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组学方法研究植物逆境生理机制

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发表于 2015-7-21 17:27:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 shushenji 于 2015-7-21 17:29 编辑

组学方法研究植物逆境生理机制


研究背景
逆境胁迫是限制植物正常生长和作物产量提高的重要因素,研究表明逆境胁迫会通过诱导某些抵御或防卫途径关键基因的表达来实现响应。通过组学方法来研究植物在逆境胁迫响应过程中的分子调控机制也成为了生物领域关注的热点。

实验设计
对两个不同品种的玉米植株B71和Lo954分别进行干旱胁迫实验,胁迫实验中这两种植株分别在授粉14天后进行干旱处理和正常处理。胁迫实验结束后分别采摘这两种植株不同处理下正在发育的玉米粒来进行iTRAQ实验。蛋白组学数据分析结果表明玉米植株B71和Lo954分别有70和36个蛋白在对照性胁迫实验中发生了显著性的差异表达。针对这些数据我们利用组学数据分析系统 OmicsBean(http://www.omicsbean.com:88/)来构建逆境下不同品种的分子响应调控模型。

研究内容
1.      差异蛋白Venn分析
使用OmicsBean的Venn筛选模块进行数据分析,从分析结果中可以看到干旱胁迫下有28个蛋白在玉米植株B71和Lo954中都发生了差异表达,只在植株B71中发生差异表达的蛋白42个,只在植株Lo954中发生差异表达的蛋白8个(图1.1)。为了研究这两个品种在同样的干旱胁迫下可能表现出的不同的分子响应调控机制,我们选择A组(即只在植株B71中差异表达)42个蛋白和B组(即只在植株Lo954植株中差异表达)8个蛋白分别进行功能富集分析,并将结果进行比较分析。

new_venn.PNG
                    图1.1  Venn分析

2.      差异表达蛋白GO富集分析
使用OmicsBean的富集分析模块对A组(即只在植株B71中差异表达)42个蛋白和B组(即只在植株Lo954植株中差异表达)8个蛋白分别进行Go富集分析(图2.1)。同时选择P-value值较低的前10个GoTerm进行分析比较。
植株B71中差异表达的42个蛋白参与的生物过程包括protein folding,response to abioticstimulus,NAD(P)H dehydrogenase complex assembly,response to high lightintensity,response to temperature stimulus,isocitrate metabolicprocess,response to light intensity,response to lightstimulus,response to heat,response to radiation(图2.2)。这些生物过程主要集中在蛋白的合成降解,对强光高温辐射等非生物刺激的应激反应和酶反应过程。这些都表明在干旱胁迫下B71植株的快速启动各种防御机制来做出强烈的生理响应。

new_B71_2.PNG
2.1 植株B71中差异表达的42个蛋白GO富集结果

BPbar2.png
2.2 植株B71中差异表达的42个蛋白参与的生物过程
  植株Lo9548个蛋白参与的生物过程包括 response to chemicalresponse to inorganicsubstanceresponse to stimulusglycolytic processresponse to organic substanceresponse to metal ionresponse to stressresponse to transitionmetal nanoparticlepyruvate metabolic process(2.2)。这些生物过程与干旱胁迫下植株的生理应激过程相关性很小,这也表明在干旱胁迫下Lo954保持比较稳定的生理状态,并没有做出强烈的防御反应。
new_Lo954_2.PNG
2.2 植株Lo954中差异表达的8个蛋白参与的生物过程

3.     植株B71中差异表达蛋白的PPI 网络模型构建
植株B71中差异表达蛋白的Go富集分析表明干旱胁迫下B71植株的快速启动各种防御机制来做出强烈的生理响应。使用OmicsBean的模型构建功能对植株B71中差异表达蛋白进行PPI 网络模型构建(如图3.1)。
ppi_network.PNG

图3.1 PPI 网络模型构建

选择P-value值最小的前10个生物过程进行PPI网络互作模型构建,从构建的模型中可以看出protein folding这个生物过程比较显著,而该过程与蛋白的合成相关,这表明对于干旱胁迫首先影响的是植株B37的酶反应系统。模型中还可以看出与干旱胁迫应激反应相关的基因的表达都出现了上调,其中基因HSP23.5和基因HSP25.3处于调控网络的中心,是关键的调控基因。HSP23.5和HSP25.3都属于热应答基因,是热胁迫反应的标志性基因。

研究结论  
  干旱胁迫下玉米植株B71Lo954分别表现出不同的应激反应。植株B71快速的做出防御调控,并且主要的生物过程为protein foldingHSP23.5HSP25.3基因为重要调控基因。而植株Lo954对于干旱胁迫表现比较稳定并没有做出强烈的应激调控。
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