グアー（L. Taub）における熱応答性遺伝子の同定

Identification of Heat-Responsive Genes in Guar [ (L.) Taub].

• Aref Alshameri
• Fahad Al-Qurainy
• Abdel-Rhman Gaafar
• Salim Khan
• Mohammad Nadeem
• Saleh Alansi

抄録

地球温暖化により、作物生産における熱ストレスの脅威は劇的に増大しており、耐熱性のある作物の需要が高まり、その耐性を理解することが求められている。マメ科飼料作物であるグアーは高温耐性植物であり、形態生理学的なレベルでの耐性に関する研究は数多く行われているが、分子レベルでの耐熱性に関する研究はほとんど行われていない。本研究では、熱処理によって誘導される遺伝子発現の違いとその代謝経路を調べた。本研究では、グァーの葉を対象に RNA-Seq 法を用いて遺伝子の発現量を推定し、熱ストレスに対する応答機構の理解を深めるために、熱耐性に関与する遺伝子の同定を行った。その結果、アップレギュレーションされた遺伝子は1551個、ダウンレギュレーションされた遺伝子は1466個であり、そのうち200個と72個の機能不明遺伝子はグアー特有の新規遺伝子と考えられた。アップレギュレーションされた遺伝子は158の酵素と102のKEGG経路と関連していた。Blast2GO, InterProScan, Kyoto Encyclopaedia of Genes and Genomesパッケージを用いて、機能アノテーション、タンパク質解析、酵素、代謝経路を検索した結果、熱ストレス耐性時にはホルモンシグナル伝達が濃縮されていることが明らかになった。その結果、301のタンパク質ファミリー、551のドメイン、15のリピート、3つの部位がアップレギュレーションされ、それらのユニジェネと一致した。PlantTFDBデータベースを用いて、グアーの熱応答に関与している可能性のある熱制御転写因子転写産物を一括して同定した。興味深いことに、いくつかの熱ショックタンパク質ファミリー（small HSP20、熱ショック転写因子ファミリー、熱ショックタンパク質Hsp90ファミリー、熱ショックタンパク質70ファミリーなど）がストレス条件下で発現していることがわかった。これらの結果から、熱耐性に関連した発現変化を明らかにし、熱耐性を制御する鍵となる遺伝子を同定しました。これらの結果は、熱ストレスによって誘導される植物の分子行動を解明する良いきっかけとなり、グアーにおけるマーカー支援選択のためのストレス応答の鍵となる遺伝子を同定し、植物のストレス適応における役割を明らかにすることができると考えられます。

The threat of heat stress on crop production increased dramatically due to global warming leading to the rise on the demand of heat-tolerant crops and understanding their tolerance. The leguminous forage crop Guar [ (L.) Taub] is a high-temperature tolerant plant with numerous works on its tolerance at morph-physiological levels but lack on molecular thermotolerance level. In the current study, the differential gene expression and the underlying metabolic pathways induced by heat treatment were investigated. An RNA-Seq study on Guar leaves was carried out to estimate gene abundance and identify genes involved in heat tolerance to better understand the response mechanisms to heat stress. The results uncovered 1551 up- and 1466 downregulated genes, from which 200 and 72 genes with unknown function could be considered as new genes specific to guar. The upregulated unigenes were associated with 158 enzymes and 102 KEGG pathways. Blast2GO, InterProScan, and Kyoto Encyclopaedia of Genes and Genomes packages were utilized to search the functional annotation, protein analysis, enzymes, and metabolic pathways and revealed hormone signal transduction were enriched during heat stress tolerance. A total of 301 protein families, 551 domains, 15 repeats, and 3 sites were upregulated and matched to those unigenes. A batch of heat-regulated transcription factor transcripts were identified using the PlantTFDB database, which may play roles in heat response in Guar. Interestingly, several heat shock protein families were expressed in response to exposure to stressful conditions for instance small HSP20, heat shock transcription factor family, heat shock protein Hsp90 family, and heat shock protein 70 family. Our results revealed the expressional changes associated with heat tolerance and identified potential key genes in the regulation of this process. These results will provide a good start to dissect the molecular behaviour of plants induced by heat stress and could identify the key genes in stress response for marker-assisted selection in Guar and reveal their roles in stress adaptation in plants.

Copyright © 2020 Aref Alshameri et al.