09月09 【一作解讀】高分辨率時空動態轉錄組景觀揭示陸地棉中GhCAL介導的開花調控途徑?
發布于 16:05
作者： bmk
文章題目：High-resolution temporal dynamic transcriptome landscape reveals a GhCAL-mediated flowering regulatory pathway in cotton (Gossypium hirsutum L.)
發表期刊：Plant Biotechnology Journal
發表時間：2020年7月12
影響因子：8.1
研究內容：棉花花芽分化
研究對象：兩個早熟品種，兩個晚熟品種；每個品種6個時期
研究方法：轉錄組測序
前言
陸地棉(Gossypium hirsutum L.)是世界上最重要的纖維作物。在我國黃河流域和長江流域棉區，實現早熟棉在小麥或者油菜后直播可以提高復種指數。而在西北內陸棉區，春季氣溫低，秋季枯霜早，早熟棉既能提高棉花的霜前花率，還可以改善棉花品質。花芽分化是影響短季棉品種早熟的重要性狀，是棉花現蕾期、開花期和成鈴期發育的基礎，花芽分化直接影響開花時間。花芽分化是植物從營養生長向生殖生長過渡的標志。當進入生殖生長時，側芽變成花芽，花芽發育成果枝。果枝分化決定了開花量、生殖能力和棉花產量。因此，早熟性狀及早熟棉品種在生產上顯得尤為重要。
結果
1、棉花莖尖的形態發育
在這項研究中，選擇了兩個早熟的陸地棉栽培品種CCRI50和Yanzao2，以及兩個晚熟的栽培品種國新棉11和STS458。與晚熟品種相比，早熟品種的花芽分化時間提前了10天，開花時間提前了19天，整個生長期縮短了33天（圖1a）。石蠟切片的組織學分析表明，在早熟品種Yanzao2和CCRI50中，花芽分化出現在第三片真葉展平時期（3TLS），而晚熟品種在第五真葉（5TLS）才出現花芽分化。?
圖1兩個早熟品種和兩個晚熟品種的比較
2、棉花不同發育階段的72個RNA文庫的轉錄組譜
在這里，為了研究棉花早期成熟調控網絡的分子機制，我們選擇了兩個早熟品種和兩個晚熟品種，在花芽分化前后收集了莖尖樣品，并分析了它們的轉錄動態。發現至少一個樣品中表達的基因共有49 000個。為了了解早熟和晚熟棉花品種發展的轉錄動態，對所有樣品進行了聚類分析（圖2a）和主成分分析（PCA）（圖2b）。結果表明，這些高密度時空轉錄本可以根據發育階段分為兩個類群，然后在每個類群中將早熟和晚熟品種分開。
?圖2早熟和晚熟品種六個發育階段之間的轉錄關系。
3、加權基因共表達網絡分析（WGCNA）
將5312個基因用于WGCNA，產生10個不同的模塊（標有不同的顏色）（圖3a，b）。幾乎80％的基因聚集在發育階段的模塊中（MEcyan，Megreen，MElightgreen，MEtan，MEsalmon和MEturquoise）（圖3b）。這些基因的動態和階段或品種特異性表達模式可能反映了它們發揮的關鍵功能。
?圖3差異表達基因的WGCNA
4、棉花從營養生長向生殖生長轉換相關基因的鑒定
MElightcyan模塊包含46個基因，其中包括29個轉錄因子。這些基因的表達模式與花芽分化階段相吻合，在3TLS時表達，并且兩個早熟品種中這些基因的表達水平始終高于兩個晚熟品種中的表達水平（圖4a）。在這個模塊中，GH_D07G0876的連接線（邊緣）數量最多，這是AtCAL基因的同源基因，命名為GhCAL（圖4c）。
?圖4模塊MElightcyan的分析
5、GhCAL在調節從營養生長到生殖生長的轉換的功能驗證
GhCAL過表達能夠使擬南芥顯著早花。GhCAL沉默的轉基因棉花顯著晚花，花芽分化與野生型相比顯著推遲。GhCAL表達的下降延遲了棉花從營養生長到生殖生長的過渡。?
6、病毒誘導的GhAGL6-D09和GhAP1-A04沉默導致棉花開花延遲
為了探索GhCAL如何調節棉花開花，分析了以GhCAL為中心的WGCNA基因網絡中具有更多連接線（邊緣）的其他基因的表達。編碼AGL6同源基因的GH_D09G0468和編碼AP1同源基因的GH_A04G1749分別被命名為GhAGL6-D09和GhAP1-A04。在GhCAL沉默的轉基因棉花品系中，GhAGL6-D09和GhAP1-A04的表達明顯較低，這可能是由于GhCAL表達的降低導致的，表明AGL6和AP1受GhCAL調控。GhAGL6-D09和?GhAP1-A04過表達能夠使擬南芥開花時間明顯提前。同時，GhAGL6-D09和?GhAP1-A04沉默的棉花植株與對照相比，花芽分化和開花時間顯著推遲。
7、GhCAL-D07能夠與GhAGL6-D09 / GhAP1-A04形成異源二聚體
先前的研究表明，某些MADSbox轉錄因子可能形成異二聚體以發揮調節作用。酵母雙雜交（Y2H）和雙分子熒光互補（BiFC）分析表明，GhCAL，GhAGL6-D09和GhAP1-A04這三種蛋白質彼此相互作用，形成異二聚體。在擬南芥中，MADS-box轉錄因子可以形成特異性異二聚體，該異源二聚體與自身啟動子區域的CArG-box結合并調節其自身表達。GhCAL可能與GhAGL6-D09和GhAP1-A04形成異源二聚體，結合啟動子區域的CArG-box，然后調節它們的表達。
8、GhCAL通過調節GhAP1A04和GhAGL6-D09介導棉花營養生長向生殖生長轉換的調控途徑
在早熟品種中，GhCAL在3TLS表達。GhCAL與GhAGL6-D09形成異二聚體，可能與GhAGL6-D09啟動子區域的CArG-box結合并誘導GhAGL6-D09的表達以啟動花芽分化。在5TLS時，GhCAL / GhAGL6與GhAP1-A04形成異二聚體，可能與GhAP1-A04啟動子區域的CArG-box結合并誘導GhAP1-A04的表達。GhCAL充當整個途徑的調節中心，調節棉花從營養期到生殖期的過渡，以誘導開花。
小編說：本篇文章思路清晰，有幸和一作溝通后編輯此文，從實驗設計到后續的數據挖掘，功能驗證穩扎穩打。那么作者是如何進行實驗設計以及我們是否有值得學習和參考的地方呢？
首先作者挑選兩個早熟，兩個晚熟材料進行表型調查和轉錄組測序后，拿到所有基因表達量數據后對表達量篩選，做了聚類圖和PCA，發現根據表達量可以把不同性狀、不同發育時期進行分類。
百邁客云平臺可以在所有基因挖掘這里進行所有基因篩選和PCA聚類（動圖是示例數據）
然后作者利用高分文章利器：WGCNA分析，進行數據深度挖掘和整理，推薦大家使用百邁客云平臺小工具WGCNA模塊，可以出來和作者同樣高大上的圖片。
登陸百邁客云平臺—小工具，即可使用分析（動圖是示例數據）
然后作者根據一系列的功能驗證最終鎖定控制花芽分化的基因，再次推薦大家使用百邁客轉錄組個性化（所有基因挖掘，差異基因挖掘，基因結構挖掘）三大模塊和小工具（108款分析繪圖工具），下一篇高分文章就是你！
