整合转录组和生理学分析，阐明荞麦与氧化石墨烯的分子反应

《Journal of Hazardous Materials》

影响因子：10.588

派森诺与成都大学携手合作，在国际著名杂志《Journal of Hazardous Materials》发表了荞麦对于氧化石墨烯反应的研究成果。

技术路线

研究背景

荞麦是一种重要的杂粮经济作物，因其营养价值高、保健功能强，是健康食品生产的优质原料，广受人们喜爱，市场潜力巨大。然而，近十年来我国荞麦产量一直低而不稳，产量难以突破，严重制约荞麦产业发展。论文围绕荞麦产量关键制约因素，探索新兴纳米生物技术在荞麦生产中的创新应用，为荞麦及至其它农作物产量提升和高效生产提供理论依据。

研究材料与方法

1、实验材料

本研究使用的是川荞1号品种，通过不同浓度的GO溶液处理，培养幼苗进行分析。

2、测序平台

Illumina NovaSeq

3、分析内容

电镜和拉曼分析，生化分析，转录组分析，qRT-PCR实验等。

研究结果

1.GO溶液对荞麦幼苗生长的影响

不同浓度GO溶液处理下的幼苗，如图1A所示，在高浓度GO处理下，幼苗生长受到明显的抑制，且全苗、根和芽的重量和长度都受到抑制（图1B-G）。这些数据表明，GO对荞麦的生长有一定的抑制作用。

图1.GO对荞麦幼苗生长的影响

2.通过转录组分析确定GO胁迫的DEGs

为了进一步了解GO对荞麦幼苗生长的调控分子机制，通过转录组分析，确定了GO胁迫下的DEGs，其中895个基因在根中差异表达，1042个基因在茎中差异表达，102个基因在根和茎中均差异表达（图2D-E），通过维恩图分析比较了CK和LG/HG之间的DEGs，确定了2039个DEGs且表达模式多样（图2C）。对所有DEGs以及对根和茎中DEGs进行基因富集分析（图3A-C），表明根和茎可能表现出对GO胁迫的不同反应。

图2. GO响应基因的鉴定

图3.GO响应基因的基因本体富集分析

3.表观遗传调控和细胞周期相关基因的表达分析

本研究中，发现有31个编码组蛋白的基因受到GO胁迫调控。其中包括1个组蛋白H1基因，9个组蛋白H2A基因，4个组蛋白H2B基因，5个组蛋白H3基因，以及12个组蛋白H4基因，这些基因表达在茎中被100mg/L GO胁迫上调，但对更高浓度GO处理的反应很不明显，在根中表达不显著（图4A）。从2039个DEGs中鉴定出编码细胞周期相关蛋白的19个DEGs，这些基因都显示在GO胁迫下表达上调了（4B-E）。

图4.参与细胞周期和表观遗传调控的基因表达分析

4. 确定参与ROS解毒的DEGs

本研究从2039个DEGs中鉴定出36个参与ROS解毒的DEGs，包括22个PER、8个GST、3个LEA、2个GRX和1个ASO编码基因，这些基因在GO处理下显示出不同的基因表达模式（图5）。在GST基因中，大多数对根中的GO胁迫有反应，GO胁迫还抑制LEA基因的表达，此外，FtASOL和FtGRXC9基因在根和茎中均表现出反向表达模式。

图5.参与ROS解毒的基因表达分析

5. GO胁迫下植物激素生物合成及信号通路相关基因的表达分析

研究者分析了参与植物激素生物合成和信号传导的DEGs，包括生长素、脱落酸（ABA）、乙烯（ETH）、茉莉酸（JA）、赤霉素（GA）和细胞分裂素（CTK），共发现40个参与激素生物合成和信号通路的GO响应DEGs，大多数ABA、ETH、JA、GA和CTK生物合成和信号相关的DEGs的表达在GO胁迫下被下调（图6），这表明GO可能抑制这些激素的产生和功能。

图6.植物激素生物合成及信号通路相关基因的表达分析

6. 荞麦中GO反应性SSPs的鉴定

研究者鉴定出97个SSPs编码基因，其中42个为已知SSPs，且有不同的表达模式（图7）。研究还分析了RLKs和SSPs编码基因表达的相关性，除FtLECRK41-2、FtSOBIR1和FtCRK10之外的所有RLK基因都与一个或多个SSP基因的表达高度相关（图8），这表明SSP基因可能通过与RLKs合作来调节GO反应。

图7.GO反应性SSPs基因的表达

图8. SSP和RLK之间的相关性

研究结论

本文综合分析了荞麦在GO胁迫下形态、生理和转录组学的变化，共鉴定了2039个DEGs，其中有36个基因参与ROS解毒，表明GO可能通过调节ROS解毒来影响植物生长。根和茎对GO胁迫有不同的转录组学反应，在茎中发现了参与细胞周期和表观遗传调控的DEGs，还有40个参与植物激素生物合成的基因受到GO的显著调控。此外，发现了97个SSPs编码基因参与GO反应，并提出了由TFs-SSPs-RLKs介导的反应网络。本研究为探索GO与植物之间的相互作用提供了有用的信息。