真核有参转录组测序-经典案例-诺禾致源

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真核有参转录组测序

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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，大多数研究都仅仅是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

建库

测序

分析

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。

构建普通转录组文库

Illumina HiSeq 平台，150 bp 双端测序

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。

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。