Transcriptome analysis reveals the effect of grafting on gossypol biosynthesis and gland formation in cotton
- 作者
- Kun Ye, Teng Teng, Teng Yang, Degang Zhao, Yichen Zhao
- 杂志
- BMC Plant Biology（2023）
- DOI
- 10.1186/s12870-022-04010-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究嫁接对棉花棉酚生物合成及色素腺形成的影响，并筛选参与棉酚合成的关键基因及潜在分子机制。
研究策略
对四种嫁接组合（高/低棉酚棉花相互嫁接和自嫁接）的砧木和接穗进行转录组测序，比较差异表达基因，筛选棉酚合成途径（map00909）中的差异表达酶，并通过qRT-PCR和VIGS技术验证候选基因功能。
核心内容
本研究以高、低棉酚含量的棉花为材料，构建嫁接组合并进行转录组测序，旨在解析嫁接对棉酚生物合成和色素腺形成的影响。分析发现，嫁接显著降低了叶片腺体密度，高酚棉花接穗中，未嫁接株腺体密度为70.50±4.86，而嫁接至低酚砧木后降至63.58±4.38；同时，低酚砧木可降低高酚接穗的棉酚含量，而高酚砧木则产生相反效应。共鉴定出数千个差异表达基因，并锁定棉酚合成主通路上的6个差异表达酶，包括LUP1、FDFT1和CAD。通过VIGS技术沉默LUP1、FDFT1和CAD基因后，棉酚含量分别显著下降46.56%、41.91%和39.12%。结果表明，根系是棉酚合成的主要场所，砧木与接穗间的信号交流可调控相关基因表达，进而影响棉酚积累与腺体形成。该发现为通过嫁接策略调节棉花次生代谢产物提供了分子依据。
创新点
首次利用转录组分析揭示嫁接过程中棉酚合成的潜在分子机制；鉴定出6个可能影响棉酚合成的差异表达酶；通过VIGS验证了LUP1、FDFT1和CAD基因在棉酚合成中的重要作用。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 棉酚生物合成（sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis, map00909） | LUP1 | Lupeol synthase | 催化 | 差异表达酶，VIGS沉默后棉酚含量下降41.91% |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 棉酚生物合成（sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis, map00909） | LUP2 | Beta-amyrin synthase | 催化 | 差异表达酶，VIGS沉默后植株死亡，可能影响生长发育 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 棉酚生物合成（sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis, map00909） | SQLE | Squalene monooxygenase | 催化 | 差异表达酶，VIGS沉默后植株死亡，可能影响生长发育 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 棉酚生物合成（sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis, map00909） | FDFT1 | Squalene synthase | 催化 | 差异表达酶，VIGS沉默后棉酚含量下降39.12% |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 棉酚生物合成（sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis, map00909） | GERD | (-)-Germacrene D synthase | 催化 | 差异表达酶，VIGS沉默后植株死亡，可能影响生长发育 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 棉酚生物合成（sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis, map00909） | CADS (CAD) | (+)-Delta-cadinene synthase | 催化 | 关键酶，VIGS沉默后棉酚含量下降46.56% |
关键发现
- 高酚棉花叶片腺体密度：自嫁接根砧为53.83±3.71，互嫁接为45.95±3.16，未嫁接为79.78±5.49
- 接穗中自嫁接为34.43±2.37，互嫁接为63.58±4.38，未嫁接为70.50±4.86，表明嫁接显著降低腺体密度。棉酚含量测定显示低酚棉花根降低高酚接穗棉酚含量，而高酚根砧使高酚接穗棉酚含量显著增加。转录组分析共检测到差异表达基因：a1vsb1 2844个（上调2051，下调793），a2vsd2 3689个（上调874，下调2813），c1vsd1 8710个（上调3289，下调5421），c2vsb2 3458个（上调1550，下调1908）。在棉酚合成主通路（map00909）中发现6个差异表达酶：LUP1、LUP2、SQLE、FDFT1、GERD、CADS。VIGS沉默LUP1、FDFT1和CAD后，棉酚含量分别显著降低46.56%、41.91%和39.12%。
研究结论
根系是棉酚合成的主要场所，色素腺影响棉酚积累；嫁接过程中砧木与接穗间存在信号交流，可调节棉酚合成相关基因的表达，从而影响棉酚含量和腺体密度。