干湿交替诱导水稻根表铁膜形成的基因表达谱分析

【目的】干湿交替(AWD)是水稻种植过程中最重要的管理方式,能够提高水稻根系活力、增强抗逆性。研究发现,AWD能明显促进水稻根表铁膜的形成。然而,AWD诱导水稻根表铁膜形成的基因表达谱尚未见报道。【方法】采用砂培试验,研究了长期淹水(CK)、干湿交替(AWD)、长期淹水加Fe2+(CK+Fe)和干湿交替加Fe2+(AWD+Fe)四个处理下水稻根系基因的差异表达谱。【结果】AWD处理与CK处理相比,水稻根系有506个差异表达基因(DEG)上调表达,有687个DEG下调表达;AWD+Fe处理与CK+Fe处理相比,有308个DEG上调表达和179个DEG下调表达;CK+Fe处理与CK处理相比,有728个DEG上调表达和1175个DEG下调表达;AWD+Fe处理与AWD处理相比,有1252个DEG上调表达和1189个DEG下调表达。维恩图分析发现,共计有3822个DEG参与了AWD诱导水稻根表铁膜形成过程。基因功能(GO)分析表明,在生物过程中共有270个DEG参与了氧化还原反应过程,分子功能中共有165个DEG与氧化还原酶功能有关。生物通路富集分析(KEGG)结果表明,细胞器类、信号刺激类、光合作用类、生物合成类和代谢类等生物通路参与了AWD诱导水稻根表铁膜的形成过程。AWD和根表铁膜形成过程发现有38个共享DEG,这些基因的蛋白注释与水稻抗病性、抗旱性、细胞壁和细胞膜、氧化还原、蛋白激酶和转运、新陈代谢过程有关。与CK处理相比,AWD处理诱导了氧化还原反应过程相关的基因达102个,占总DEG数的8.25%。AWD处理促进了水稻根系过氧化物酶、脂肪酸氧化酶和乙醇酸氧化酶等相关基因的上调表达。与CK处理相比,AWD处理提高了水稻根系活力和根表铁膜数量,分别为22.9%和45.7%。实时荧光定量PCR验证结果与转录组分析结果基本一致,其相关系数达到0.90。【结论】综上所述,AWD明显诱导了氧化还原反应过程中的相关基因大量表达,增加了根系氧化力,促进根表铁膜的形成;过氧化物酶、脂肪酸氧化酶和乙醇酸氧化酶等相关的基因可能是AWD诱导水稻根表铁膜形成的重要基因。