Leaf Growth Response to Mild Drought: Natural Variation in Arabidopsis Sheds Light on Trait Architecture

葉片生長(zhǎng)對(duì)輕度干旱的反應(yīng)：擬南芥的自然變異揭示了性狀結(jié)構(gòu)

水分供應(yīng)減少會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，對(duì)于在非致死性干旱條件下如何調(diào)節(jié)生長(zhǎng)缺乏明確的理解。基因組學(xué)、表型組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的最新進(jìn)展允許深入分析自然變異。在這項(xiàng)研究中，我們?cè)谑澜绶秶鷥?nèi)收集的擬南芥材料中對(duì)輕度干旱的葉片生長(zhǎng)反應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)篩選。通過(guò)對(duì)不同的葉片生長(zhǎng)表型進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)作圖和對(duì)發(fā)育中的幼葉轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行表征，研究了輕度干旱條件下生長(zhǎng)反應(yīng)的遺傳結(jié)構(gòu)。雖然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與輕度干旱中的生長(zhǎng)相關(guān)的主要效應(yīng)位點(diǎn)，但轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步深入了解了特定組織中對(duì)輕度干旱的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的自然變異。共表達(dá)分析表明，在不同的遺傳背景下，存在共同變化的基因簇，其中包括在滲透脅迫的生長(zhǎng)反應(yīng)中具有重要調(diào)節(jié)功能的基因簇。研究發(fā)現(xiàn)，基于283個(gè)基因的表達(dá)譜，可以高精度地推斷出不同材料葉片中輕度干旱脅迫反應(yīng)的發(fā)生。對(duì)表達(dá)數(shù)據(jù)的全基因組關(guān)聯(lián)研究表明，在對(duì)環(huán)境干擾的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)中，反式調(diào)節(jié)似乎比順式調(diào)節(jié)更重要。

圖1.98個(gè)擬南芥種質(zhì)中葉片生長(zhǎng)相關(guān)表型的分布

使用自動(dòng)表型分析平臺(tái)WIWAMxy，通過(guò)測(cè)量預(yù)計(jì)的蓮座面積 (PRA) 來(lái)確定總體生長(zhǎng)反應(yīng)。通過(guò)具體量化第三片出現(xiàn)的葉子的不同生長(zhǎng)相關(guān)表型，可以獲得關(guān)于生長(zhǎng)反應(yīng)的更詳細(xì)視圖（圖1）。成熟時(shí)，在對(duì)照條件下蓮座和第三葉面積在最小和最大種質(zhì)之間顯示出幾乎4倍的差異（圖1A和1B）。由輕度干旱脅迫引起的葉片和蓮座面積的減少在不同種質(zhì)之間存在很大差異（圖1A 和1B）。成熟時(shí)的蓮座和第三葉面積在對(duì)照和輕度干旱條件中相關(guān)性良好。平均而言在輕度干旱下種植的植物的蓮座面積比在對(duì)照條件下種植的小62%；第三葉面積的平均減少量相似。輕度干旱脅迫下的相對(duì)減少與對(duì)照條件下的相應(yīng)大小的相關(guān)性對(duì)于蓮座面積不顯著，但對(duì)于第三葉面積顯著。這表明大型植物不一定對(duì)輕度干旱脅迫更敏感。一般來(lái)說(shuō)，在控制條件下較大的材料在輕度干旱脅迫下仍然較大。花環(huán)面積之間的顯著正相關(guān)表明了這一點(diǎn)和在對(duì)照和輕度干旱脅迫條件下成熟時(shí)第三葉面積之間。

圖2. 與成熟時(shí)第三葉面積相關(guān)的路面單元面積和路面單元數(shù)量

為了量化98個(gè)種質(zhì)中細(xì)胞參數(shù)與最終葉片大小之間的關(guān)系，計(jì)算了Pearson相關(guān)性。路面細(xì)胞面積和數(shù)量分別顯示出與最終葉面積的中等但顯著相關(guān)性。然而，將這兩個(gè)細(xì)胞性狀結(jié)合起來(lái)，解釋了最終葉面積變異的72%。路面細(xì)胞面積與路面細(xì)胞數(shù)量之間存在負(fù)相關(guān)，這是中等但顯著的（圖 2)。在分析細(xì)胞數(shù)、細(xì)胞面積和最終葉面積之間的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)具有10%最大路面細(xì)胞的材料中，沒(méi)有一個(gè)屬于具有10%最高路面細(xì)胞數(shù)量的類(lèi)別（圖2）。在10%最大或大多數(shù)路面細(xì)胞類(lèi)別的20份材料中，16份材料的葉大小大于平均值。其他葉片較大的材料具有中間的鋪面細(xì)胞數(shù)量和面積。這表明，這些材料使用了所有三種可能的策略來(lái)生產(chǎn)大葉子：要么是多個(gè)細(xì)胞，要么是大細(xì)胞，要么是中等數(shù)量的中等大小的細(xì)胞。

圖3.eGWAS結(jié)果概述

為了研究材料間和處理間表達(dá)差異的遺傳基礎(chǔ)，對(duì)轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用了多序列混合模型。為了獲得用于進(jìn)一步分析的高置信度集，去除了檢測(cè)到明顯模型膨脹的基因。這一嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)選擇產(chǎn)生了一組509個(gè)基因，其中SNPs被發(fā)現(xiàn)與不同材料的處理無(wú)關(guān)基因表達(dá)差異相關(guān)（圖3A），以及一組158個(gè)基因，其中SNPs與輕度干旱時(shí)的差異表達(dá)相關(guān)（圖3B）。由于與成千上萬(wàn)個(gè)基因的基因表達(dá)相關(guān)而產(chǎn)生的多重測(cè)試問(wèn)題被忽略。取而代之的是，每個(gè)基因都使用了10-7的可接受顯著性閾值，因?yàn)槲覀冴P(guān)注于每個(gè)基因的特定模式和關(guān)聯(lián)峰值的比較。

總的來(lái)說(shuō)，509個(gè)基因有一個(gè)或多個(gè)SNP，與非治療基因表達(dá)的變異相關(guān)（對(duì)照和輕度干旱合在一起）。清晰的對(duì)角線帶可見(jiàn)（圖3A），包含位于與其表達(dá)相關(guān)的基因附近的SNPs，表明順式調(diào)節(jié)SNPs。從與非治療性表達(dá)相關(guān)的SNPs的空間分布來(lái)看，我們觀察到轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游2 kb啟動(dòng)子區(qū)域的SNPs比例明顯增加。相關(guān)SNPs的最大密度位于1-kb上游區(qū)域，之后SNPs的比例迅速下降（圖4）。相關(guān)的SNPs也位于轉(zhuǎn)錄區(qū)。這些SNPs可能與上游致病性標(biāo)記存在連鎖不平衡，或者可能參與內(nèi)含子介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控。或者，內(nèi)含子序列的變化可能導(dǎo)致選擇性剪接的差異。在轉(zhuǎn)錄區(qū)下游，調(diào)節(jié)表達(dá)的SNPs數(shù)量迅速下降。

圖4.與治療無(wú)關(guān)表達(dá)相關(guān)的SNP位置直方圖