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文七爺
編輯七街酒舍
前言
在菸草中，可以利用雜種優勢獲得比親本尼古丁和鉀含量更高的菸草雜交種，由於尼古丁是在根系中合成的，菸根可能是尼古丁和鉀含量雜種優勢的基礎，直接影響菸葉的發育和品質。
因此，本研究初步揭示了菸草早期根系雜種優勢的表達，並對兩個具有強雜種優勢的雜種進行了轉錄組測序，以分析介導根系生長雜種優勢的差異表達基因《DEGs》、基因表達模式和生物學過程。
這些新發現可能有助於揭示菸草根系雜種優勢的生物學機制，並發現相關的候選基因。
這些發現對於指導高產優質菸草新種質資源的選擇也具有重要意義。
F1 雜種根數的雜種優勢
根據菸草根數雜種優勢篩選結果，12個F1雜種的根數均表現出較強的雜種優勢值，表明菸草F1雜種具有普遍的雜種優勢。
從這些F1雜種中選出兩個高優勢F 1雜種GJ《G70×九彩坪2號》和KJ《K326×九彩坪2號》進行進一步分析《它們的親本中值沒有顯著差異》。
在菸苗期，研究觀察到兩個雜交種的根系發育明顯好於其親本。
GJ的根系數為623個，G和J分別為515個和343個；KJ 中的根數為 878，而K和J分別有711和343。
結果表明，兩個雜種的平均根數均顯著高於其親本，雜種優勢分別為45.66%《GJ》和67.12%《KJ》。
根數雜種優勢的全局轉錄組分析
以雜種優勢強的兩個雜種GJ和KJ及其三個親本為測序材料，在Illumina Novaseq 6000平臺上構建並測序了15個cDNA文庫。
每個樣本在RNA-Seq中產生76-98百萬個幹凈讀數，然後用於進一步分析。
Clean reads被映射到K326基因組，大約95%的clean reads可以被映射到基因組。
在15個分析樣本中表達了總共 39,345 個基因。
其中，8.30%的基因呈極高表達《FPKM≥50》，64.19%和27.51%的基因分別為中等《1≤FPKM≤10》和高表達《10≤FPKM≤50》。
這些結果反映出在發育過程中雜種和親本之間的表達覆蓋度沒有顯著差異。
然而，根據親本和雜種的層次聚類分析和主成分分析，雙親緊密聚類，雜種可以清楚地分為兩種不同的表達情況。
這些結果表明，在根發育過程中親本和雜種之間的基因表達存在很大差異。
雜種根與其親本的轉錄組差異
在顯著性水平P≤0.05和|的情況 log2倍變化|≥ 1，研究確定了 G《母本》和 GJ《雜交》之間 1430 個基因上調和1697個基因下調，J《父本》和 GJ《雜交》之間2015個基因上調和1809 個基因下調，在中親和GJ雜種之間，1613個基因上調，1922個基因下調，G和GJ雜種之間，302個基因上調，291個基因下調。
研究確定了3082個基因在 K《母本》和KJ《雜交》之間上調和3007個基因下調，在J《父本》和KJ《雜交》之間有4118個基因上調和3810個基因下調，中間親本和KJ雜種之間有3683個上調基因和3874個下調基因，K和J之間有283個基因上調和342個基因下調。
這說明兩個強雜種優勢雜種的親本之間差異基因相對較少，而親本與雜種之間存在大量差異基因，這可能是根數雜種優勢的原因。
F1雜種表現出超顯性基因表達模式
為了進一步分析雜種和親本的DEG，將基因分為12種表達模式。
P1和P2模式的基因是加性的，P3-P6模式是顯性的，P7-P12模式是超顯性表達，其中P7-P9是下調超顯性，P10-P12是上調超顯性。
在超顯性基因中，GJ雜種的238、376和1564個基因表現出上調的超顯性表達模式，516、857和733個基因表現出下調的超顯性表達模式；KJ雜種中有373、1160和2750個基因表現出上調的超顯性表達模式和 1375、1995和772基因顯示下調的超顯性表達模式。
在這些非加性表達基因《P3-P12》中，GJ hybrid以超顯性《P7-P12》的表達模式比例最高《84.22%》，KJ hybrid以超顯性《P7-P12》的表達模式比例最高《90.25%》過度支配 (P7-P12)。
因此，研究結果表明，超顯性表達優勢是菸草根系雜種優勢形成的主要原因。
超顯性基因富集分析
對GJ和KJ雜種中的超顯性表達基因集進行基因本體論 (GO) 富集分析。
研究發現大多數超顯性基因都參與了『生物過程』《55.3-56.1%》。
在GJ雜種中，大多數在茉莉酸生物合成過程、核黃素代謝過程、核黃素生物合成過程、氨基聚糖代謝過程和茉莉酸代謝過程中顯著富集《補充文件 1，表 9；P < 0.05 》。
在KJ雜種中，超顯性基因顯著富集在含葡萄糖胺的復合分解代謝過程、幾丁質金屬過程、氨基糖分解代謝過程、幾丁質分解代謝過程和氨基聚糖分解代謝過程中。
根據GJ和KJ共超顯性表達基因的GO富集分析，大部分參與細胞分化、增殖、細胞生長等過程的基因顯著富集。
說明細胞分化增殖過程中基因的超顯性表達與根系雜種優勢的形成有關。
植物激素信號通路相關基因在根發育過程中的過度表達
結合功能分析，為了加強對菸草根系生長雜種優勢發育過程中激素信號傳導的理解，重點研究了與AUX、CTK、ABA、ET和SA 生物合成相關的激素信號轉導的超顯性基因。
在AUX信號轉導通路中，F1雜種《GJ和KJ》共有11個基因過表達，其中3個註釋到AUX1基因，5個註釋到GH3基因，3個註釋到AUX 反應基因SAUR。
在CTK 信號轉導通路中，一種受體組氨酸激酶《CRE1) 基因在 F1雜種《GJ和KJ》中負責表達。
一個基因被註釋為A型反應調節因子 ( A-ARR )，它在雜種中表現出上調的超顯性表達。
在ABA信號轉導通路中，發現9個基因在F1雜種中過表達，包括5個註釋蛋白磷酸酶《PP2C》和4個編碼亞雜交非發酵1相關蛋白激酶2《SnRK2》。
有趣的是，與PP2C相關的基因在兩個雜種中均表現出上調的超顯性表達，其中2個基因高表達《10≤FPKM ≤ 50》。
在ET信號轉導通路中，4個基因被註釋到ET受體感受器《ETR2)，一個註釋為EIN3，三個註釋為結合F-box蛋白1/2 ( EBF1/2 )，四個註釋為ET響應轉錄因子1/2( ERF1/2 )。
這些 ET 信號轉導通路結果表明，與ETR2、EIN3和EBF1/2相關的基因在兩個雜種中均被上調和過度表達。
對於SA信號轉導通路，共有11個基因在 F1雜種《GJ和KJ》中超顯性表達。
其中，1個基因被註釋為TGA轉錄調控因子，在雜種根中表現出下調的超顯性表達，7個基因被註釋為蛋白PR-1. 值得注意的是，這7個PR-1相關基因在雜種中不僅表現出超顯性表達模式，而且差異表達倍數高，表達量高《FPKM≥50》。
根系發育過程中細胞發育相關基因的過度表達
在兩個雜交種共同的超顯性表達基因中，細胞群促進、細胞分化、多細胞生長和初級分生組織發育等各種GO類別顯著豐富。
在細胞分化過程中，大部分基因表現出上調的超顯性表達，其中Nitab4.5_ 0002714g0010、Nitab4.5_ 0008353g0010、Nitab4.5_ 0002918g0030在雜種中表現出高表達。
在細胞群體促進和細胞群體促進過程中，3和5個基因在雜種中超顯性上調表達，說明細胞群體促進和細胞群體促進是根系雜種優勢的重要過程。
在初級分生組織發育過程中，這兩個基因在雜種中均表達下調。
總的來說，雜種在細胞群體促進、細胞分化和多細胞生長等方面發生了很多變化，這可能是根系雜種優勢形成的原因。
基因共表達網絡模塊的鑒定
對所有基因進行加權基因共表達網絡分析 (WGCNA)，以徹底表征與根數相關的基因的表達。
WGCNA 確定了10個生動的模塊《包括19338個基因》。
模塊分析表明，棕色模塊與雜種根數的雜種優勢之間存在顯著相關性。
『棕色』模塊中的基因主要與半胱氨酸生物過程、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性、乙烯結合等相關。
進一步分析棕色模塊中6個度>700的基因，Nitab4.5_0000119g0080基因為賴氨酸tRNA連接酶，Nitab4.5_ 0004384g0070、Nitab4.5_ 0011528g0020、Nitab4.5_ 0003282g0020基因是絲氨酸/蘇氨酸-/雙特異性蛋白激酶，Nitab4.5_ 0002818g0040基因是NAD依賴性急/脫水酶，Nitab4.5_ 0009232g0030基因是線粒體載體蛋白。
有趣的是，這些基因是上調的超顯性表達模式。
研究認為這些基因可能與根系雜種優勢的形成有關。
結論
在這項研究中，通過測量根的數量證明了雜種根系的普遍雜種優勢。
雜種及其親本的比較轉錄組分析表明，雜種優勢與整體基因表達模式有關。
GJ和KJ雜種與親本相比分別有5.08%和10.87%的DEGs；
這些差異基因中有84.22%和90.25%分別表現出超顯性表達模式。
通過對超顯性表達基因進行GO功能富集分析，發現『植物激素信號轉導』、『葉丙素生物合成』、『MAPK信號通路植物』、『淀粉和上元數據』通路與根系發育相關。
研究重點分析了 AUX、CTK、ABA、ET、和 SA 表明，這些激素信號轉導途徑的過度表達基因可能會增強雜種的根系發育。
雜種中細胞群體的促進、細胞分化和多細胞生長可能是根雜種優勢的原因。
此外，Nitab4.5_0011528g0020、Nitab4.5_0003282g0020、Nitab4.5_0004384g0070可能是參與根系生長的基因。
綜上所述，研究為菸草根系雜種優勢形成的相關機制提供了新的認識。
然而，需要進一步的基因功能研究來闡明菸草根系雜種優勢的發展。
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