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遺伝情報をもとにしたRNAseqによるオオヨシ低生態型の長期塩ストレスに対する転写応答の解析
Transcriptional response of giant reed (Arundo donax L.) low ecotype to long-term salt stress by unigene-based RNAseq.
PMID: 32563719 DOI: 10.1016/j.phytochem.2020.112436.
抄録
ジャイアントヨシは、化石燃料の使用量を削減するための代替エネルギー源と考えられている、急成長する草本性の非食用作物である。この植物の生物学的ストレスに対する耐性は、様々なストレス条件で実証されており、食料安全保障を損なわないように、また土地利用の問題を克服するために、限界地や不耕作地での栽培を可能にしている。本研究では、過酷な長期塩ストレス（256.67mM NaCl、32dSmの導電性に相当）を受けたA. donax low G34 ecotypeの葉のトランスクリプトームをde novoで配列決定、アセンブル、解析（RNAseq解析）を行った。この非モデル植物の高塩分ストレスに対する応答を明らかにするために、塩分感覚・シグナル伝達、転写因子、ホルモン制御、活性酸素消去、オスモライト生合成に関連するクラスターを解析したが、いずれも未処理植物とは異なる制御を示していた。エチレン生合成とシグナル伝達に関連するクラスターを解析した結果、植物の成長に及ぼすエチレンの悪影響を最小化するように遺伝子転写が調節されていることが示唆された。確かに、ルビスコの生合成や組み立てに関わる遺伝子がダウンレギュレーションされているため、光合成が強く影響を受けている。しかし、PEP（ホスホエノールピルビン酸）への一次CO固定を活性化するための遺伝子制御が行われていることから、C4光合成へのシフトが起こる可能性が高いと考えられる。また、「炭素代謝」のカテゴリーを解析した結果、塩ストレス下の G34 生態型では解糖やクレブスサイクル関連遺伝子の発現が誘導されており、A. donax G34 低生態型では何らかの塩分回避が起こっているのではないかという仮説と一致していることがわかった。また、他のオオヨシの生態型と比較した結果、塩に対する反応にはいくつかの違いが見られ、特にA. donaxのクローン間では、無性生殖の形態にもかかわらず、地理的に離れた地域に由来する生態型では遺伝的表現型の違いが蓄積されている可能性があることがわかった。さらに、26,838個の単純配列リピート（SSR）マーカーが同定され、検証された。このSSRデータセットは、A. donaxのマーカーカタログを拡大し、本種の遺伝子型の特徴付けを容易にするものである。
The giant reed is a fast growing herbaceous non-food crop considered as eligible alternative energy source to reduce the usage of fossil fuels. Tolerance of this plant to abiotic stress has been demonstrated across a range of stressful conditions, thus allowing cultivation in marginal or poorly cultivated land in order not to compromise food security and to overcome land use controversies. In this work, we de novo sequenced, assembled and analyzed the A. donax low G34 ecotype leaf transcriptome (RNAseq analysis) subjected to severe long-term salt stress (256.67 mM NaCl corresponding to 32 dS m electric conductibility). In order to shed light upon the response to high salinity of this non model plant, we analyzed clusters related to salt sensory and signaling transduction, transcription factors, hormone regulation, Reactive Oxygen Species (ROS) scavenging and osmolyte biosynthesis, all of them showing different regulation compared to untreated plants. The analysis of clusters related to ethylene biosynthesis and signaling indicated that gene transcription is modulated towards the minimization of ethylene negative effects upon plant growth. Certainly, the photosynthesis is strongly affected since genes involved in Rubisco biosynthesis and assembly are down-regulated. However, a shift towards C4 photosynthesis is likely to occur as gene regulation is aimed to activate the primary CO fixation to PEP (phosphoenolpyruvate). The analysis of "carbon metabolism" category revealed that G34 ecotype under salt stress induces the expression of glycolysis and Krebs cycle related genes, this being consistent with the hypothesis that some sort of salt avoidance might be occurred in A. donax G34 low ecotype. By comparing our results with findings obtained with other giant reed ecotype, we identified several differences in the response to salt that are in accordance with the possibility that heritable phenotypic differences among clones of A. donax might be accumulated especially in ecotypes originating from distant geographical areas, despite their asexual reproduction modality. Additionally, 26,838 simple sequence repeat (SSR) markers were identified and validated. This SSR dataset definitely expands the marker catalogue of A. donax facilitating the genotypic characterization of this species.
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