RNA sequencing reveals transcriptomic changes in tobacco (Nicotiana tabacum) following NtCPS2 knockdown
- 作者
- Lingxiao He, Huabing Liu, Changhe Cheng, Min Xu, Lei He, Lihua Li, Jian Yao, Wenjun Zhang, Zhengguang Zhai, Qinzhan Luo, Jutao Sun, Tiezhao Yang, Shixiao Xu
- 单位
- College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, National Tobacco Cultivation & Physiology & Biochemistry Research Centre, Scientific Observation and Experiment Station of Henan, Ministry of Agriculture, Zhengzhou 450002, China; Technology Center, China Tobacco Zhejiang Industry Co, Ltd., Hangzhou 310008, China; China National Tobacco Corporation Henan company, Zhengzhou 450002, Henan, China; Hunan Tobacco Corporation Changsha Company, Changsha 410007, Hunan, China; Guangxi Zhuang Autonomous Region Tobacco Corporation Baise Company, Baise 533000, Guangxi, China
- 杂志
- BMC Genomics（2021）
- DOI
- 10.1186/s12864-021-07796-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明NtCPS2基因在烟草cis-abienol生物合成中的作用及其敲低对全基因组转录组和代谢途径的影响
研究策略
利用CRISPR/Cas9技术敲低烟草NtCPS2基因，通过RNA-seq分析差异表达基因，结合GC-MS测定萜类含量、qRT-PCR验证及农艺性状和抗病性分析，揭示NtCPS2敲低后的转录组变化。
核心内容
本研究利用CRISPR/Cas9技术敲低烟草中的NtCPS2基因，并通过RNA-seq对全基因组转录组变化进行了系统分析，旨在阐明该基因在cis-abienol生物合成及其下游代谢调控中的作用。结果显示，NtCPS2表达量较野生型降低9.27倍，cis-abienol合成显著下降，同时NtABS表达也相应降低2.43倍。转录组共鉴定出9514个差异表达基因，其中4279个上调、5235个下调。值得注意的是，赤霉素合成通路中的关键基因KAO2、CPS1和KS1分别上调16.67倍、12.14倍和2.76倍，导致赤霉素含量显著升高，而ABA相关途径基因表达也发生改变。此外，17个病程相关蛋白基因中有14个显著上调（占比82.35%），并验证了NtCPS2敲低植株对烟草疫霉的抗性增强。这些结果表明NtCPS2不仅是cis-abienol合成的关键酶，还通过影响赤霉素与防御基因网络来调节烟草的代谢平衡和抗病能力，为烟草二萜代谢调控机制的理解及高抗病、高香气品种培育提供了分子依据。
创新点
首次对NtCPS2敲低的烟草进行全转录组分析；发现NtCPS2敲低导致赤霉素和ABA途径基因表达变化及病程相关蛋白基因上调；揭示NtCPS2敲低增强烟草对黑胫病的抗性。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum） | cis-abienol生物合成 | NtCPS2 | 8-羟基-柯巴基二磷酸合酶（copal-8-ol diphosphate hydratase） | 催化 | CRISPR/Cas9敲低，表达量降低9.27倍，cis-abienol合成减少 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | cis-abienol生物合成 | NtABS | cis-abienol合酶 | 催化 | 受NtCPS2敲低影响表达下调2.43倍 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 赤霉素生物合成 | NtCPS1 | ent-柯巴基二磷酸合酶1（ent-copalyl diphosphate synthase） | 催化 | NtCPS2敲低后上调12.14倍 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 赤霉素生物合成 | NtKS1 | ent-贝壳杉烯合酶（注释为cis-abienol合酶类似蛋白） | 催化 | NtCPS2敲低后上调2.76倍 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 赤霉素生物合成 | KAO2 | ent-贝壳杉烯酸氧化酶（ent-kaurenoic acid oxidase） | 催化 | NtCPS2敲低后上调16.67倍，参与GA合成 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 赤霉素生物合成 | KO | ent-贝壳杉烯氧化酶 | 催化 | NtCPS2敲低后下调，负向调控GA合成 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 类胡萝卜素/ABA生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶（phytoene synthase） | 催化 | NtCPS2敲低后上调，促进类胡萝卜素合成 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 类胡萝卜素/ABA生物合成 | LCY1 | 番茄红素ε-环化酶（lycopene epsilon cyclase） | 催化 | NtCPS2敲低后上调，促进ABA前体合成 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 植物激素信号转导 | PP2C | 蛋白磷酸酶2C | 调控 | ABA信号通路中受ABA受体抑制，NtCPS2敲低后表达变化 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 植物-病原互作 | PRB1 | 病程相关蛋白1A | 调控 | NtCPS2敲低后上调4.52倍，参与系统获得抗性 |
关键发现
共鉴定9514个差异表达基因（4279个上调，5235个下调）。NtCPS2表达量较野生型降低9.27倍，NtABS降低2.43倍，cis-abienol含量显著下降。赤霉素合成相关基因KAO2上调16.67倍、CPS1上调12.14倍、KS1上调2.76倍，GA含量显著升高。17个病程相关蛋白基因中14个（82.35%）显著上调。NtCPS2敲低植株对烟草疫霉（Phytophthora nicotianae）的抗性增强。
研究结论
NtCPS2是cis-abienol生物合成的关键酶基因，其敲低导致cis-abienol含量下降，同时改变赤霉素、ABA等激素途径及防御相关基因的表达，为理解烟草二萜代谢调控及培育高抗病高香气品种提供了依据。