文章标题：Polygonatum cyrtonema Hua 種子の上胚軸休眠解除における外因性 6-ベンジルアミノプリンによって引き起こされるトランスクリプトミクスとメタボロミクスの変化
出版雑誌: Frontiers in Plant Science
インパクトファクター: 6.627
著者単位: 安徽農業大学
Baiqu が提供するサービス: 植物 Aqu Guangtarget® メタボロミクスの研究背景
Polygonatum cyrtonema Hua は医食同源の多年草で、糖尿病や喘息の治療に重要な漢方薬です。フラボノイドや多糖類が含まれており、疲労と闘い、糖尿病の治療に一定の効果があります。しかし、アザラシの種子は幼根休眠と上胚軸休眠という「二重休眠」の特徴を持っているため、自然条件下ではアザラシの種子がスムーズに羽化するためには2回の冬を経験する必要があり、生殖周期が非常に長いため、規模の植栽が大幅に制限されます。 。植物ホルモンは植物の休眠状態の解除に重要な役割を果たしており、6-ベンジルアミノプリン (6-ベンジルアミノプリン、6-BA) は合成サイトカイニンであり、通常は植物の休眠状態を解除するために使用されます。この研究では、トランスクリプトミクスとメタボロミクスを使用して、外因性 6-BA 処理後のタデの種子の違いを分析しました。
テクニカルルート
研究結果 1. タデの種子の外観および形態指標に及ぼす 6-BA 処理の影響
形態観察の結果（図１）、タデの種子は培養時間の延長とともに発芽率が上昇し、発芽率が60％（30日）に達すると発芽率の伸びが安定する傾向が見られ、濃度6の場合は発芽率の伸びが安定する傾向にあった。・BAは100～ 300mg/Lで効果が顕著であり、最適濃度は200mg/Lです。処理群の種子は14日後に次々と発芽し、28日後には出芽率が60％以上に達し、根が徐々に伸びた。しかし、同時期の水分対照群から判断すると、上胚軸休眠に入った後、上軸芽の伸長は明らかではなく、21日後に少量の種子が発芽し始め、出現率は常に10％未満でした。 ; しかし、根は急速に成長し、14日後には処理チームのリーダーよりも成長しました。
図 1. タデの種子の発芽および出現の形態学的指標の決定
2. アザラシの種子発芽時の代謝特性
21 のサンプル (0 日 - C0、12 時間、7 日、28 日 - C1/T1、C2/T2、C3/T3) の代謝は、植物 AQU Guangtarget® メタボロミクス (Baiqu Biotech によって提供) の変化によって特定されました。229 個の示差代謝物 (DEM) を含む、合計 1000 個の代謝物がサンプルから検出されました。PCAおよびベンプロット分析により、異なる期間で治療群と対照群の間に有意差があり、その中にはフラボノイドに有意差があることが示されました(図2A～D)。
KEGG 機能アノテーション分析を通じて、12 時間、7 日、および 28 日の時点で、治療グループと対照グループで 25、33、および 5 の代謝経路がマークされていることがわかりました (図 2E-G)。フラボノイド生合成経路、アルギニンおよびプロリン代謝経路が 3 段階で大幅に濃縮されたことがわかります。さらに、ゼアチン生合成も最初の 2 段階で大幅に増加しており、これらの代謝経路または代謝産物が休眠解除と密接に関連していることが示唆されています。
図 2. タデの種子の上軸休眠解除のメタボローム解析
3. さまざまな時期のアザラシ種子のトランスクリプトーム分析
代謝検出分析と同じサンプルを使用して、21 個の cDNA ライブラリーが構築され、ハイスループット RNA-seq 分析が行われました。3 つの異なる段階の比較分析 (図 3) を通じて、著者らは合計 31,533 個の発現差のある遺伝子 (DEG) を取得しました。3486、2928、および9293 DEGは上方制御される遺伝子であることが判明したが、3213、5221、および7392 DEGはそれぞれ下方制御される遺伝子に属していた(図3A-B)。Ｔ１対Ｃ１、Ｔ２対Ｃ２、およびＴ３対Ｃ３のグループ比較において、それぞれ、２７１８、４５４４、および６７９５のＤＥＧが示差的に発現された。
図 3. さまざまな段階における Rhizoma Polygonatum 種子のトランスクリプトーム解析
4. メタボロミクスとトランスクリプトミクスの手法によりタデ種子の上胚軸休眠の解除過程を解析
4.1. タデの種子の上軸休眠解除時のフラボノイド生合成、アルギニンとプロリンの代謝、ゼアチン生合成経路における遺伝子と代謝物の変化 (図 4)
6-BA処理によりポリゴナツム種子の上胚軸休眠を解除する過程において、同時期の対照群と比較して、最初の7日間はフラボノイド生合成経路の遺伝子および代謝産物を阻害することにより芽分化の阻害が緩和され、オーキシン関連遺伝子の発現を促進し、上胚軸の伸長を促進します。後の段階では、フラボノイド関連遺伝子と代謝産物の促進によってオーキシン合成遺伝子の発現が抑制され、これにより根の成長がさらに抑制され、種子の発芽への形質転換が促進されました。また、種子の発芽中にフラボノイドが蓄積することも報告されており、これはタデの種子の上胚軸休眠の解除と発芽の根底にある分子機構が異なることを示唆しています。
アルギニンとプロリンは植物の休眠状態の解除に重要な役割を果たします。さらなる分析により、アルギニン生合成に関与する遺伝子と代謝物のほとんどが、同時期の対照群と比較して3つの段階で下方制御されていることが示されました。これは、芽の伸長を促進するためのプロリンがこれらの2つの段階で高いままではなかったためである可能性があります。したがって、プロリンは上胚軸の伸長を大幅に増加させ、上胚軸の休眠の解除に重要な役割を果たしていると我々は提案します。
ゼアチンは最初に発見された植物天然サイトカイニンであり、我々はゼアチン生合成経路の遺伝子と代謝物の発現パターンを分析しました。全体として、最初の 7 日間で、ゼアチン合成経路に関与する遺伝子と代謝産物は一般に増加し、28 日後、関連する遺伝子と代謝産物は一般に減少し、トランスクリプトーム情報が検証されました (図 4B–G)。
図 4. 生合成経路のトランスクリプトームおよびメタボローム解析。(A) DEG と DEM は、さまざまな段階でフラボノイド生合成、アルギニンとプロリンの代謝、ゼアチン生合成経路に関与します。青から黄、赤への色のグラデーション。遺伝子の低、中、高 FPKM を表します。紫から黄色、赤への色のグラデーションは、代謝産物の相対的な存在量が低い、中程度、高いことを表します。T: 治療グループ; C: 対照グループ。(B – G) qRT-PCR によるトランスクリプトーム内の関連遺伝子の検証。IPT：イソペンテニルトランスフェラーゼ遺伝子、CYP735A：サイトカイニン水酸化酵素遺伝子、CKX：サイトカイニン分解酵素遺伝子、CHS：カルコン合成酵素遺伝子、C4H：シンナメート-4-水酸化酵素、DFR：ジヒドロフラボノール-4-レダクターゼ、「*」は有意差、「**」 " は非常に有意な差を意味します。
4.2. タデの種子の上胚軸休眠解除時の植物ホルモン経路の遺伝子と代謝産物の変化 (図 5)
植物ホルモンは植物の休眠を解除する過程で重要な役割を果たしますが、その中でもインドール酢酸（IAA）、ジベレリン（GA）、アブシジン酸（ABA）、サイトカイニン（CTK）がより重要です。
著者らは植物ホルモン経路の DEG を数え、最終的に GA、ABA、IAA 代謝経路で DEG が豊富であることを確認しました。この研究の結果は以前の研究の結果と一致しており、上軸芽の伸長がタデの種子の休眠状態の解除に重要な役割を果たしている；CTKに属するゼアチン生合成経路も上胚軸の休眠状態の解除に役割を果たしていることを示しているタデの種子における重要な役割。
図 5. トランスクリプトームにおける GA、ABA、IAA の生合成、不活化、およびシグナル伝達経路に関与する遺伝子の発現パターン。(A) GA 経路に関連する遺伝子発現のヒートマップ。(B) ABA 経路に関連する遺伝子発現のヒート マップ。(C) IAA 経路関連遺伝子発現のヒート マップ。青、白、赤の色のグラデーションは、遺伝子の低発現、中発現、高発現を表します。Log2(FC) の範囲は –1 ～ 1 です。
4.3. フラボノイド生合成、アルギニンおよびプロリン代謝、ゼアチン生合成経路の関連解析 (図 6)
著者らの以前の結果に従って、T2とC2の3つの経路におけるDEGとDEMの関連分析を実行しました（図6）。私たちは、アルギニンおよびプロリン代謝経路の一部の代謝産物がほとんどの遺伝子と有意に関連していることを発見しました。さらに、CTK生合成経路では、根茎サイトカイニンデヒドロゲナーゼ（PcCKX）に関与する遺伝子が3つの段階すべてで活性化し、フラボノイド、アルギニン、プロリン代謝経路の代謝物と有意に関連しており、タデの種子の休眠状態の解除にも影響を与える可能性がある。 。
図 6. フラボノイド生合成、アルギニンおよびプロリン代謝、ゼアチン生合成経路の相関分析。注: オレンジ色のボックスは遺伝子を表し、青色のボックスは代謝産物を表し、ピンク色のボックスは PcCKX を表します。赤い線は正の相関を示し、青い線は負の相関を示します。
4.4. タデの種子の上胚軸休眠解除の重要な時期における遺伝子と代謝経路の変化のモデル解析
著者らは、マルチオミクス解析の結果に基づいてモデルを構築し（図7）、外因性6-BA処理がGA生合成およびシグナル伝達経路を促進し、タデの精子細胞種子の上胚軸休眠の解除を誘導することを見出した。同時に、外因性 6-BA 処理は、PcCKX の発現を阻害することにより、上胚軸伸長中の内因性細胞分裂ホルモンの含有量を増加させる可能性があります。今後の研究は、タデの種子の休眠状態の解除におけるこれらの重要な要素の機能的役割に焦点を当てる予定です。
図 7.タデの種子の上胚軸休眠解除の臨界期における代謝経路の変化の概略モデル。結論は
外因性 GA3 はタデの種子の休眠を解除できるが、上胚軸の休眠は解除できないことが確認されています。この研究で、著者はタデの種子の上胚軸休眠の解除に対する外因性 6-BA 処理の分子機構を調査しました。その結果、外因性 6BA 処理により上胚軸の長さが大幅に延長され、タデの種子の出現率が増加することが示されました。タデの種子の上軸休眠の解除中に、処理グループのゼアチン、プロリン、オーキシンおよびジベレリンの含有量は高く、一方、フラボノイドおよびアルギニンの含有量は低かった。PcCKX は、フラボノイド生合成代謝物、アルギニンおよびプロリン代謝物と有意に相関しており、これらの結果は、タデの上軸休眠を解除する際の外因性 6-BA の分子機構に新たな洞察をもたらしました。