基于转录组的萝卜根系响应镉胁迫关键基因挖掘及功能验证.pdf

摘要

镉(Cd)是环境中的一种重金属，可造成农业土壤污染和作物减产，从而对粮食安

全造成严重威胁；且容易被萝卜大量吸收积累，产生严重的毒害作用，尤其在它的根

部更容易被吸收。然而，萝卜对Cd耐受的潜在调控基因仍然研究较少。为了研究Cd

胁迫下的关键调控基因及其相关途径，比较分析了“XCB”(西昌白)和“HX”(红心)

在一系列Cd处理下的生理和转录组学变化，鉴定及验证了在全基因组水平上MATE

(multidrugandtoxiccompoundextrusion)基因家族及关键响应Cd胁迫基因RsMATE41

的功能，为萝卜遗传改良育种提供了重要的依据。主要结果如下：

（1）生理分析表明，“XCB”的抗氧化酶活性（SOD、CAT、GR和APX）可能

高于“HX”，从而有助于提高Cd耐受性。通过RNA-seq分析，“XCB”比“HX”有

更多差异表达基因（DEGs）发生显著改变，表明“XCB”更有可能通过激活相关基

因的表达来响应镉胁迫。其中31个基因在两个品种中差异表达，包括6个上调基因

（MIOX4、DJ1A、HIR2、AKR4C8等）和25个下调基因（NIP6、FIB、PSAD-1、LHY、

PREP1、LHCA1、PAP3、RbcX2、RSR4、BOU、BGLU3、PRR9、JMT等）。此外，GO

和KEGG分析表明，Cd胁迫影响了萝卜淀粉和蔗糖代谢以及激素信号转导等生理过

程。随后，qRT-PCR分析显示DJ1A和HIR2可能是萝卜Cd耐受性和Cd胁迫敏感性

差异的重要调节因子（正调节因子）和NIP6、BGLU3（负调节因子）。

（2）通过转录组分析发现MATE,TCP,GRAS等基因家族响应Cd胁迫，并且发

现MATE在运输重金属方面起到了重要的作用，进一步对MATE基因家族进行了全

基因家族挖掘鉴定及表达分析。结果显示，共有85个家族成员且通过进化树分为了

4组；21对片段复制和10对串联重复是该家族扩增的重要途径；Ka/Ks比值1表明

可能在萝卜进化过程中经过了强烈的纯化选择；顺式作用元件分析表明，它主要参与

非生物胁迫和植物激素反应；PPI分析表明，RsMATE41处于核心位置；qRT-PCR分

析显示，RsMATE41可能响应Cd胁迫。

（3）为了从功能上了解RsMATE41在植物生长发育中的作用，我们培育了35S::

RsMATE41过表达(OE)植株。根据表型及转录表达水平结果推测，当RsMATE41基因

高表达时，莲座叶数目增加，侧枝数量及分蘖更多。为了探究RsMATE41是否通过影

响生长素信号传导调节叶片发育，进而影响莲座叶、侧枝数量和分蘖数，我们进一步

分析了生长素生物合成基因和分蘖合成相关基因在拟南芥中的转录表达水平。研究结

果显示，RsMATE41通过上调生长素相关基因(AtYUC2、AtYUC6、AtKNAT2)和分蘖相

关基因(AtMAX1、AtMAX2、AtMAX4、AtPIN1、AtPIN3、AtPIN7、AtAXR1和AtRGA1)

的表达，可能正向调控、影响叶片的发育和分蘖数，特别是在分蘖数方面发挥了关键

的积极作用。综上所述，对“XCB”和“HX”萝卜品种为材料进行Cd胁迫下的RNA-

seq分析，发现了更多的DEGs，并且发现转运蛋白在运输重金属方面起到了重要的

作用，进一步对MATE基因家族进行了全基因家族挖掘鉴定，筛选出关键基因

RsMATE41进行异源表达拟南芥，通过对过表达表型及纯系定量分析发现RsMATE41

增加了拟南芥莲座叶和分蘖数，这对萝卜耐Cd基因种类、农业生产及萝卜品质等提

高方面提供重要理论资源及实践依据，从而提高农业产量和食品安全。

关键词：萝卜重金属Cd胁迫转录组分析RsMATE41功能验证

Abstract

Cadmium(Cd)isaheavymetalintheenvironment,whichcancauseagriculturalsoilpollution

andcropyieldreduction,thusposing