マニライネ科植物（Zoysia matrella）の寒冷化ストレスに対する応答。トランスクリプトミクスから生理学へ

Responses of Manila Grass (Zoysia matrella) to chilling stress: From transcriptomics to physiology.

• Sixin Long
• Fengying Yan
• Lin Yang
• Zhenyuan Sun
• Shanjun Wei

抄録

暖地性芝草であるマニラグラス（Zoysia matrella）は、通常、晩秋には低温のために枯れて褐色化するが、このような寒冷ストレスに対する反応の分子機構を明らかにするため、低温ストレスに対するマニラグラスの反応を明らかにするために、低温ストレスに対するマニラグラスの反応を解析した。寒冷ストレスに対するマニライネ科植物の応答に関する分子機構を解明するために、4℃で0（CK）、2h（2h_CT）、72h（72h_CT）に曝露した葉のトランスクリプトームシークエンシングをIllumina技術を用いて行った。約2億5千万個のペアエンドリードが得られ、82,605個のウニゲンにde novoで組み立てられた。その配列を公開タンパク質データベースと比較することで、合計34,879個のunigeneがアノテーションされた。2時間後および72時間後の時点で、それぞれ324個および5,851個の異なる発現を示す遺伝子（DEG）が同定された。DEGの遺伝子オントロジー(GO)と代謝経路(KEGG)を解析した結果、寒冷期初期にはオーキシン、ジベレリン、エチレン、カルシウムが寒冷シグナル伝達に関与していることが明らかになった。また、低温期後期には、電子輸送活性、光合成機械・活性、炭水化物・窒素代謝、酸化還元平衡、ホルモン代謝が障害されることが明らかになった。低温ストレスは高光、干ばつ、酸化ストレスの引き金となった。生理レベルでは、低温ストレスは水分量の減少、総可溶性糖、遊離プロリン、MDAのレベルの増加、生理活性ジベレリンのレベルの変化を誘導し、遺伝子発現の変化を支持した。これらの結果は、マニラ草の大量の配列データを提供するとともに、寒冷ストレスに応答する分子機構を明らかにした。この情報は、今後の分子育種や芝管理の研究に役立つだろう。

Manila grass (Zoysia matrella), a warm-season turfgrass, usually wilts and browns by late autumn because of low temperature. To elucidate the molecular mechanisms regarding Manila grass responses to cold stress, we performed transcriptome sequencing of leaves exposed to 4°C for 0 (CK), 2h (2h_CT) and 72h (72h_CT) by Illumina technology. Approximately 250 million paired-end reads were obtained and de novo assembled into 82,605 unigenes. A total of 34,879 unigenes were annotated by comparing their sequence to public protein databases. At the 2h- and 72h-cold time points, 324 and 5,851 differentially expressed genes (DEGs) were identified, respectively. Gene ontology (GO) and metabolism pathway (KEGG) enrichment analyses of DEGs indicated that auxin, gibberellins, ethylene and calcium took part in the cold signal transduction in the early period. And in the late cold period, electron transport activities, photosynthetic machinery and activity, carbohydrate and nitrogen metabolism, redox equilibrium and hormone metabolism were disturbed. Low temperature stress triggered high light, drought and oxidative stress. At the physiological level, cold stress induced a decrease in water content, an increase in levels of total soluble sugar, free proline and MDA, and changes in bioactive gibberellins levels, which supported the changes in gene expression. The results provided a large set of sequence data of Manila grass as well as molecular mechanisms of the grass in response to cold stress. This information will be helpful for future study of molecular breeding and turf management.