台农1号’杧果为试验材料,通过外源SPD处理,明确其促进杧果成花的效应,利用石蜡切片观察弄清SPD促进杧果成花的关键时期,进一步采用转录组和代谢组的方法构建SPD处理和清水对照组处理后不同阶段顶芽的转录组和代谢组谱,鉴定响应SPD处理促进杧果成花的关键调控途径和调节因子(代谢物、基因),探讨其调控成花潜在的基因网络,初步解析SPD促进杧果成花的作用机制。主要分析结果如下:(1)明确了SPD促进杧果成花的效应及花芽分化时期。连续两年实验表明,喷施SPD的杧果树的开花率和单株产量均显著高于对照,两年开花率均超过80%,证实SPD对促进杧果成花有效。通过对SPD处理组和对照组处理后不同阶段(30、60、80、100 d)的顶芽进行形态学与细胞学观察,发现SPD处理后80 d,顶芽外部形态和内部形态特发生显著变化,主要表现为茎尖膨大和侧向膨大,失去其圆顶特征。因此,处理后80 d为SPD促进杧果花芽形成的关键时期。(2)构建了SPD处理与对照组处理后顶芽不同发育时期的转录组谱。以SPD处理组(TA、TB、TC、TD)和对照组(A、B、C、D)处理后30、60 80、100 d的顶芽进行转录组测序,共筛选到15322个差异表达基因(DEGs全称)。为韦恩分析获得1249个TA vs TC、TA vs TD、C vs TC和D vs TD之间共有的DEGs。这些DEGs显著富集到淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导、光合作用苯丙素生物合成和昼夜节律通路。(3)分析了响应SPD调控杧果成花的植物激素信号转导途径、淀粉和蔗糖代谢以及开花调控途径的相关基因表达情况。对于植物激素信号转导途径,生长素信号转导相关基因(AUX1、AUX/IAA、SAUR)、细胞分裂素信号转导相关基因(CRE1、AHP、B-ARR)、赤霉素信号转导相关基因(DELLA、PIF3)、脱落酸信号转导相关基因(PP2C、ABF)、乙烯信号转导相关基因(ETR、SIMKK、EIN3、ERF)、油菜素甾醇信号转导相关基因(BRI1、TCH4、CYCD3)、茉莉酸信号转导相关基因(JAR1、JAZ、MYC2)、水杨酸信号转导相关基因(TGA)在TA vs TC、TA vs TD、C vs TC和D vs TD组中均差异表达。淀粉和蔗糖代谢途径中的PYG、HK、ots B、endoglucanase、beta-glucosidase、INV、bgl X、bgl B、GN1_2_3等基因在TA vs TC、TA vs TD、C vs TC和D vs TD组中均差异表达。正向调控开花的转录因子,如CO、SOC1、FT、AP1、SPL和AGL在SPD处理后80 d和/或100 d的表达高于对照。负向调控开花的转录因子,如AP2在SPD处理后80 d和/或100 d的表达低于对照。(4)构建了SPD处理与对照组处理后顶芽不同发育时期的代谢组谱。代谢组共检测到582种代谢物,包括129种脂质、63种有机酸、49种核苷酸及其衍生物、187种酚酸类、72种氨基酸及其衍生物和82种其他类。以基于OPLS-DA模型计算得到的VIP值≥1且差异倍数(Fold Change)≥2(上调)/Fold Change≤0.5(下调)的代谢物为筛选标准,从16个两两比对分析中共筛选出398个差异代谢物。(5)鉴定了响应SPD调控杧果成花的关键代谢物。在SPD处理后80~100 d,随着顶芽的休眠解除,顶芽中脂质、酚酸、氨基酸、碳水化合物和维生素等代谢物随着时间推移发生了显著的变化。溶血磷脂酰胆碱(LPC)含量在80~100 d显著上调,脯氨酸、抗坏血酸、碳水化合物和单宁含量持续增加。对照中则没有显著变化。(6)基于转录组与关键代谢物的WGCNA分析,鉴定到响应SPD促进杧果成花的关键模块和基因。以L-脯氨酸、L-谷氨酸、1-氨基环丙烷-1-羧酸、γ-氨基丁酸、溶血磷脂酰胆碱16:2为表型数据,结合差异表达基因共构建了12个共表达模块,其中turquoise模块的基因与L-脯氨酸、L-谷氨酸、1-氨基环丙烷-1-羧酸、γ-氨基丁酸、溶血磷脂酰胆碱16:2具有显著的相关性,筛选出与L-谷氨酸高度相关6个谷氨酸受体,与γ-氨基丁酸相关的1个转运蛋白;与L-脯氨酸高度相关4个脯氨酸蛋白和1个脯氨酸受体。进一步构建了turquoise模块核心基因的共表达网络。总体上,从转录调控角度,SPD主要通过调节了植物激素信号转导、淀粉与蔗糖代谢及开花调控途径及相关基因的表达,促进杧果成花;从代谢角度,SPD主要通过调节脂质、酚酸、氨基酸、碳水化合物和维生素等代谢变化,促进杧果成花,同时基于WGCNA分析也挖掘到与氨基酸相关的基因。
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