轉(zhuǎn)錄物組學(xué)解析植物生長發(fā)育的生物鐘調(diào)控模

孫億敬　上官燕　王哲　李姣愛　劉祉辛　孫旭武

摘 要： 基于擬南芥的時間序列的基因組芯片數(shù)據(jù)，分析了植物生長的晝夜調(diào)節(jié)模式相關(guān)的基因表達(dá)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有2.4%的基因的日振幅達(dá)到了顯著差異水平.從整體基因轉(zhuǎn)錄組水平分析，白天誘導(dǎo)表達(dá)的基因主要參與調(diào)控植物與環(huán)境之間的相互作用，而夜晚表達(dá)上調(diào)的基因主要參與調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育.此外，植物葉綠素和血紅素的生物合成也受到了生物鐘的調(diào)控.對整個基因組水平上生物鐘核心震蕩調(diào)節(jié)子 CCA1/LHY 和TOC1的共表達(dá)基因做了基因組水平上的掃描鑒定，得到了一些新的潛在的生物節(jié)律調(diào)節(jié)因子.這些結(jié)果為今后更為系統(tǒng)地完善植物的生物節(jié)律的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了參考.

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)錄物組學(xué)； 植物； 生長發(fā)育； 生物鐘

中圖分類號： Q 756 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1000-5137（2018）04-0444-07

Abstract： Based on the time series genomic microarray data of Arabidopsis thaliana，the gene expression pattern was analyzed，and it was found that 2.4% of the genes had a significant difference in daily amplitude.From the analysis of the overall gene transcriptome level，the genes induced during the day are mainly involved in the regulation of the interaction between plants and the environment，while the genes whose expression is up-regulated at night are mainly involved in regulating the growth and development of plants.In addition，the biosynthesis of plant chlorophyll and hemeare also regulated by the circadian clock.A group of new potential biorhythm regulators were identified by analyzing the genes that show co-expressing with CCA1/LHY or TOC1.These data will provide a reference for the more systematic improvement of the regulatory network of plant circadian clock.

Key words： transcriptomic； plant；growth and development； circadian clock

0 引 言

地球的自轉(zhuǎn)帶來環(huán)境中光和溫度的晝夜周期性變化.有機(jī)體在漫長的演化過程中發(fā)展出用以預(yù)測這種環(huán)境波動的調(diào)節(jié)機(jī)制，并通過“生物鐘”將其細(xì)胞活動與晝夜周期同步[1].生物鐘可以將環(huán)境信號轉(zhuǎn)化為時間信息，有節(jié)奏地協(xié)調(diào)新陳代謝和生理活性.大量的研究表明生物鐘參與調(diào)節(jié)諸多植物生理過程，如：葉子、子葉和花瓣的運(yùn)動，葉綠體的亞細(xì)胞定位，胚胎干（下胚軸）的生長，氣孔的打開和關(guān)閉，以及開花時間等[1].Harmer等[2]發(fā)現(xiàn)哺乳動物、昆蟲、真菌和植物的生物鐘存在保守的調(diào)節(jié)機(jī)制.常見的調(diào)節(jié)機(jī)制涉及到了振蕩器核心部位的轉(zhuǎn)錄反饋循環(huán)[2].擬南芥的生物鐘組分包括單個MYB轉(zhuǎn)錄因子CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1（CCA1）[3]和LATE ELONGATED HYPOCOTYL（LHY）[4].在任一基因被組成型過表達(dá)的植物中，時鐘均不能正常工作，導(dǎo)致節(jié)律失常，而喪失功能的CCA1或LHY突變?nèi)阅鼙３止?jié)奏性，但其周期縮短了[4].此外TIMING OF CAB EXPRESSION 1（TOC1）也是擬南芥生物鐘的重要組成部分[5].與CCA1或LHY過表達(dá)類似，組成型的過表達(dá)TOC1引起多個生物鐘輸出節(jié)律的失常，進(jìn)一步的研究揭示了CCA1、LHY和TOC1之間的功能聯(lián)系和相互調(diào)控關(guān)系[5].根據(jù)這個模型，部分功能冗余的轉(zhuǎn)錄因子CCA1和LHY作為負(fù)向調(diào)節(jié)子通過直接結(jié)合TOC1啟動子中的Evening Element （EE） motif來抑制TOC1的表達(dá)[6].此外McWatters等[7]鑒定到了新的生物鐘核心組件，包括TOC1家族的其他成員，稱為PSEUDO RESPONSE REGULATORS 3，5，7和9（PRR3，PRR5，PRR7和PRR9），EARLY FLOWERING 4（ELF4），GARP（GOLDEN2，ARR-B，Psr1）-MYB-結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子LUX ARRHYTHMO（LUX）或PHYTOCLOCK1（PCL1）和GIGANTEA（GI）.光合作用中一些重要的分子過程是在黎明前啟動的，因此在日出之前植物已經(jīng)準(zhǔn)備好最大限度地利用可見光進(jìn)行光合作用[8].此外，有機(jī)體在太陽升起之前可能會產(chǎn)生濾光色素，以避免可見光和紫外線的損害[8].本文作者系統(tǒng)分析了擬南芥的時間序列的基因芯片數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)植物的生長發(fā)育的節(jié)律性與相關(guān)的基因表達(dá)的節(jié)律性相耦合.通過分析基因的共表達(dá)模式，鑒定到了一些新的節(jié)律調(diào)節(jié)因子.這些發(fā)現(xiàn)為今后探索通過改變?nèi)~綠體的基因表達(dá)來協(xié)調(diào)植物生物節(jié)律，改善植物的生長和發(fā)育提供了新的視角.

1 材料與方法

基因組芯片數(shù)據(jù)（GSE3416）從National Center for Biotechnology Information （NCBI）網(wǎng)站下載.根據(jù)規(guī)范的生物信息學(xué)分析流程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.下載的基因芯片數(shù)據(jù)用Affymetrix公司的Expression Console軟件和Transcriptome Analysis Console軟件進(jìn)行解讀分析.根據(jù)計算基因表達(dá)之間差異水平的對數(shù)值篩選差異表達(dá)基因.篩選到的差異表達(dá)基因分為上調(diào)和下調(diào)兩類.對每個對比數(shù)據(jù)集中發(fā)生顯著上調(diào)的差異基因在Metascape數(shù)據(jù)庫中做gene ontology （GO）分析.

2 結(jié) 果

2.1 基因表達(dá)節(jié)律性的基因組水平展示

從NCBI上的GEO datasets數(shù)據(jù)庫下載了擬南芥晝夜節(jié)律表達(dá)的基因組芯片數(shù)據(jù)（GSE3416）[9].實驗設(shè)計為：植物生長在土壤中，晝夜光照12 h/無光照12 h，溫度為20 ℃.在萌發(fā)5周后，收獲尚未開花植物的蓮座葉，每個樣品15株植物.從黑夜結(jié)束時開始（取樣時仍在黑暗中），每隔4 h取一次樣，每次取3個樣品.下載的基因芯片數(shù)據(jù)用Expression Console軟件進(jìn)行解讀分析.結(jié)果表明，樣品間基因表達(dá)豐度上存在不同程度的差異，如圖1（a）所示，這是由于不同植物之間在生長狀態(tài)和代謝水平上的差異影響到了整體的基因表達(dá)豐度.進(jìn)一步，對6個不同的時間點采集到的18個樣品之間的重復(fù)性進(jìn)行了成對的相關(guān)性分析，如圖1（b）所示，樣品之間的相關(guān)性系數(shù)在0.952～1.000范圍內(nèi)，表明數(shù)據(jù)可靠.計算每個基因在每個時間點上的平均值，并計算該基因在一天內(nèi)的表達(dá)水平的變化，得到該基因表達(dá)水平上的節(jié)律振幅.用每個基因表達(dá)水平的日變化值（x）的對數(shù)值log2x來表征振幅的變化.log2x大于0.25，0.50，0.80，1.00，及2.00的基因占檢測到全部基因的41.0%，30.0%，16.0%，11.0%，及2.4%.根據(jù)差異基因表達(dá)分析（log2x≤-2或者log2x≥2），2.4%基因的日振幅達(dá)到了顯著差異水平.對18個樣品點進(jìn)行了聚類分析，由圖1（c）整體聚類圖可知，基因表達(dá)分為上調(diào)和下調(diào)兩大類，基因表達(dá)水平在3.55～14.05范圍內(nèi).不論在上調(diào)還是下調(diào)的基因簇中，基因在不同時間點之間均表現(xiàn)出不同程度的差異.對不同的時間點進(jìn)行的聚類分析表明：時間點3（下午2點，午后）和時間點4（下午6點，傍晚，準(zhǔn)備進(jìn)入黑夜）之間的基因表達(dá)聚為一類.時間點5（晚上10點）和時間點6（凌晨2點）之間的基因表達(dá)聚為一類.暗示下午2點到下午6點時，以及夜晚10點到凌晨2點之間基因的表達(dá)波動較小.時間點1（上午6點，早晨），2（上午10點）與其他的時間點之間的聚類較遠(yuǎn)，暗示這段時間是基因表達(dá)波動較大的時間點，這與早期的研究結(jié)果是一致的，由于從上午6點到上午10點是植物光合作用快速增加的過程，在這一過程中，大量的植物代謝活動也開展起來，產(chǎn)生的大量的代謝物會通過不同的信號途徑影響基因的表達(dá).另外在這個過程中，光信號從無到有，逐漸加強(qiáng)，對植物的基因表達(dá)也起到了助推作用.

2.2 生物鐘調(diào)控植物生長節(jié)奏

植物在1 ∶ 00-2 ∶ 59和7 ∶ 00-8 ∶ 59生長速度較快，在3 ∶ 00-4 ∶ 59和5 ∶ 00-6 ∶ 59生長速度達(dá)到最快.時間點3和時間點4在一天中溫度和光照較高，也是植物生長速度較慢的時段.分析了這段時間的基因表達(dá)，分析結(jié)果表明：在該時段WRKY54、WRKY70、CRK10、UVR8、CAT1、AOX1a、TOC1、NPQ1和PR5等參與植物感受脅迫應(yīng)答、病原菌防御、紫外線脅迫、強(qiáng)光脅迫和活性氧脅迫的基因的表達(dá)水平發(fā)生了強(qiáng)烈的誘導(dǎo)，說明在該時段中，植物的代謝反應(yīng)更多參與了與外界環(huán)境因素的互動，因此其生長速度受到了一定的抑制.相反，在時間點1和時間點2，PIN3、ARR9、CCA、LHY、REV2等基因的表達(dá)水平明顯提高了.以上結(jié)果還表明，植物的晝夜生長節(jié)奏與調(diào)節(jié)生長基因的表達(dá)相匹配，即促進(jìn)生長基因的快速表達(dá)能在特定的時段調(diào)控植物的快速生長.

2.3 不同時間點差異基因的GO分析

對不同時間點的差異基因進(jìn)行GO分析，結(jié)果如圖2（a）～2（c）所示.在時間點2～4中，隨著溫度的增加，響應(yīng)溫度的基因表達(dá)迅速增加，居GO熱圖最高位，-lgP>20，表明該時段快速表達(dá)的基因主要參與了對溫度的響應(yīng).參與淀粉和糖代謝的基因表達(dá)也受到了快速的誘導(dǎo)，-lgP>10，反映了這一時段光合作用反應(yīng)到達(dá)了較高的水平.隨著光照和溫度的增強(qiáng)，參與糖苷（S-glycoside，也稱為配糖體，是單糖或寡糖的半縮醛羥基與另一分子中的羥基、氨基或硫羥基等因失水而產(chǎn)生的水合物，廣泛分布于植物的根、莖、葉、花和果實中）生物合成的基因表達(dá)活性得到了提高，但總的-lgP值逐漸降低，從時間點2到時間點4，-lgP 值由22.0減少到13.5，表明糖苷的生物合成的活性逐漸收窄.相比時間點1，參與糖苷的生物合成的基因主要在時間點2～4之間顯著增加，表明它們在夜間的表達(dá)活性類似，而在白天受到快速誘導(dǎo).圖2（d），2（e）表明，在夜晚時段為了維持植物基因表達(dá)和代謝的節(jié)律性，與生物鐘相關(guān)的基因表達(dá)受到了快速的誘導(dǎo).響應(yīng)于真菌侵染、水楊酸信號途徑、冷適應(yīng)、免疫反應(yīng)、鹽脅迫，以及細(xì)胞死亡相關(guān)的基因的表達(dá)在時間點5發(fā)生了高水平的誘導(dǎo).這與許多病菌在夜間入侵植物的現(xiàn)象相匹配.在時間點6，與生長素信號、植物發(fā)育、器官生長、光合作用葉綠素合成、光形態(tài)建成等生長發(fā)育調(diào)控相關(guān)的基因的表達(dá)受到了快速的誘導(dǎo)，表明在這一時段，植物處在快速生長階段.

2.4 生物鐘調(diào)控參與葉綠體色素合成的基因表達(dá)

高等植物的葉綠體是光合作用的場所，也是重要的感光細(xì)胞器.葉綠體通過葉綠素吸收光能來進(jìn)行光合作用.葉綠素合成后會被捕光色素結(jié)合蛋白LIGHT HARVESTING CHLOROPHYLL A/B BINDING PROTEIN（LHCB）所結(jié)合，參與對光能的吸收.LHCB的基因表達(dá)受生物節(jié)律的調(diào)控.參與葉綠素生物合成的關(guān)鍵基因的表達(dá)也表現(xiàn)出了高度的生物節(jié)律性（圖3），表明葉綠素的生物合成也受生物鐘調(diào)控.葉綠素的合成和血紅素的合成屬于四吡咯生物合成途徑下游的兩個不同的分支，它們從原卟啉IX處分開.GUN4、GUN5、HEMA1參與葉綠素的生物合成途徑，F(xiàn)C1、FC2、HEMB1參與血紅素的代謝途徑.分析結(jié)果表明，雖然這些基因的表達(dá)具有明顯的生物節(jié)律性，但是它們的節(jié)律模式是相反的.GUN4、GUN5、HEMA1的表達(dá)與CCA1/LHY的表達(dá)模式類似，在白天被逐漸抑制，而在夜晚被逐漸誘導(dǎo)，表明白天葉綠素的合成受到了抑制.相反，F(xiàn)C1、FC2、HEMB1的表達(dá)模式類似于TOC1，它們的mRNA水平在白天被誘導(dǎo)，在夜晚被抑制，表明光照有助于血紅素的合成.當(dāng)植物葉片從較低的光照條件轉(zhuǎn)移到較高的光照條件下后，參與血紅素合成的FC1、FC2、HEMB1的表達(dá)受到了強(qiáng)烈的抑制，說明強(qiáng)光會抑制血紅素的合成.相比而言，當(dāng)植物轉(zhuǎn)到較高光照條件下后，GUN4的表達(dá)卻受到了誘導(dǎo)，而GUN5和HEMA1的表達(dá)僅發(fā)生了輕微的下調(diào)，這可能是由于GUN4、GUN5、HEMA1的誘導(dǎo)表達(dá)主要是在夜晚，所以對光照強(qiáng)度的響應(yīng)不太敏感.這些結(jié)果表明，光對葉綠素和血紅素的生物合成起到了強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，這些色素的合成隨著晝夜的變化發(fā)生著強(qiáng)烈的節(jié)律波動，以滿足葉綠體光合作用的需求，并保持一定的水平，避免過度的色素積累導(dǎo)致對光強(qiáng)的過度吸收和對葉綠體造成的光氧化破壞.

2.5 新的生物鐘調(diào)節(jié)因子的鑒定

分析了CCA1和TOC1的共表達(dá)基因（圖4），首先從全轉(zhuǎn)錄組水平掃描篩選與CCA1/LHY和TOC1共表達(dá)的基因.之后，將共表達(dá)的基因在eFP Browser中分析它們的生物節(jié)律表達(dá)模式.預(yù)測分析結(jié)果表明，BMY3、AT2G41250和COL2的表達(dá)模式與CCA1和LHY的表達(dá)模式類似，說明這些基因的表達(dá)或直接受CCA1/LHY復(fù)合物的調(diào)控，或參與了CCA1/LHY的信號通路，作為生物鐘的核心震蕩器調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，例如BMY3（BETA-AMYLASE 3）編碼β-淀粉酶.由于淀粉的代謝存在較強(qiáng)的節(jié)律性，BMY3的表達(dá)的節(jié)律性可能受淀粉代謝的節(jié)律性誘導(dǎo)，也有可能是由于BMY3基因表達(dá)的節(jié)律性決定了淀粉代謝的節(jié)律性.因此，BMY3的表達(dá)的節(jié)律性是植物基因表達(dá)節(jié)律性與代謝活性節(jié)律性相耦合的良好實例.AT2G42500編碼Haloacid dehalogenase-like hydrolase （HAD） superfamily protein（鹵代酸脫鹵素酶水解酶（HAD）超家族蛋白）.植物的HAD超家族蛋白由一大群磷酸酶組成.然而至今僅有很少數(shù)的受低磷誘導(dǎo)的來自于HAD超家族的磷酸酶在植物中被鑒定和研究[10].Pandey 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，水稻的OsHAD1編碼一個有功能的酸性磷酸酶，該酶在調(diào)節(jié)水稻的無機(jī)磷酸元素的動態(tài)平衡中扮演了重要的角色.COL2（B-BOX DOMAIN PROTEIN 3），與編碼鋅指蛋白的開花時間基因CONSTANS（CO）同源.CO參與調(diào)節(jié)光照時長調(diào)控的植物開花，協(xié)調(diào)光信號和生物鐘信號之間的相互作用.這些結(jié)果表明，COL2可能會像CO一樣參與調(diào)控植物的生物鐘和開花時間.與TOC1表達(dá)模式類似的基因是AT2G22450和ATOEP16-1.AT2G22450（RIBA2）編碼一個核黃素生物合成蛋白，預(yù)測RIBA2可以與金屬離子和GTP結(jié)合，具有3，4-二羥基-2-丁酮-4-磷酸合酶活性和GTP環(huán)化水解酶II活性.ATOEP16-1（OUTER ENVELOPE PROTEIN 16，OUTER PLASTID ENVELOPE PROTEIN 16-1）編碼一種16-KDa質(zhì)體外膜蛋白，參與原葉綠素酸酯氧化還原酶A向質(zhì)體的輸入.ATOEP16-1主要在葉片中表達(dá)，其表達(dá)對冷、葡萄糖、茉莉酸、蔗糖和傷害的處理非常敏感.將來對這些新鑒定的生物鐘的調(diào)節(jié)因子的生物學(xué)功能的研究對進(jìn)一步完善生物鐘調(diào)控網(wǎng)絡(luò)將是非常有意義的.

3 討 論

在充足供應(yīng)營養(yǎng)物和水的條件下，在晝夜交替（12 h光照/12 h黑暗）周期中生長的擬南芥野生型植物中有30%～50%的基因的轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)出可重復(fù)的節(jié)律性晝夜波動.使用微陣列分析，Schaffer等[12]研究發(fā)現(xiàn)11%的基因的表達(dá)表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性.本文作者根據(jù)差異基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，有2.4%的基因（1 389個）的日振幅達(dá)到了顯著差異水平.從整體基因轉(zhuǎn)錄組水平分析，白天誘導(dǎo)表達(dá)的基因主要參與調(diào)控植物與環(huán)境之間的相互作用，而夜晚表達(dá)上調(diào)的基因主要參與調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育.此外，植物葉綠素和血紅素的生物合成也受到了生物鐘的調(diào)控.參于葉綠素生物合成的基因在夜晚被快速地誘導(dǎo)表達(dá)，而在白天被逐漸抑制，表明葉綠素的生物合成主要發(fā)生在早晨到中午之間.相反，與血紅素生物合成相關(guān)的基因在白天被誘導(dǎo)，而在夜間被抑制，并且它們的表達(dá)在強(qiáng)光照條件下均被抑制.雖然葉綠素和血紅素屬于四吡咯生物合成途徑下游的兩個不同的分支，但是它們的合成反應(yīng)則表現(xiàn)出相反的晝夜波動節(jié)律，表明植物的生化代謝途徑可能通過晝夜的生物節(jié)律被分配和調(diào)控.

借助轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)，對整個基因組水平上于生物鐘核心震蕩調(diào)節(jié)子 CCA1/LHY 和TOC1的共表達(dá)基因做了基因組水平上的掃描，鑒定到了與CCA/LHY的表達(dá)模式類似的基因BMY3、AT2G41250 和 COL2，以及與TOC1的表達(dá)模式類似的基因AT2G22450 和 ATOEP16-1.潛在的分子功能預(yù)測分析表明，這些基因可能獨立，或者與CCA1/LHY和TOC1一起參與調(diào)節(jié)植物的生物鐘.今后將通過突變體篩選、分子生物學(xué)檢測和生理生化分析解析這些新鑒定到的生物鐘調(diào)節(jié)因子的分子功能.

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（責(zé)任編輯：顧浩然）