2024-10-21
一、研究背景(jing) 植(zhi)(zhi)(zhi)物轉錄組(zu)不(bu)僅(jin)加深了(le)(le)我們對植(zhi)(zhi)(zhi)物生(sheng)長發(fa)育、逆境(jing)適應等基本生(sheng)命過程的(de)理解，也(ye)為改良作物品種提供了(le)(le)新的(de)思路和技術支持(chi)。隨著技術的(de)不(bu)斷進步和完善，未(wei)來植(zhi)(zhi)(zhi)物領域還將取得更多突(tu)破性的(de)成果。 （1）植物生(sheng)長(chang)發(fa)育和代謝(xie)調控：轉錄組分(fen)析能(neng)夠揭示(shi)(shi)植物在不同發(fa)育階段和環境壓力下的基因表(biao)達動態變化，進而研究(jiu)植物生(sheng)長(chang)發(fa)育和代謝(xie)調控的分(fen)子機(ji)制(zhi)。例如(ru)，通(tong)過分(fen)析花粉(fen)管發(fa)育過程中的轉錄組表(biao)達，可(ke)以揭示(shi)(shi)調控花粉(fen)管生(sheng)長(chang)發(fa)育的分(fen)子調控機(ji)制(zhi)。 （2）植(zhi)物(wu)(wu)(wu)抗逆反應基(ji)因和分(fen)子機(ji)制：植(zhi)物(wu)(wu)(wu)轉錄(lu)組學方(fang)法被證明是研(yan)究植(zhi)物(wu)(wu)(wu)抗逆反應基(ji)因和分(fen)子機(ji)制的(de)有效方(fang)法。通過對(dui)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)在條件脅迫下的(de)轉錄(lu)組表達進行(xing)分(fen)析(xi)，可以(yi)篩選出大量的(de)脅迫響應基(ji)因，并通過特定的(de)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)信息學技術(shu)確定這些基(ji)因的(de)功能。 （3）植(zhi)物(wu)基(ji)因(yin)組倍性變(bian)化(hua)(hua)(hua)和(he)適(shi)(shi)應性進化(hua)(hua)(hua)：轉(zhuan)錄(lu)組學(xue)技(ji)術也(ye)被用(yong)于研(yan)究植(zhi)物(wu)基(ji)因(yin)組倍性變(bian)化(hua)(hua)(hua)和(he)適(shi)(shi)應性進化(hua)(hua)(hua)。例如(ru)，通(tong)過(guo)整(zheng)合高質量的(de)(de)基(ji)因(yin)組、轉(zhuan)錄(lu)組和(he)群體基(ji)因(yin)組數據，分(fen)析了(le)(le)紅樹(shu)植(zhi)物(wu)杯萼(e)海桑所在支系的(de)(de)基(ji)因(yin)組進化(hua)(hua)(hua)軌(gui)跡，并提出了(le)(le)多(duo)倍化(hua)(hua)(hua)－重二倍化(hua)(hua)(hua)過(guo)程的(de)(de)框架模型，揭(jie)示全球氣候變(bian)化(hua)(hua)(hua)背景下的(de)(de)植(zhi)物(wu)基(ji)因(yin)組倍性變(bian)化(hua)(hua)(hua)和(he)適(shi)(shi)應性進化(hua)(hua)(hua)機(ji)制。 （4）單(dan)細(xi)胞轉錄組學：單(dan)細(xi)胞轉錄組技術已(yi)成為植物(wu)生物(wu)學中(zhong)的(de)強大(da)工具，為單(dan)個細(xi)胞水(shui)平的(de)基因表(biao)達提供高分辨率(lv)的(de)見解。這項技術在植物(wu)發育和植物(wu)生物(wu)技術研究(jiu)中(zhong)具有巨大(da)的(de)潛力。 （5）轉錄組(zu)(zu)(zu)學技術的(de)(de)應(ying)用：轉錄組(zu)(zu)(zu)學技術在(zai)植物(wu)系統學中(zhong)的(de)(de)應(ying)用也在(zai)不斷擴展，它能夠從(cong)整體(ti)水平上反映細胞或者組(zu)(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)基因的(de)(de)表(biao)達情況(kuang)及其(qi)調控規律(lv)，為植物(wu)系統學的(de)(de)研(yan)究提供了新的(de)(de)視角和(he)工(gong)具(ju)。 綜(zong)上所述，植物(wu)轉錄組(zu)(zu)分析的(de)研(yan)究(jiu)背景(jing)廣泛，涉及植物(wu)生(sheng)長發(fa)育(yu)、逆境響應、基因組(zu)(zu)進化、單(dan)細胞和(he)空(kong)間轉錄組(zu)(zu)學等多個領域，這些研(yan)究(jiu)不僅增進了我們對(dui)植物(wu)生(sheng)物(wu)學的(de)理解，也(ye)為農業生(sheng)物(wu)技術的(de)發(fa)展提(ti)供了重要的(de)分子(zi)工具。
二、應(ying)用(yong)場景 （1）農業可(ke)持續發展：通過(guo)轉錄組分析，可(ke)以(yi)更好地理(li)解植物(wu)對環境(jing)脅迫(po)的(de)響應(ying)機(ji)制，從而培育(yu)出(chu)更耐旱(han)、耐鹽(yan)堿或抗病(bing)的(de)作物(wu)品種，提高農業生(sheng)產效率和(he)可(ke)持續性。 （2）食品(pin)安全(quan)與營(ying)(ying)養：研究(jiu)植物(wu)在不同條(tiao)件(jian)下的基因(yin)表達變化，有(you)助于優化栽培(pei)管理措施，提高作物(wu)的營(ying)(ying)養價值(zhi)和口感(gan)，滿足(zu)人們(men)對健康食品(pin)的需求。 （3）生(sheng)物能源(yuan)與(yu)工業原料：通過(guo)轉(zhuan)錄組分析，可(ke)以發現與(yu)生(sheng)物質(zhi)生(sheng)產(chan)相(xiang)關的基因，為(wei)開發新型生(sheng)物能源(yuan)和工業原料提供科學依據。 （4）生(sheng)態(tai)保(bao)(bao)(bao)護(hu)與(yu)物種多樣性：轉錄組(zu)分(fen)析(xi)可以幫助研究人員了解野(ye)生(sheng)植物種群的(de)遺傳多樣性和適應性，為生(sheng)態(tai)保(bao)(bao)(bao)護(hu)和物種多樣性保(bao)(bao)(bao)護(hu)提供科(ke)學支持。
三、植物轉(zhuan)錄組分(fen)析(xi)流程
四、植物轉錄組(zu)經典案例(li) 案例一(yi)擬(ni)南芥(jie)lncRNA轉錄(lu)組助力揭示葉(xie)綠體(ti)轉錄(lu)-翻(fan)譯新機制 英(ying)文(wen)標題：AtNusG, a chloroplast nucleoid protein of bacterial origin linking chloroplast transcriptional and translational machineries, is required for proper chloroplast gene expression in Arabidopsis thaliana 發(fa)表期刊：Nucleic Acids Research 技術策略：RNA-Seq 客戶(hu)單位：上海師范(fan)大學 影響因(yin)子：16.6 物種樣本：擬南芥 圖1 技術路線 在(zai)大腸(chang)桿(gan)(gan)菌中，轉錄(lu)(lu)-翻(fan)(fan)譯(yi)耦合(he)(he)是(shi)由 NusG 介(jie)導的(de)(de)(de)(de)(de)。雖然葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)是(shi)內(nei)共生(sheng)原核(he)(he)生(sheng)物的(de)(de)(de)(de)(de)后代(dai)，但葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中這(zhe)(zhe)(zhe)種耦合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)機制(zhi)仍不清(qing)楚(chu)。在(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)里(li)，我們(men)報告了(le)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中通過 AtNusG 實現轉錄(lu)(lu)-翻(fan)(fan)譯(yi)耦合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況。AtNusG 定位于葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)核(he)(he)仁中，通過與(yu)(yu)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti) PEP 復(fu)合(he)(he)物的(de)(de)(de)(de)(de)重要成(cheng)分(fen) PAP9 相互作用(yong)，與(yu)(yu)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti) PEP 復(fu)合(he)(he)物密切相關。它還與(yu)(yu)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)核(he)(he)糖體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)結合(he)(he)，并與(yu)(yu)它們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)兩(liang)個成(cheng)分(fen) PRPS5（uS5c）和(he) PRPS10（uS10c）相互作用(yong)。這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)(xie)數據(ju)表明，葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)轉錄(lu)(lu)和(he)翻(fan)(fan)譯(yi)機制(zhi)是(shi)耦合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)。在(zai)atnusg突(tu)變體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中，葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)編碼的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)合(he)(he)基因(yin)轉錄(lu)(lu)本（如psbA、psbB、psbC和(he)psbD）的(de)(de)(de)(de)(de)積累沒有明顯變化，但其蛋白質的(de)(de)(de)(de)(de)積累明顯減少。葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)多聚體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)分(fen)析(xi)表明，這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)(xie)蛋白質的(de)(de)(de)(de)(de)減少是(shi)由于在(zai)該突(tu)變體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中它們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)翻(fan)(fan)譯(yi)效(xiao)率(lv)降低，從而導致光(guang)合(he)(he)效(xiao)率(lv)降低和(he)對冷脅迫的(de)(de)(de)(de)(de)敏感性增強(qiang)。這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)(xie)數據(ju)表明，葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中 AtNusG 介(jie)導的(de)(de)(de)(de)(de)轉錄(lu)(lu)和(he)翻(fan)(fan)譯(yi)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)耦合(he)(he)確保了(le)植物生(sheng)長光(guang)合(he)(he)能(neng)力的(de)(de)(de)(de)(de)快速建立和(he)對環境(jing)變化的(de)(de)(de)(de)(de)響應。因(yin)此，研究揭示了(le)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)與(yu)(yu)大腸(chang)桿(gan)(gan)菌之間(jian)轉錄(lu)(lu)-翻(fan)(fan)譯(yi)耦合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)保守機制(zhi)，這(zhe)(zhe)(zhe)或(huo)許代(dai)表了(le)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)基因(yin)表達的(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)控機制(zhi)。這(zhe)(zhe)(zhe)項研究為深(shen)入(ru)了(le)解(jie)高等(deng)植物葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)基因(yin)表達的(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)在(zai)機制(zhi)提供了(le)啟(qi)示。 案例(li)二基于轉錄組揭示嫁接(jie)誘(you)導瓜茄中鎘含量降(jiang)低(di)的(de)潛在機制 英文標題：Decreased cadmium content in Solanum melongena induced by grafting was related to glucosinolates synthesis 發表期刊：Science of the Total Environment 技術(shu)策略：RNA-Seq、靶(ba)向(xiang)氨(an)基(ji)酸代謝組 客(ke)戶單位：沈陽(yang)大學 影響因子：8.2 物種樣本：茄(qie)子（紫麗(li)人，?托魯巴姆） 圖2 技術路線(xian) 嫁接(jie)(jie)(jie)是減(jian)(jian)少作物鎘(ge)(ge)積累(lei)的(de)一(yi)種(zhong)有效園藝方法。然而(er)，嫁接(jie)(jie)(jie)導(dao)致接(jie)(jie)(jie)穗中(zhong)鎘(ge)(ge)含量(liang)(liang)(liang)下降(jiang)的(de)機理(li)仍不清楚。研究評估了(le)(le)(le)嫁接(jie)(jie)(jie)對瓜果(guo)質量(liang)(liang)(liang)、產量(liang)(liang)(liang)和鎘(ge)(ge)含量(liang)(liang)(liang)的(de)影響(xiang)，并探(tan)討了(le)(le)(le)嫁接(jie)(jie)(jie)降(jiang)低接(jie)(jie)(jie)穗鎘(ge)(ge)含量(liang)(liang)(liang)的(de)潛在機制(zhi)。在低鎘(ge)(ge)污染土壤中(zhong)，與(yu)(yu)未嫁接(jie)(jie)(jie)植(zhi)(zhi)株(zhu)（UG）和自嫁接(jie)(jie)(jie)植(zhi)(zhi)株(zhu)（SG）相(xiang)(xiang)比(bi)，間嫁接(jie)(jie)(jie)植(zhi)(zhi)株(zhu)（EG）的(de)果(guo)實(shi)產量(liang)(liang)(liang)增加了(le)(le)(le) 38%，果(guo)實(shi)質量(liang)(liang)(liang)未受明顯(xian)影響(xiang)。在EG中(zhong)，總(zong)S和Cd含量(liang)(liang)(liang)的(de)降(jiang)低與(yu)(yu)有機酸(suan)(suan)和硫(liu)醇化合物無關(guan)(guan)(guan)。EG葉(xie)片和果(guo)實(shi)中(zhong)總(zong)S和Cd含量(liang)(liang)(liang)的(de)降(jiang)低與(yu)(yu)葡萄糖苷酸(suan)(suan)鹽（GSL）的(de)合成和運輸密切相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)。葉(xie)片中(zhong)編碼 GSL 合成的(de)基(ji)因，如堿性(xing)螺旋-環-螺旋、髓鞘蛋白、乙(yi)酰(xian)-CoA、細胞色素 P450 和谷胱甘(gan)肽 S-轉移酶，均顯(xian)著(zhu)下調(diao)。在EG葉(xie)片中(zhong)，參與(yu)(yu) GSL 合成的(de)八種(zhong)氨基(ji)酸(suan)(suan)中(zhong)有五種(zhong)的(de)含量(liang)(liang)(liang)明顯(xian)下降(jiang)（P < 0.05）。值得注(zhu)意的(de)是，EG莖、葉(xie)和果(guo)實(shi)中(zhong)的(de)GSL總(zong)量(liang)(liang)(liang)與(yu)(yu)總(zong)S和Cd呈顯(xian)著(zhu)線性(xing)相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)。總(zong)之，嫁接(jie)(jie)(jie)導(dao)致接(jie)(jie)(jie)穗中(zhong)總(zong)S和Cd含量(liang)(liang)(liang)的(de)減(jian)(jian)少與(yu)(yu)GSL密切相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)。研究結果(guo)為安全利用(yong)受鎘(ge)(ge)污染的(de)土壤、探(tan)索(suo)鎘(ge)(ge)在植(zhi)(zhi)物體內的(de)長距離遷移以及培育低鎘(ge)(ge)積累(lei)作物提供了(le)(le)(le)理(li)論依據。
