甘蔗叶片响应褐锈病菌(Puccinia melanocephala)侵染的转录组分析

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2020-0622

中国农学通报 ›› 2021, Vol. 37 ›› Issue (24): 102-109.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2020-0622

甘蔗叶片响应褐锈病菌(Puccinia melanocephala)侵染的转录组分析

高小宁(), 吴自林, 黄咏虹, 刘睿, 齐永文()

广东省科学院生物工程研究所/广东省甘蔗遗传改良工程技术中心,广州 510316

收稿日期:2020-11-05 修回日期:2021-03-17 出版日期:2021-08-25 发布日期:2021-08-27
通讯作者: 齐永文
作者简介:高小宁,女,1978年出生,陕西岐山人,副教授,博士,研究方向：植物病害及其综合治理。通信地址：510316 广东广州海珠区生物工程大厦1906室广东省科学院生物工程研究所生物育种研究室,Tel：020-34397561,E-mail： gxn336@126.com。
基金资助:
广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目“甘蔗与褐锈菌互作的细胞学和转录组学分析及抗病相关基因挖掘”(2019GDASYL-0103029);广东省自然科学基金面上项目“自噬相关基因SsATG18a参与甘蔗与褐锈病互作的分子机理研究”(2021A1515011321);广东省甘蔗剑麻产业技术体系创新团队“甘蔗抗性育种岗位”(2019KJ104-05);国家糖料产业技术体系“甘蔗高糖聚合品种改良岗位”(CARS201707)

Response of Sugarcane Leaves to the Infection of Puccinia melanocephala: Transcriptomic Analysis

Gao Xiaoning(), Wu Zilin, Huang Yonghong, Liu Rui, Qi Yongwen()

Institute of Bioengineering, Guangdong Academy of Sciences, Guangdong Sugarcane Genetic Improvement Engineering Center, Guangzhou 510316

Received:2020-11-05 Revised:2021-03-17 Online:2021-08-25 Published:2021-08-27
Contact: Qi Yongwen

摘要/Abstract

摘要：

旨在从转录水平分析甘蔗叶片响应褐锈病菌侵染的基因表达特征,为进一步研究甘蔗抗褐锈病的分子机理提供基础资料。本研究采用高通量测序技术Illumina Hiseq 2500对健康以及被褐锈病菌侵染的甘蔗叶片进行转录组测序,利用生物信息学方法对差异表达基因进行功能注释和分析,利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)对5个差异基因的相对表达量进行了验证。转录组数据分析共鉴定出差异表达基因4716个,其中上调表达2979个,下调表达1737个。GO注释结果显示,差异表达基因主要聚集在细胞过程、生物过程、催化活性等生理生化过程。KEGG富集分析发现,1919个差异表达基因被注释到114个通路中,其中苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成、谷胱甘肽代谢等植物抵御生物胁迫有关的代谢途径的相关基因显著上调表达。qRT-PCR验证5个上调表达基因结果与转录组测序结果的表达趋势一致。

关键词: 甘蔗, 褐锈菌, 亲和互作, 高通量测序, 转录组, 差异表达基因

Abstract:

The aim is to analyze the gene expression patterns of sugarcane leaves in response to the infection of P. melanocephala, and to provide data for further research on the molecular mechanism of sugarcane resistance to brown rust. The healthy and infected sugarcane leaves by P. melanocephala were sequenced at transcriptomic level using high-throughput sequencing platform, Illumina Hiseq 2500. The functional annotation and analysis for the differentially expressed genes (DEGs) was carried out with bioinformatics methods. The relative expression levels of five DEGs were further verified by real-time fluorescence quantitative PCR (qRT-PCR). The transcriptome data showed that 4716 DEGs were obtained, including 2979 up-regulated and 1737 down-regulated DEGs. GO annotation results showed that DEGs mainly gathered in the physiological and biochemical processes of cell process, biological process, and catalytic activity, etc. KEGG enrichment analysis revealed that 1919 DEGs were annotated into 114 pathways. The relative genes in the metabolic pathways related to plants’ resistance to biotic stress were significantly up-regulated, and these metabolic pathways included phenylpropane biosynthesis, flavonoids biosynthesis, and glutathione metabolism and so on. In addition, the qRT-PCR results confirmed that the expression profiles of five up-regulated genes were consistent with that of transcriptome sequencing.

Key words: sugarcane, Puccinia melanocephala, compatible interaction, high-throughput sequencing, transcriptomics, differential expression genes

中图分类号:

S432.4

高小宁, 吴自林, 黄咏虹, 刘睿, 齐永文. 甘蔗叶片响应褐锈病菌(Puccinia melanocephala)侵染的转录组分析[J]. 中国农学通报, 2021, 37(24): 102-109.

Gao Xiaoning, Wu Zilin, Huang Yonghong, Liu Rui, Qi Yongwen. Response of Sugarcane Leaves to the Infection of Puccinia melanocephala: Transcriptomic Analysis[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2021, 37(24): 102-109.

图/表 7

参考文献 30

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基因	正向引物(5’-3’)	反向引物 (5’-3’)
PR1	GACTGCCAGCTGGTTCACTC	AACTGCTTCTCGGACACCCA
PR10	GTTGGCAGCATCAGGCAGTT	TGTCCAGGTCCAGGAAATCG
CDPK	ATCTGCGTGGGTTAGTTCAC	ATCTGACTCAGGACCAGACC
NPR1	GCTTCTTAACTTTGTAGACAAG	CTAGCAATCCTTTGAATACATTTG
CTR1	GAGGATACTCAATCTGGACTAA	TGCTCCATTAGAATCTTACTG
GAPDH	CACGGCCACTGGAAGCA	TCCTCAGGGTTCCTGATGCC

基因	正向引物(5’-3’)	反向引物 (5’-3’)
PR1	GACTGCCAGCTGGTTCACTC	AACTGCTTCTCGGACACCCA
PR10	GTTGGCAGCATCAGGCAGTT	TGTCCAGGTCCAGGAAATCG
CDPK	ATCTGCGTGGGTTAGTTCAC	ATCTGACTCAGGACCAGACC
NPR1	GCTTCTTAACTTTGTAGACAAG	CTAGCAATCCTTTGAATACATTTG
CTR1	GAGGATACTCAATCTGGACTAA	TGCTCCATTAGAATCTTACTG
GAPDH	CACGGCCACTGGAAGCA	TCCTCAGGGTTCCTGATGCC

GO ID	GO 条目	功能分类	上调差异表达基因数目	注释的基因数目	KS值
0005524	ATP binding ATP结合	分子功能	474	10796	1.80E-26
0004364	glutathione transferase activity谷胱甘肽转移酶活性	分子功能	71	465	2.10E-17
0006749	glutathione metabolic process谷胱甘肽代谢过程	生物过程	80	496	1.20E-16
0004386	helicase activity解旋酶活性	分子功能	9	862	2.80E-12
0009407	toxin catabolic process毒素分解过程	生物过程	57	190	3.80E-12
0005737	cytoplasm细胞质	细胞组分	919	34128	6.00E-12
0030244	cellulose biosynthetic process纤维素生物合成过程	生物过程	9	193	1.70E-11
0004854	xanthine dehydrogenase activity黄嘌呤脱氢酶活性	分子功能	13	43	4.90E-11
0009115	xanthine catabolic process黄嘌呤分解过程	生物过程	13	43	5.70E-11
0004459	L-lactate dehydrogenase activity L-乳酸脱氢酶活性	分子功能	16	20	8.50E-11
0016760	cellulose synthase (UDP-forming) activity纤维素合成酶活性	分子功能	9	174	3.20E-10
0004803	transposase activity转座酶活性	分子功能	1	35	8.00E-10
0016210	naringenin-chalcone synthase activity查耳酮合成酶活性	分子功能	21	38	1.90E-9
0006357	regulation of transcription from RNA polymerase II promoter RNA聚合酶II启动子转录调控	生物过程	11	817	4.60E-9
0055114	oxidation-reduction process氧化还原过程	生物过程	511	7139	6.60E-9

GO ID	GO 条目	功能分类	上调差异表达基因数目	注释的基因数目	KS值
0005524	ATP binding ATP结合	分子功能	474	10796	1.80E-26
0004364	glutathione transferase activity谷胱甘肽转移酶活性	分子功能	71	465	2.10E-17
0006749	glutathione metabolic process谷胱甘肽代谢过程	生物过程	80	496	1.20E-16
0004386	helicase activity解旋酶活性	分子功能	9	862	2.80E-12
0009407	toxin catabolic process毒素分解过程	生物过程	57	190	3.80E-12
0005737	cytoplasm细胞质	细胞组分	919	34128	6.00E-12
0030244	cellulose biosynthetic process纤维素生物合成过程	生物过程	9	193	1.70E-11
0004854	xanthine dehydrogenase activity黄嘌呤脱氢酶活性	分子功能	13	43	4.90E-11
0009115	xanthine catabolic process黄嘌呤分解过程	生物过程	13	43	5.70E-11
0004459	L-lactate dehydrogenase activity L-乳酸脱氢酶活性	分子功能	16	20	8.50E-11
0016760	cellulose synthase (UDP-forming) activity纤维素合成酶活性	分子功能	9	174	3.20E-10
0004803	transposase activity转座酶活性	分子功能	1	35	8.00E-10
0016210	naringenin-chalcone synthase activity查耳酮合成酶活性	分子功能	21	38	1.90E-9
0006357	regulation of transcription from RNA polymerase II promoter RNA聚合酶II启动子转录调控	生物过程	11	817	4.60E-9
0055114	oxidation-reduction process氧化还原过程	生物过程	511	7139	6.60E-9

KO号	代谢途径	差异基因数量	Q值
上调基因
ko00940	Phenylpropanoid biosynthesis苯丙烷生物合成	80	0.00E+00
ko00941	Flavonoid biosynthesis类黄酮生物合成	51	0.00E+00
ko00480	Glutathione metabolism谷胱甘肽代谢	88	0.00E+00
ko00960	Tropane, piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis 莨菪碱、哌啶和吡啶类生物碱的生物合成	30	0.00E+00
ko00908	Zeatin biosynthesis玉米素生物合成	22	2.74E-11
ko00592	Alpha-linolenic acid metabolism α-亚油酸代谢	29	4.28E-09
ko00910	Nitrogen metabolism氮代谢	22	2.08E-06
ko00360	Phenylalanine metabolism苯丙氨酸代谢	26	2.43E-06
ko00640	Propanoate metabolism氟吡甲禾灵代谢	19	4.68E-05
ko00944	Flavone and flavonol biosynthesis黄酮和黄酮醇生物合成	10	5.00E-05
下调基因
ko00950	Isoquinoline alkaloid biosynthesis异喹啉生物碱生物合成	16	1.67E-08
ko00073	Cutin, suberine and wax biosynthesis角质素、亚黄素和蜡的生物合成	16	6.05E-08
ko00909	Sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis倍半萜和三萜生物合成	12	9.77E-08
ko00410	Beta-alanine metabolism β-丙氨酸代谢	16	4.81E-06
ko00904	Diterpenoid biosynthesis双萜生物合成	11	9.74E-06
ko00900	Terpenoid backbone biosynthesis萜类生物合成	18	4.16E-05
ko00350	Tyrosine metabolism酪氨酸代谢	17	4.27E-05
ko00730	Thiamine metabolism硫胺素代谢	8	2.97E-04
ko00591	Linoleic acid metabolism亚油酸代谢	9	5.03E-04
ko00564	Glycerophospholipid metabolism甘油磷脂代谢	25	6.18E-04

甘蔗叶片响应褐锈病菌(Puccinia melanocephala)侵染的转录组分析

Response of Sugarcane Leaves to the Infection of Puccinia melanocephala: Transcriptomic Analysis

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