Die Genomsequenz von Suaeda glauca im Chromosomenmaßstab gibt Aufschluss über die Salzstresstoleranz bei Halophyten

Eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Die Genomsequenz von Suaeda glauca im Chromosomenmaßstab gibt Aufschluss über die Salzstresstoleranz bei Halophyten„, vom Team von Professor Qin Yuan vom Center for Genomics, Haixia Institute of Science and Technology (Future Technology College) an der Fujian Agriculture and Forestry University, wurde veröffentlicht in „Gartenbauforschung„.

Der Salzgehalt des Bodens ist ein wachsendes Problem für die weltweite Pflanzenproduktion und die nachhaltige Entwicklung der Menschheit. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Mechanismen der Salztoleranz zu verstehen und salztolerante Gene zu identifizieren, um die Toleranz der Pflanzen gegenüber Salzstress zu erhöhen.

S. glauca, eine Halophytenart, die sich gut an die Meerwasserumgebung angepasst hat, verfügt über die einzigartige Fähigkeit, hohe Salzkonzentrationen in ihren Zellen, insbesondere in ihren Blättern, zu absorbieren und zu speichern, was auf das Vorhandensein eines bestimmten Mechanismus für Salztoleranz schließen lässt.

In dieser Studie führten die Autoren eine De-novo-Sequenzierung des S. glauca-Genoms durch. Das Genom hat eine Größe von 1,02 GB (bestehend aus zwei Sätzen von Haplotypen) und enthält 54.761 annotierte Gene, einschließlich Allele und Wiederholungen.

Eine vergleichende Genomanalyse ergab eine starke Syntenie zwischen den Genomen von S. glauca und B. vulgaris. 70,56 % des Genoms von S. glauca bestehen aus Wiederholungssequenzen, wobei Retroelemente am häufigsten vorkommen.

Mithilfe der allelbewussten Anordnung des S. glauca-Genoms untersuchten wir die genomweite allelspezifische Expression in den analysierten Proben. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Vielfalt der Promotorsequenzen zu einer konsistenten allelspezifischen Expression beitragen könnte (Einzelheiten finden Sie im Volltext).

Die typische Angiospermenblüte besteht aus vier Wirbeln: Kelchblatt, Blütenblatt, Staubblatt und Fruchtblatt, obwohl bei einigen Arten Abweichungen von dieser Anordnung auftreten können. Bei S. glauca wurden nur drei Wirbel beobachtet, wobei der erste Wirbel deutlich beeinträchtigt war und der zweite Wirbel kelchblattartige Merkmale aufwies. Der dritte und vierte Wirbel zeigen den normalen Phänotyp.

Um die kelchblattartige Identität des zweiten Wirbels der S. glauca-Blüte zu bestätigen, analysierten die Forscher die Expression von Genen, die an Photosynthese- und Chlorophyllsynthese-bezogenen Signalwegen beteiligt sind.

Die geclusterten Wärmekarten zeigten, dass die Expressionsmuster der untersuchten Gene in den zweiten Wirbeln denen der Kelchblätter ähnelten. Darüber hinaus lieferte eine systematische Analyse der ABCE-Genfamilie Aufschluss über die Entstehung der Blütenmorphologie von S. glauca, was darauf hindeutet, dass die Fehlfunktion von A-Klasse-Genen für das Fehlen von Blütenblättern bei S. glauca verantwortlich ist.

Um ein tieferes Verständnis der Salztoleranzmechanismen in Pflanzen der Gattung Suaeda aus genomischer Sicht zu erlangen, führten sie eine vergleichende Genomanalyse zwischen Suaeda-Arten durch, darunter Suaeda aralocaspica (eine salztolerante Pflanze aus der Familie der Amaranthaceae) und anderen nicht toleranten Pflanzen -salztolerante Arten aus derselben Familie.

Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Erweiterung der Genfamilien in diesen beiden salztoleranten Suaeda-Arten, die insgesamt 1.840 Gene umfassten. Die Anreicherungsanalyse dieser Gene ergab eine bemerkenswerte Anreicherung der Begriffe der Genontologie (GO) im Zusammenhang mit DNA-Reparatur, Chromosomenstabilität, DNA-Demethylierung, Kationenbindung und Signalwegen für rotes/dunkelrotes Licht innerhalb der gemeinsamen erweiterten Genfamilien von Suaeda-Arten.

Im Vergleich zu nicht-halophytischen Arten in der Familie der Amaranthaceae sind die erweiterten Gene in Suaeda-Arten überwiegend in der Funktion „Aufrechterhaltung der DNA/Chromatin-Stabilität“ angereichert. Dies legt nahe, dass die Rolle der „Aufrechterhaltung der DNA/Chromatin-Stabilität“ eine entscheidende Rolle bei der Salztoleranz von Suaeda-Pflanzen spielen könnte.

Um die oben genannten Beobachtungen weiter zu validieren, führten die Forscher eine zeitliche RNA-Seq-Analyse an mit Salz behandelten Suaeda-Pflanzen durch. Es wurde eine Clusteranalyse unterschiedlich exprimierter Gene zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Salzbehandlung gezeigt. Insbesondere wurden die Transition-Up-Gene als stabiler Reaktionsmechanismus für S. glauca zur Bewältigung von Salzstress identifiziert.

Interessanterweise waren die hochregulierten Übergangsgene in Blättern hauptsächlich mit der DNA-Reparatur und der Chromosomenstabilität verbunden, zusammen mit der GO-Anreicherung im Zusammenhang mit dem Lipid-Biosyntheseprozess und dem Isoprenoid-Stoffwechselprozess. Diese Ergebnisse stimmen mit der vorherigen Analyse der Erweiterung der S. glauca-Genfamilie überein.

Darüber hinaus deutete eine genomweite Analyse der Transkriptionsfaktoren auf eine signifikante Erweiterung der FAR1-Genfamilie hin (Einzelheiten finden Sie im Volltext). Allerdings sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die genaue Rolle der FAR1-Genfamilie bei der Salztoleranz bei S. glauca zu bestimmen.

In dieser Studie haben wir das haploide Genom von S. glauca de novo auf chromosomaler Ebene zusammengesetzt, sagen die Forscher. Die Genomsequenz ist von hoher Qualität und die Annotation ist umfangreich, was sie als Referenzgenom für den Halophyten S. glauca etabliert.

Darüber hinaus haben wir einen neuartigen Salztoleranzmechanismus aufgeklärt, der die „Aufrechterhaltung der DNA/Chromatin-Stabilität“ in halophytischen Pflanzen beinhaltet. Unseres Wissens nach handelt es sich bei diesem Mechanismus der Salztoleranz um eine neue Entdeckung bei halophytischen Pflanzen, die möglicherweise neue Erkenntnisse und Möglichkeiten zur Verbesserung der Salztoleranz bei Nutzpflanzen bietet, sagten sie.