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

葉片生長對輕度干旱的反應(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)對植物生長和作物產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，對于在非致死性干旱條件下如何調(diào)節(jié)生長缺乏明確的理解。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，我們在世界范圍內(nèi)收集的擬南芥材料中對輕度干旱的葉片生長反應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)篩選。通過對不同的葉片生長表型進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)作圖和對發(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反應(yīng)的遺傳結(jié)構(gòu)。雖然沒有發(fā)現(xiàn)與輕度干旱中的生長相關(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。對表達(dá)數(shù)據(jù)的全基因組關(guān)聯(lián)研究表明，在對環(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)中葉片生長相關(guān)表型的分布

使用自動(dòng)表型分析平臺(tái)WIWAMxy，通過測量預(yù)計(jì)的蓮座面積 (PRA) 來確定總體生長反應(yīng)。通過具體量化第三片出現(xiàn)的葉子的不同生長相關(guān)表型，可以獲得關(guān)于生長反應(yīng)的更詳細(xì)視圖（圖1）。成熟時(shí)，在對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減少與對照條件下的相應(yīng)大小的相關(guān)性對于蓮座面積不顯著，但對于第三葉面積顯著。這表明大型植物不一定對輕度干旱脅迫更敏感。一般來說，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，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，沒有一個(gè)屬于具有10%最高路面細(xì)胞數(shù)量的類別（圖2）。在10%最大或大多數(shù)路面細(xì)胞類別的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）。由于與成千上萬個(gè)基因的基因表達(dá)相關(guān)而產(chǎn)生的多重測試問題被忽略。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。

總的來說，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)（對照和輕度干旱合在一起）。清晰的對角線帶可見（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.與治療無關(guān)表達(dá)相關(guān)的SNP位置直方圖