ポリエチレングリコールを模擬した干ばつストレスに対する耐性が対照的な Eruca vesicaria subs. sativa 系統のトランスクリプトーム解析

Transcriptomic analysis of Eruca vesicaria subs. sativa lines with contrasting tolerance to polyethylene glycol-simulated drought stress.

• Bang-Lian Huang
• Xuan Li
• Pei Liu
• Lan Ma
• Wenhua Wu
• Xuekun Zhang
• Zaiyun Li
• Bangquan Huang

抄録

背景:

サティバは干ばつストレスに最も耐性のあるクルシフェラ科の種の一つである。これまでの研究では、非常に優れた干ばつ耐性を持つ系統が得られている。しかし、エルカの干ばつ耐性のメカニズムについてはほとんど知られていない。

BACKGROUND: Eruca vesicaria subsp. sativa is one of the Cruciferae species most tolerant to drought stress. In our previous study some extremely drought-tolerant/sensitive Eruca lines were obtained. However little is known about the mechanism for drought tolerance in Eruca.

方法:

本研究では、対照的な干ばつ耐性を持つ2系統のE. vesicaria subs. sativaを液体MS/PEG溶液で処理した。7 日齢の全苗から全 RNA を単離し、Illumina シークエンシングプラットフォームを用いてハイスループット転写シークエンシングを行った。

METHODS: In this study two E. vesicaria subs. sativa lines with contrasting drought tolerance were treated with liquid MS/PEG solution. Total RNA was isolated from 7-day old whole seedlings and then applied to Illumina sequencing platform for high-throughput transcriptional sequencing.

結果:

KEGG経路解析により、α-リノレン酸代謝、チロシン代謝、フェニルアラニン、チロシン・トリプトファン生合成、ガラクトース代謝、イソキノリンアルカロイド生合成、トロパン、ピペリジン・ピリジンアルカロイド生合成、ミネラル吸収に関与する遺伝子（DEG）が異なることが示された。一方、リボソーム、リボソーム生合成、ピリミジン代謝、RNA分解、グリオキシル酸・ジカルボキシル酸代謝、アミノアシルtRNA生合成、クエン酸サイクル、メタン代謝、光合成生物の炭素固定化に関与するDEGは全て低下していた。51個のDEGが最も有意にアップレギュレーションされていることがわかった（対数比≧1）。エチレン応答性転写因子、WRKY、bHLH転写因子、カルモデュリン結合転写活性化因子、システインリッチレセプター様プロテインキナーゼを含む51のDEGが、PEG処理下のDT株で特異的に上昇していた（対数比8）。ミトゲン活性化プロテインキナーゼキナーゼ、WDリピート含有タンパク質、OPDA還元酵素、アレンオキシドシクラーゼ、アクアポリン、O-アシルトランスフェラーゼWSD1、C-5ステロールデサチュラーゼ、糖トランスポーターERD6様12、トレハロースリン酸ホスファターゼおよびガラクチノール合成酵素4。これら51のDEGのうち8つのDEGが8つのCOGと17のKEGG経路に濃縮されていた。

RESULTS: KEGG pathway analysis indicated that differentially expressed genes (DEGs) involved in alpha-Linolenic acid metabolism, Tyrosine metabolism, Phenylalanine, Tyrosine and tryptophan biosynthesis, Galactose metabolism, Isoquinoline alkaloid biosynthesis, Tropane, Piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis, Mineral absorption, were all up-regulated specifically in drought-tolerant (DT) Eruca line under drought stress, while DEGs involved in ribosome, ribosome biogenesis, Pyrimidine metabolism, RNA degradation, Glyoxylate and dicarboxylate metabolism, Aminoacyl-tRNA biosynthesis, Citrate cycle, Methane metabolism, Carbon fixation in photosynthetic organisms, were all down-regulated. 51 DEGs were found to be most significantly up-regulated (log ratio ≥ 8) specifically in the DT line under PEG treatment, including those for ethylene-responsive transcription factors, WRKY and bHLH transcription factors, calmodulin-binding transcription activator, cysteine-rich receptor-like protein kinase, mitogen-activated protein kinase kinase, WD repeat-containing protein, OPDA reductase, allene oxide cyclase, aquaporin, O-acyltransferase WSD1, C-5 sterol desaturase, sugar transporter ERD6-like 12, trehalose-phosphate phosphatase and galactinol synthase 4. Eight of these 51 DEGs wre enriched in 8 COG and 17 KEGG pathways.

結論:

エルカの耐干ばつ性には、PEG 処理下の DT 系統で最も顕著に発現が増加した DEG、アルギニン、プロリン代謝、α-リノレン酸代謝に関与する DEG の発現が増加し、炭素固定とタンパク質合成に関与する DEG の発現が減少したことが重要である可能性があると考えられた。これらの結果は、エルカの耐干ばつ性のメカニズムを明らかにし、作物の耐干ばつ性を向上させるための遺伝子工学にも有用であると考えられる。

CONCLUSIONS: DEGs that were found to be most significantly up-regulated specifically in the DT line under PEG treatment, up-regulation of DEGs involved in Arginine and proline metabolism, alpha-linolenic acid metabolism and down-regulation of carbon fixation and protein synthesis might be critical for the drought tolerance in Eruca. These results will be valuable for revealing mechanism of drought tolerance in Eruca and also for genetic engineering to improve drought tolerance in crops.