玉米自交系籽粒響應(yīng)高溫脅迫的轉(zhuǎn)錄組分析

湯 彬,耿存娟,曾 強(qiáng),郭歡樂(lè),李 涵,曹鐘洋,鄧力超,彭 明,周 虹,陳志輝

(1.湖南省作物研究所,湖南 長(zhǎng)沙 410125;2.湖南智行三湘農(nóng)林科技有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410205)

在全球變暖的大背景下,氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定性加劇,全球氣候變化引起的高溫?zé)岷σ呀?jīng)逐漸成為限制玉米生產(chǎn)的主要非生物脅迫因子[1]。解析玉米耐高溫的分子機(jī)理,提高玉米品種的耐高溫能力,兼具重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。玉米生長(zhǎng)發(fā)育適宜的日平均溫度為28～32 ℃,當(dāng)溫度超過(guò)32 ℃會(huì)顯著影響玉米正常的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程,產(chǎn)生光合作用受阻、蒸騰速率增加、花粉失活、籽粒灌漿期縮短等不利因素,最終造成減產(chǎn)甚至絕收[1]。

玉米是湖南省第一大旱糧作物,常年種植面積保持在40萬(wàn)hm2左右。湖南省屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,每年7—8月為此地區(qū)常年高溫時(shí)期,正好也是春玉米籽粒灌漿和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期。在氣候變化影響下,高溫顯著降低了湖南春玉米的光溫生產(chǎn)潛力[5]。因此,提高玉米籽粒形成期的耐高溫能力是選育適應(yīng)本地區(qū)氣候特點(diǎn)的耐高溫玉米新品種的重要育種目標(biāo)。

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序是研究植物轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分子生物學(xué)技術(shù),可以快速、有效地鑒定植物響應(yīng)高溫脅迫相關(guān)的基因及其代謝通路[6-7]。盡管轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序技術(shù)(RNA-Seq)已經(jīng)鑒定了大量玉米響應(yīng)高溫脅迫相關(guān)的差異表達(dá)基因,但是已有研究的取樣部位主要是玉米葉片[8]和花藥[9],對(duì)籽粒響應(yīng)高溫脅迫的研究相對(duì)較少,且多數(shù)研究都只涉及單一玉米自交系[10]或雜交種[11],缺乏對(duì)不同耐高溫自交系基因型差異的比較分析,無(wú)法揭示不同耐高溫優(yōu)良等位基因的功能差異。

表型鑒定和多組學(xué)方法(轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組)聯(lián)合分析表明,糯玉米籽粒發(fā)育早期(授粉后1～15 d)的高溫脅迫會(huì)影響整個(gè)籽粒發(fā)育時(shí)期,籽粒中生長(zhǎng)素、脫落酸和水楊酸信號(hào)通路相關(guān)基因和蛋白質(zhì)的差異表達(dá)可能參與調(diào)控高溫脅迫下籽粒代謝過(guò)程[12]。鑒于此,本研究在前期耐高溫自交系篩選的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)耐高溫自交系XN202和敏感自交系CT110授粉后1～15 d的籽粒進(jìn)行高溫脅迫處理,研究不同耐高溫玉米自交系籽粒響應(yīng)高溫脅迫的基因表達(dá)差異,在基因水平解析不同玉米種質(zhì)響應(yīng)高溫脅迫的分子機(jī)制,并將DEGs與已報(bào)道的玉米耐高溫相關(guān)性狀QTL/SNP定位結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合分析,以期進(jìn)一步挖掘玉米籽粒響應(yīng)高溫脅迫的關(guān)鍵基因,為后續(xù)耐高溫玉米新品種培育提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料耐高溫自交系XN202和敏感自交系CT110分別來(lái)源于湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所和國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系。

1.2 高溫脅迫處理

盆栽試驗(yàn)于2021年4—7月在湖南省作物研究所進(jìn)行。收集田間土壤置于盆缽(高38 cm、直徑43 cm),每盆施12 g復(fù)合肥(N-P2O5-K2O為15%-15%-15%)作為基肥,并在每個(gè)盆缽中種植3粒種子,出苗后定苗至1株,拔節(jié)期每盆追施6 g尿素(N 46%),定期澆水使土壤含水量保持在70%左右。所有植株在室外自然條件下生長(zhǎng)至開(kāi)花期,吐絲后3 d進(jìn)行人工授粉,授粉后1 d選擇生長(zhǎng)一致的植株移入溫室大棚進(jìn)行高溫處理。以室外自然溫度正常生長(zhǎng)的植株為對(duì)照,每個(gè)處理9盆。高溫處理后15 d,選3株玉米果穗中部籽?；旌献鳛?個(gè)生物學(xué)重復(fù),包含3個(gè)生物學(xué)重復(fù),于液氮中速凍后將樣品保存在-80 ℃的超低溫冰箱。高溫處理下,耐高溫的自交系分別命名為THT1、THT2、THT3;不耐高溫的自交系分別命名為SHT1、SHT2、SHT3。室外自然溫度正常生長(zhǎng)條件下,耐高溫的自交系分別命名為TCK1、TCK2、TCK3;不耐高溫的自交系分別命名為SCK1、SCK2、SCK3。由北京百邁客生物科技有限公司開(kāi)展籽粒RNA樣品的提取和質(zhì)量檢測(cè),構(gòu)建測(cè)序文庫(kù)并進(jìn)行質(zhì)量控制,最后完成所有樣品的高通量測(cè)序。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用百邁客云平臺(tái)BMKCloud(www.biocloud.net) 提供的生物信息學(xué)分析流程進(jìn)行分析。將測(cè)序數(shù)據(jù)與參考玉米基因組數(shù)據(jù)庫(kù)(B73_RefGen_v3版本)進(jìn)行比對(duì),采用FPKM(Fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped)值進(jìn)行歸一化后作為衡量基因表達(dá)水平的指標(biāo)。差異表達(dá)基因通過(guò)DESeq2_edgeR軟件進(jìn)行篩選與檢測(cè),篩選標(biāo)準(zhǔn)為2組(正常對(duì)照和高溫脅迫處理)樣品間基因表達(dá)量的差異倍數(shù)(Fold change)≥2 同時(shí)錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(False discovery rate,FDR)<0.01。最后,提取各差異表達(dá)基因集的注釋信息,使用GOseq R和 KOBAS軟件包進(jìn)行差異表達(dá)基因集的GO節(jié)點(diǎn)或KEGG通路富集分析(FDR<0.05)。柱形圖的繪制使用GraphPad Prism v.8.0.0軟件(San Diego,CA,USA)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對(duì)玉米自交系的影響

采用分期播種的方法對(duì)511份玉米自交系進(jìn)行開(kāi)花期耐高溫綜合評(píng)價(jià)。以單穗總質(zhì)量、單穗籽粒質(zhì)量和單穗粒數(shù)3個(gè)性狀耐高溫系數(shù)(耐高溫系數(shù)=高溫性狀值/對(duì)照測(cè)定值)的平均值,作為耐高溫綜合系數(shù),將玉米自交系的耐高溫特性分為5個(gè)等級(jí)(極強(qiáng):耐高溫系數(shù)≥0.8;較強(qiáng):0.8>耐高溫系數(shù)≥0.6;中等:0.6>耐高溫系數(shù)≥0.4;較弱:0.4>耐高溫系數(shù)≥0.2;極弱:耐高溫系數(shù)<0.2),篩選出耐高溫自交系XN202和敏感自交系CT110(圖1)。

圖1 玉米自交系耐高溫田間鑒定

2.2 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序質(zhì)控分析

分別提取XN202和CT110授粉后15 d的籽粒RNA用Illumina平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,將正常條件和高溫脅迫下耐高溫自交系的樣品分別命名為TCK-1-2-3和THT-1-2-3,不耐高溫自交系的樣品分別命名為SCK-1-2-3和SHT-1-2-3。12個(gè)樣品(2個(gè)品種、2個(gè)處理、3次生物學(xué)重復(fù))共獲得83 061 999 806過(guò)濾堿基數(shù)(Clean bases),各樣品過(guò)濾堿基數(shù)(Clean bases)均達(dá)到5 917 021 526,Q30堿基百分比在92.59%及以上,GC含量約為53%,經(jīng)過(guò)質(zhì)量剪切統(tǒng)計(jì)后獲得各樣品的過(guò)濾序列(Clean reads)與指定的參考基因組進(jìn)行序列比對(duì),唯一配對(duì)序列從74.40%到81.59%不等(表1),表明本研究籽粒轉(zhuǎn)錄測(cè)序的質(zhì)量較好,參考基因組選擇合理,可以進(jìn)行后續(xù)分析。

表1 測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3 不同耐高溫玉米自交系籽?；虮磉_(dá)差異

為研究正常對(duì)照和高溫脅迫下不同耐高溫玉米自交系籽?；虮磉_(dá)變化,使用DESeq2_edgeR軟件鑒定差異表達(dá)基因(Differentially expressed gene,DEG)。SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3對(duì)比組共篩選出1 012個(gè)表達(dá)變化水平大于2倍的DEGs,其中上調(diào)DEGs共有386個(gè),下調(diào)DEGs共有626個(gè);TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組共篩選出1 517個(gè)表達(dá)變化水平大于2倍的DEGs,其中上調(diào)DEGs共有801個(gè),下調(diào)DEGs共有716個(gè);TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3對(duì)比組與SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3對(duì)比組共檢測(cè)到142個(gè)共同的DEGs,其中上調(diào)DEGs共有74個(gè),下調(diào)DEGs共有44個(gè),表達(dá)模式相反的DEGs共有24個(gè)(表2)。結(jié)果表明,耐高溫自交系響應(yīng)高溫脅迫的基因數(shù)量更多,且有更多的DEGs表現(xiàn)為上調(diào)表達(dá)。上調(diào)和下調(diào)DEGs數(shù)目的差異說(shuō)明不同耐高溫玉米自交系籽粒響應(yīng)高溫脅迫的基因存在較大差異,可能涉及一系列基因參與的生理生化過(guò)程。

2.4 差異表達(dá)基因的GO富集分析

參考生物學(xué)過(guò)程、細(xì)胞組分和分子功能3個(gè)大類的基因GO功能注釋,對(duì)高溫脅迫下玉米籽粒的DEGs 進(jìn)行GO富集分析,XN202和CT110分別得到353,341個(gè)DEGs被顯著富集。在富集顯著的前 20個(gè)GO功能注釋分類中,SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組和TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組中的DEGs分別富集在11,6個(gè)生物學(xué)過(guò)程,3,9個(gè)細(xì)胞組分,6,5個(gè)分子功能(圖2)。

A.CT110;B.XN202。

富集在生物學(xué)過(guò)程的亞類中,SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在蛋白質(zhì)折疊(GO:0006457)、熱激反應(yīng)(GO:0009408),分別有39,29個(gè)基因功能得到注釋;TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在翻譯(GO:0006412),共有67個(gè)基因功能得到注釋;DNA復(fù)制起始(GO:0006270)是二者共有的顯著富集代謝通路,說(shuō)明在玉米籽粒響應(yīng)高溫脅迫的生物學(xué)過(guò)程中DNA復(fù)制起始發(fā)揮重要作用。

富集在細(xì)胞組分的亞類中,SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在核小體(GO:0000786),共有28個(gè)基因功能得到注釋;TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在核糖體(GO:0005840)和細(xì)胞質(zhì)核糖體大亞基(GO:0022625),分別有37,35個(gè)基因功能得到注釋;二者共有3個(gè)顯著富集代謝通路,分別為核小體(GO:0000786)、微小染色體維持復(fù)合物(GO:0042555)、DNA引物酶-多聚酶α復(fù)合體(GO:0005658)。

富集在分子功能的亞類中,SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在未折疊蛋白結(jié)合(GO:0051082)、蛋白質(zhì)異二聚活性(GO:0046982),分別有42,28個(gè)基因功能得到注釋;TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在核糖體的結(jié)構(gòu)組成(GO:0003735),共有85個(gè)基因功能得到注釋;營(yíng)養(yǎng)庫(kù)活性(GO:0045735)是二者共有的顯著富集代謝通路。

2.5 差異表達(dá)基因的KEGG富集分析

為進(jìn)一步解析玉米自交系籽粒響應(yīng)高溫脅迫的代謝調(diào)控通路,分析DEGs可能參與的生物學(xué)功能,分別對(duì)不同耐高溫自交系響應(yīng)高溫脅迫的DEGs進(jìn)行KEGG代謝通路富集分析,XN202和CT110分別得到176,138個(gè)DEGs 被顯著富集(表3)。

表3 差異表達(dá)基因的KEGG注釋

SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工(ko04141)、DNA復(fù)制(ko03030)、同源重組(ko03440)、錯(cuò)配修復(fù)(ko03430)、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝(ko00250)、嘌呤代謝(ko00230)、谷胱甘肽代謝(ko00480)等途徑。有52個(gè)DEGs富集到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工是KEGG富集分析最顯著的通路。

TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組的DEGs主要集中在核糖體(ko03010)、DNA復(fù)制(ko03030)、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝(ko00250)、精氨酸生物合成(ko00220)、乙醛酸和二羧酸代謝(ko00630)、真核生物核糖體的生物合成(ko03008)等途徑。有89個(gè)DEGs富集到核糖體是KEGG富集分析最顯著的通路。

二者共有2個(gè)顯著富集代謝途徑,分別為DNA復(fù)制和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝。

2.6 差異表達(dá)基因的COG功能注釋分析

對(duì)不同耐高溫玉米自交系籽粒響應(yīng)高溫脅迫的DEGs進(jìn)行COG同源分類,XN202和CT110分別得到540,365個(gè)DEGs有COG功能注釋信息,分別屬于24,21個(gè)功能類別(圖3),其中XN202的DEGs主要分布于翻譯,核糖體結(jié)構(gòu)和生物起源(98個(gè)DEGs)、翻譯后修飾,蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)(57個(gè)DEGs)、一般功能預(yù)測(cè)(46個(gè)DEGs)、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝(44個(gè)DEGs)、碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝(41個(gè)DEGs)、信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制(34個(gè)DEGs)、次生代謝產(chǎn)物的合成,轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝(31個(gè)DEGs)、復(fù)制,重組和修復(fù)(30個(gè)DEGs)、防御機(jī)制(26個(gè)DEGs)、細(xì)胞壁/細(xì)胞膜/包膜的生物發(fā)生(24個(gè)DEGs)10個(gè)主要分類(富集DEGs個(gè)數(shù)≥20個(gè));CT110的DEGs主要分布于翻譯后修飾,蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)(81個(gè)DEGs)、碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝(37個(gè)DEGs)、信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制(33個(gè)DEGs)、復(fù)制,重組和修復(fù)(29個(gè)DEGs)、一般功能預(yù)測(cè)(26個(gè)DEGs)、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝(20個(gè)DEGs)6個(gè)主要分類(富集DEGs個(gè)數(shù)≥20個(gè))。COG注釋結(jié)果在宏觀上解析了不同耐高溫玉米自交系籽粒響應(yīng)高溫脅迫相關(guān)基因的功能分布特征。

圖3 COG功能分類

2.7 玉米自交系籽粒響應(yīng)高溫脅迫的轉(zhuǎn)錄因子分析

在鑒定的2 387個(gè)DEGs中,共有49個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族的125個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,主要有AP2/ERF(12個(gè))、AUX/IAA(3個(gè))、bHLH(7個(gè))、bZIP(5個(gè))、C2H2(5個(gè))、GARP-G2-like(5個(gè))、HMG(4個(gè))、HSF(6個(gè))、MADS(5個(gè))、MYB(9個(gè))、NAC(9個(gè))、WRKY(3個(gè))等參與植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)相關(guān)的重要轉(zhuǎn)錄因子。

TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組與SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組檢測(cè)到142個(gè)共同的DEGs中有7個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,其中共同上調(diào)的轉(zhuǎn)錄因子5個(gè)(GRMZM2G030768、GRMZM2G033828、GRMZM2G062657、GRMZM2G125648、GRMZM2G395749),共同下調(diào)的轉(zhuǎn)錄因子2個(gè)(GRMZM2G011110和GRMZM2G042756均為AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子),這些基因可能在玉米籽粒響應(yīng)高溫脅迫過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

2.8 差異表達(dá)基因與耐高溫QTL區(qū)間的聯(lián)合分析

將DEGs與已報(bào)道的玉米耐高溫相關(guān)性狀QTL定位和全基因組關(guān)聯(lián)分析定位結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合分析,共有374個(gè)DEGs與已有研究報(bào)道的QTL區(qū)間共定位,其中第1染色體上有31個(gè),第2染色體上有117個(gè),第3染色體上有32個(gè),第4染色體上有11個(gè),第5染色體上有60個(gè),第6染色體上有8個(gè),第7染色體上有2個(gè),第8染色體上有11個(gè),第9染色體上有73個(gè),第10染色體上有29個(gè)。

位于玉米耐高溫相關(guān)性狀QTL的374個(gè)DEGs中,有42個(gè)為已報(bào)道的耐高溫相關(guān)候選基因(表4)。谷胱甘肽S移換酶和RWP-RK轉(zhuǎn)錄因子在SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組和TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3 對(duì)比組都上調(diào)表達(dá),而水通道蛋白和RLK-Pelle_DLSV蛋白激酶在SCK-1-2-3 vs SHT-1-2-3 對(duì)比組和TCK-1-2-3 vs THT-1-2-3對(duì)比組都下調(diào)表達(dá)。值得注意的是HSP70、HSP20和HSP101家族基因都在高溫敏感自交系CT110中顯著下調(diào)表達(dá),但是在耐高溫自交系XN202中差異不顯著,可能是2個(gè)自交系耐高溫能力差異形成的關(guān)鍵基因。

表4 玉米耐高溫QTL區(qū)間內(nèi)的候選基因

3 結(jié)論與討論

由于玉米耐熱性是一種受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,更容易受到基因型-環(huán)境互作的影響,傳統(tǒng)的農(nóng)藝栽培技術(shù)對(duì)緩解高溫脅迫的作用較小,因此,提高玉米的耐高溫能力是應(yīng)對(duì)全球氣候變化最經(jīng)濟(jì)有效的方法。玉米對(duì)高溫脅迫的響應(yīng),主要涉及信號(hào)感知、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理生化、基因表達(dá)和調(diào)控等過(guò)程[10]。本研究通過(guò)對(duì)授粉后15 d的玉米籽粒轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序數(shù)據(jù)分析,在2個(gè)耐高溫能力不同的玉米自交系中獲得大量的DEGs,這些基因的表達(dá)和調(diào)控涉及高溫脅迫下生理生化過(guò)程和代謝途徑的變化,說(shuō)明玉米耐熱性與基因的差異表達(dá)有關(guān)。耐高溫自交系XN202中的DEGs明顯多于高溫敏感自交系CT110,且XN202的DEGs中上調(diào)基因比下調(diào)基因多,而CT110的DEGs中下調(diào)基因比上調(diào)基因多,這些上調(diào)和下調(diào)DEGs數(shù)目的差異可能影響玉米籽粒發(fā)育時(shí)期的耐熱性。XN202和CT110基因組中共有響應(yīng)高溫脅迫的DEGs只有142個(gè),可見(jiàn)不同基因型的玉米對(duì)高溫脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制存在明顯差異[15]。

通過(guò)對(duì)DEGs的GO功能注釋分析,XN202和CT110分別得到353,341個(gè)DEGs被顯著富集,其中生物學(xué)過(guò)程(DNA復(fù)制起始)、細(xì)胞組分(核小體、微小染色體維持復(fù)合物、DNA引物酶-多聚酶α復(fù)合體)、分子功能(營(yíng)養(yǎng)庫(kù)活性)共同參與響應(yīng)高溫脅迫,增強(qiáng)了玉米籽粒對(duì)熱脅迫的響應(yīng)。這表明高溫脅迫主要影響玉米的生物學(xué)過(guò)程和分子功能[8]。XN202有85個(gè)DEGs顯著富集在核糖體的結(jié)構(gòu)組成(分子功能),67個(gè)DEGs顯著富集在翻譯(生物學(xué)過(guò)程),說(shuō)明這些通路在玉米籽粒遭受高溫脅迫時(shí)可能發(fā)揮重要作用。谷氧還蛋白是維持活性氧平衡的重要組分,在玉米中異源表達(dá)擬南芥谷氧還蛋白家族基因AtGRXS17顯著影響核糖體RNA生物合成,可以提高玉米的耐熱性[16]。CT110有42個(gè)DEGs顯著富集在未折疊蛋白結(jié)合(分子功能),39個(gè)DEGs顯著富集在蛋白質(zhì)折疊(生物學(xué)過(guò)程)。未折疊蛋白反應(yīng)是一種與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng),有助于減輕熱脅迫對(duì)細(xì)胞造成的損害[17]。通過(guò)對(duì)DEGs的全基因組及代謝途徑數(shù)據(jù)庫(kù)(KEGG)信號(hào)通路富集分析,XN202和CT110分別得到176,138個(gè)DEGs被顯著富集,只有DNA復(fù)制,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝等共同參與響應(yīng)高溫脅迫的應(yīng)答過(guò)程。XN202有89個(gè)DEGs顯著富集在核糖體路徑,CT110有52個(gè)DEGs顯著富集在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工路徑,進(jìn)一步說(shuō)明核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工代謝路徑可能是2個(gè)自交系耐高溫能力差異形成的重要原因。將DEGs與COG數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì),XN202和CT110分別得到540,365個(gè)DEGs有COG功能注釋信息,其中XN202有98個(gè)DEGs與翻譯、核糖體結(jié)構(gòu)和生物起源有關(guān),CT110有81個(gè)DEGs與翻譯后修飾、蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān),XN202和CT110分別有34,33個(gè)DEGs與信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制有關(guān),這些功能基因可能與玉米耐熱性有關(guān),值得進(jìn)一步研究。

轉(zhuǎn)錄因子可以通過(guò)調(diào)控下游多個(gè)靶基因的表達(dá),參與植物熱激響應(yīng)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),是響應(yīng)高溫脅迫的關(guān)鍵基因和重要分子開(kāi)關(guān)[18-19]。本研究中DEGs共有49個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族的125個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,其中AP2/ERF、MYB、bHLH、NAC、HSF等家族轉(zhuǎn)錄因子都直接或間接參與高溫脅迫響應(yīng)[10]。為了減輕高溫脅迫對(duì)細(xì)胞的損害,植物需要HSF來(lái)快速轉(zhuǎn)錄激活熱激蛋白(HSP),與耐高溫能力密切相關(guān)[20]。HSP作為一種重要的分子伴侶,可以參與修復(fù)受損的蛋白質(zhì),減少蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊和聚集[17]。位于玉米耐高溫相關(guān)性狀QTL的374個(gè)DEGs中,有42個(gè)為已報(bào)道的耐高溫相關(guān)候選基因,其中15個(gè)基因的功能未知,共有7個(gè)HSP。HSP70、HSP20和HSP101家族基因都在高溫敏感自交系CT110中均顯著下調(diào)表達(dá),但是在耐高溫自交系XN202中差異不顯著,說(shuō)明在高溫脅迫條件下HSPs的積累量可能與耐熱性正相關(guān)。

本研究選擇以授粉后15 d的玉米籽粒為試驗(yàn)材料,基于轉(zhuǎn)錄組高通量測(cè)序技術(shù),發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下玉米籽粒會(huì)形成復(fù)雜的細(xì)胞保護(hù)和防御系統(tǒng),不同耐高溫自交系的籽粒對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)存在明顯差異,AP2/ERF、MYB、bHLH、NAC、HSF、HSP等耐高溫相關(guān)的DEGs可能在分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。研究結(jié)果為進(jìn)一步解析玉米耐高溫的分子遺傳機(jī)制,克隆玉米耐高溫關(guān)鍵基因,開(kāi)發(fā)分子標(biāo)記,篩選或培育耐高溫玉米新品種奠定了很好的理論基礎(chǔ)。