淹水胁迫下鸭茅根系基因差异表达及相关通路分析

doi:10.11686/cyxb2023117

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (2): 93-111.DOI: 10.11686/cyxb2023117

淹水胁迫下鸭茅根系基因差异表达及相关通路分析

曾兵¹(), 尚盼盼¹, 沈秉娜¹, 王胤晨², 屈明好¹, 袁扬², 毕磊¹, 杨兴云¹, 李文文¹, 周晓丽¹, 郑玉倩¹, 郭文强¹, 冯彦龙¹, 曾兵¹()

^1.西南大学动物科学技术学院，重庆 402460
^2.贵州省畜牧兽医研究所，贵州贵阳 550000
^3.重庆高校草食动物工程研究中心，重庆 400715

收稿日期:2023-04-11 修回日期:2023-06-29 出版日期:2024-02-20 发布日期:2023-12-12
作者简介:曾兵（1998-），男，重庆人，在读硕士。E-mail： 1564501285@qq.com
曾兵（1998-），男，重庆人，在读硕士。E-mail： 1564501285@qq.com
基金资助:
贵州林下养蜂提质增效关键技术集成与推广示范研究项目，重庆市现代农业产业技术体系（草食牲畜：CQMAITS202313）和西南大学大学生创新训练项目(X202310635206)

Differentially expressed genes and related pathways in root systems of Dactylis glomerata under flooding stress

Bing ZENG¹(), Pan-pan SHANG¹, Bing-na SHEN¹, Yin-chen WANG², Ming-hao QU¹, Yang YUAN², Lei BI¹, Xing-yun YANG¹, Wen-wen LI¹, Xiao-li ZHOU¹, Yu-qian ZHENG¹, Wen-qiang GUO¹, Yan-long FENG¹, Bing ZENG¹()

^1.College of Animal Science and Technology，Southwest University，Chongqing 402460，China
^2.Guizhou Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine，Guiyang 550000，China
^3.Chongqing University Herbivore Engineering Research Center，Chongqing 400715，China

Received:2023-04-11 Revised:2023-06-29 Online:2024-02-20 Published:2023-12-12

摘要/Abstract

摘要：

近年来我国南方地区洪涝灾害频繁发生，严重制约草牧业的发展。鸭茅作为重要的生态草种和优质牧草，耐淹性较差的特性严重影响其在频繁遭受洪涝区域的推广应用。本研究以国审品种“安巴”鸭茅为研究对象，对淹水胁迫0、8和24 h处理后的幼苗根系生理和转录等进行分析，以探究鸭茅在淹水胁迫下的响应机制。结果显示，淹水胁迫引起鸭茅根系中可溶性糖、可溶性蛋白和丙二醛含量显著增加，相对电导率先减少后显著升高。在淹水胁迫处理8 h后（相较于0 h），鸭茅根系中有5788个差异表达基因，包括上调基因2872个，下调基因2916个。胁迫处理24 h后，鸭茅根系中共有8807个差异表达基因，包括上调基因4123个，下调基因4684个。GO富集显示，这些差异表达基因功能主要涉及多糖代谢、微管结合、纤维素代谢过程、抗氧化反应等。KEGG富集显示，鸭茅根系主要通过苯丙烷生物合成、碳代谢、谷胱甘肽代谢、氨基酸生物合成、淀粉和蔗糖代谢以及糖酵解/糖异生等途径来响应淹水胁迫。进一步分析苯丙烷生物合成、碳代谢、谷胱甘肽代谢通路中的差异表达基因，推测 HXK1、HXK2、ADH1、GST和APX2等关键基因在鸭茅响应胁迫中发挥重要作用。MYB、NB-ARC、WRKY、GRAS和AP2等转录因子家族基因在淹水胁迫中表达丰富，可能与鸭茅的耐淹性密切相关。本研究结果为进一步探究鸭茅耐淹的分子机理提供了基础数据，也为后续的鸭茅耐淹性状改良工作提供理论支撑。

关键词: 鸭茅, 淹水胁迫, 根系, 转录组, 差异表达基因, 代谢通路

Abstract:

In recent years， flooding has occurred frequently in southern China， and has seriously restricted the development of grass and animal husbandry industries. Dactylis glomerata is an important ecological grass species and a high-quality forage. However， it has poor flooding tolerance， so it is seldom grown in areas that are frequently affected by flooding. In this study， to explore the flooding response mechanism of D. glomerata， the physiological indexes and gene expression patterns in the roots of seedlings of the D. glomerata cultivar ‘Anba’ were analyzed at 0， 8， and 24 hours of flooding stress. The results showed that the contents of soluble sugars， soluble protein， and malondialdehyde in the roots increased significantly under flooding stress， and the relative conductivity decreased initially and then increased significantly during the 24 hours flooding treatment. After 8 hours of flooding stress （compared with 0 hours）， there were 5788 differentially expressed genes in the roots of D. glomerata， including 2872 up-regulated genes and 2916 down-regulated genes. After 24 hours of flooding stress， there were 8807 differentially expressed genes in the roots of D. glomerata， including 4123 up-regulated genes and 4684 down-regulated genes. Gene ontology enrichment analyses showed that these differentially expressed genes were mainly involved in polysaccharide metabolism， microtubule binding， cellulose metabolism， and the antioxidant response. The results of Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes enrichment analysis showed that the pathways responding to flooding in roots of D. glomerata were phenylpropanoid biosynthesis， carbon metabolism， glutathione metabolism， amino acid biosynthesis， starch and sucrose metabolism， and glycolysis/gluconeogenesis. Further analysis of differentially expressed genes involved in phenylpropanoid biosynthesis， carbon metabolism， and glutathione metabolism pathways suggested that HXK1， HXK2， ADH1， GST， and APX2 encode products with important roles in the response of D. glomerata to flooding stress. Genes encoding MYB， NB-ARC， WRKY， GRAS， and AP2 transcription factors were highly expressed under flooding stress， suggesting that these transcription factors are closely related to flooding tolerance in D. glomerata. The results of this study provide basic data for further exploration of the molecular mechanism of flooding tolerance of D. glomerata， and also provide theoretical support for breeding to improve flooding tolerance.

Key words: Dactylis glomerata, flooding stress, roots, transcriptome, differentially expressed genes, metabolic pathway

曾兵, 尚盼盼, 沈秉娜, 王胤晨, 屈明好, 袁扬, 毕磊, 杨兴云, 李文文, 周晓丽, 郑玉倩, 郭文强, 冯彦龙, 曾兵. 淹水胁迫下鸭茅根系基因差异表达及相关通路分析[J]. 草业学报, 2024, 33(2): 93-111.

Bing ZENG, Pan-pan SHANG, Bing-na SHEN, Yin-chen WANG, Ming-hao QU, Yang YUAN, Lei BI, Xing-yun YANG, Wen-wen LI, Xiao-li ZHOU, Yu-qian ZHENG, Wen-qiang GUO, Yan-long FENG, Bing ZENG. Differentially expressed genes and related pathways in root systems of Dactylis glomerata under flooding stress[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(2): 93-111.

图/表 14

表1 鸭茅根系差异基因引物序列

Table 1 Sequence list of primers for differentially expressed genes in D. glomerata roots

基因编号 Gene ID	正向引物Forward primer （5'-3'）	反向引物Reverse primer （5'-3'）
DG4C05841	GAGAAGGTGACCGAGAAC	GAGTGGGTGAAGAGGATG
DG3C00580	CGGCTACAGAAGAGGAGAGT	TGAAGAACAACAACGACAGACA
DG3C06505	CACTACTCCAAGACATGCCCGAATG	AAGCAGCACCGATCCATCACAAC
DG3C01167	TGCTCTGAACGACAACTT	ATGAACTCTTCTTCTCTCTGG
DG7C01296	ACTGCTGTGAAAGTGGTGCTGATC	TTCGCCGAGGATTCTGTTACAACTG
DG7C02648	TCAACAAGATGCGGTCCAACTGAG	GTACTTACACCACGTCGAGTTCCAC
Actin	GATCTTCGCCTCGCCAGGTTATC	ATATCGCCGTGCTTCATCCATGTC

图1 淹水胁迫下鸭茅根系生理指标变化不同小写字母表示不同淹水时间生理指标差异显著（P<0.05）。Different lowercase letters indicate that there are significant differences in physiological indexes of different flooding time （P<0.05）.

Fig.1 Changes of physiological indexes of D. glomerata roots under flooding stress

表2 各样本测序数据质控结果

Table 2 Quality control results of sequencing data for each sample

样品编号 Sample number	原始数据 Raw reads	过滤数据 Clean reads	Q20 （%）	Q30 （%）	GC （%）	总比对率 Total mapping rate		唯一比对率 Unique mapping rate		多比对率 Multiple mapping rate
样品编号 Sample number	原始数据 Raw reads	过滤数据 Clean reads	Q20 （%）	Q30 （%）	GC （%）	A	B （%）	A	C （%）	A	D （%）
AB_0h-1	44620874	42773100	98.04	94.27	53.94	31478723	73.59	30319134	70.88	1159589	2.71
AB_0h-2	46136466	44761494	98.00	94.28	54.79	32380485	72.34	31351666	70.04	1028819	2.30
AB_0h-3	44129532	42808268	97.99	94.22	53.97	30601830	71.49	29397803	68.67	1204027	2.81
AB_8h-1	43448316	42799686	98.17	94.69	54.83	29514489	68.96	28122605	65.71	1391884	3.25
AB_8h-2	41701902	39685822	98.07	94.31	52.56	27539115	69.39	26220686	66.07	1318429	3.32
AB_8h-3	42842338	41560508	98.10	94.44	55.58	29288776	70.47	28052239	67.50	1236537	2.98
AB_24h-1	43175864	41932282	97.94	94.19	56.10	27742677	66.16	25974820	61.94	1767857	4.22
AB_24h-2	47368352	46014046	97.98	94.24	55.61	30684212	66.68	29002064	63.03	1682148	3.66
AB_24h-3	49040614	47826980	97.91	94.05	55.25	31306578	65.46	29261089	61.18	2045489	4.28

表3 差异表达基因数量统计

Table 3 Statistical of number of differentially expressed genes

差异表达基因比较组合

Comparative combinations of differentially expressed genes

差异表达基因数目

Number of differentially expressed genes

上调基因数目

Number of up-regulated

genes

下调基因数目

Number of down-regulated

genes

图2 差异表达基因的韦恩图a：上调差异基因 Up-regulate differential expressed genes；b：下调差异基因 Down-regulated differentially expressed genes.

Fig.2 Venn diagram of differentially expressed genes

图3 差异表达基因GO注释类别显著性前10条目统计

Fig.3 Statistics of the top 10 entries of GO annotation category significance for differentially expressed genes

图4 部分显著富集GO条目差异表达基因分析GO：0007018：基于微管的运动Microtubule-based movement；GO：0030243：纤维素代谢过程Cellulose metabolic process；GO：0044042：葡聚糖代谢过程Glucan metabolic process；GO：0044262：细胞碳水化合物代谢过程Cellular carbohydrate metabolic process；GO：0008092：细胞骨架蛋白结合Cytoskeletal protein binding；GO：0016462：焦磷酸酶活性Pyrophosphatase activity；GO：0006979：抗氧化反应Response to oxidative stress；GO：0006260：DNA复制DNA replication；GO：0008017：微管结合Microtubule binding.

Fig.4 Analysis of some significantly enriched GO entries with differentially expressed genes

图5 差异表达基因KEGG富集气泡图

Fig.5 KEGG enrichment bubble diagram of differentially expressed genes

图6 苯丙类生物合成通路相关差异基因聚类热图

Fig.6 Phenylpropanoid biosynthesis pathway related differential gene clustering heat map

图7 碳代谢通路相关差异基因聚类热图

Fig.7 Clustering heat map of differential genes related to carbon metabolism pathway

图8 谷胱甘肽代谢通路相关差异基因

Fig.8 Differential genes related to glutathione metabolic pathway

表4 重要转录因子差异基因数量统计

Table 4 Statistics on the number of differential genes of important transcription factors

转录因子 Transcription factors	比较组合 Comparison group	差异基因数 Number of differentially expressed genes	上调差异基因数 Number of up-regulated genes	下调差异基因数 Number of down-regulated genes	主要富集通路 Primary pathways enrichment
MYB	AB_8h vs AB_0h	39	19	20	昼夜节律-植物 Circadian rhythm-plant
MYB	AB_24h vs AB_0h	71	32	39	昼夜节律-植物 Circadian rhythm-plant
NB-ARC	AB_8h vs AB_0h	39	23	16	植物-病原互作 Plant-pathogen interaction
NB-ARC	AB_24h vs AB_0h	56	20	32	植物-病原互作 Plant-pathogen interaction
WRKY	AB_8h vs AB_0h	16	4	12	植物-病原互作、植物MAPK信号通路 Plant-pathogen interaction， plant MAPK signaling pathway
WRKY	AB_24h vs AB_0h	17	5	12
GRAS	AB_8h vs AB_0h	4	2	2	植物激素信号转导 Plant hormone signal transduction
GRAS	AB_24h vs AB_0h	11	7	4	植物激素信号转导 Plant hormone signal transduction
AP2	AB_8h vs AB_0h	27	8	19	植物激素信号转导、植物MAPK信号通路 Plant hormone signal transduction， plant MAPK signaling pathway
AP2	AB_24h vs AB_0h	41	28	13

图9 实时荧光定量PCR和转录组数据相关性分析

Fig.9 Real-time fluorescence quantitative PCR and transcriptome data correlation analysis

图10 差异基因的实时荧光定量PCR验证转录组数据

Fig.10 Real-time fluorescence quantitative PCR of differential genes verified transcriptome data

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淹水胁迫下鸭茅根系基因差异表达及相关通路分析

Differentially expressed genes and related pathways in root systems of Dactylis glomerata under flooding stress

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图/表 14

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