真核有参转录组测序

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经典案例

水稻根系响应氧化石墨烯纳米片的应激反应与恢复模式

Systemic Stress and Recovery Patterns of Rice Roots in Response to Graphene Oxide Nanosheets

期刊:Environmental Science & Technology
影响因子:5.393
发表单位:南开大学
发表时间:2017年2月

一、研究背景

氧化石墨烯(GO)是一种 2D 工程材料,已经被广泛应用于各个领域,包括生物学、医学、化学、环境保护。大部分纳米材料在使用过程中被释放到环境中,因此,纳米材料潜在的环境风 险已引起越来越多的关注。研究表明,0.1−10 mg/L 的 GO 可诱导绿色藻类细胞结构损伤、氧化作用和代谢紊乱;5−500 mg/L 的 GO 将抑制水稻生长。目前,大多数研究都仅限于对 纳米颗粒的生物应激反应,而应激恢复相关的信息在很大程度上是未知的。

二、方法流程

取材

萌发 4 天后的水稻幼苗,对照组:新鲜水 稻培养基培养;处理组:GO 浓度为 1.0 mg/L 的水稻培养基培养,7天后取根系 样。处理后恢复组:GO 处理 7 天后,在 新鲜水稻培养基中恢复 7 天后取根系样, 各三个生物学重复。

建库

构建普通转录组文库

测序

Illumina HiSeq 平台,150 bp 双端测序

分析

差异表达分析,主成分分析, KEGG 富集分析,蛋白互作网络分析

三、研究结果

1. 水稻根系的应激与恢复模式

KEGG 富集分析表明,S1 组下调表达的基因主要富集在苯丙氨酸代谢 和苯丙素的生物合成途径等代谢通路中。S2 组上调基因参与到次生代 谢和二萜类化合物的生物合成途径中。该结果表明,处理后的恢复过 程增强了水稻抗性(图1b)。蛋白互作网络分析表明,GO 处理组中下调 表达的基因与苯丙氨酸、次生代谢相关;上调表达基因与次生代谢相关 (图1d)。因此,GO 处理可促进次生代谢。苯丙氨酸代谢、次生代谢途 径的改变,过氧化物酶相关的差异表达基因,均参与了水稻根系响应 GO 的应激反应与恢复机制。

2. GO降低根系的吸收能力

TIP1−2 等水通道蛋白相关基因在 S1 组中下调表达,在 S2 组中恢复到对照组水平,这一结果与 GO 降低水稻根 系水吸收能力的结果一致。蛋白互作分析表明,硼转运 蛋白、海藻糖-6-磷酸合成酶基因的下调表达,与水通道 蛋白相关基因下调表达相关。

3. 根系吸收 GO 引起的氧化胁迫

生理实验表明,S1 组水稻侧根生长受到抑制,S2 组 水稻根系数量恢复到正常水平。同时,编码侧根蛋白 1 的 基因(OS06G0712600)下调表达,抑制侧根生长 的色氨酸合成酶β链编码基因上调表达,萌发素类蛋 白编码 (GER6)等促进主根生长的基因上调表达。

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四、研究结论

本研究结果表明GO影响了水稻表达谱,进而影响了氧化胁迫、根系发育、细胞壁合成、激素代谢过程。水稻根系对GO处理的响应和适应过程是通过苯丙氨酸代谢、次级代谢、激素代 谢、过氧化物酶活性调节等因素共同实现的。本实验研究了纳米材料对植物生长发育的影响,揭示了植物对纳米材料适应性的分子机制,对纳米材料的安全性评估具有重大意义。

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