干巴菌不同发育阶段的比较转录组初步分析

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干巴菌(Thelephora ganbajun Zang)多生长于云南地区,作为一种食用菌,具有较高的价值,由于巨大的市场需求和人类活动对干巴菌生境的破坏,导致干巴菌的产量逐年下降。现有的研究多集中于干巴菌的形态结构、成分分析、分类地位、生态效应等方面,对于干巴菌基因组和转录组方面的研究甚少。干巴菌子实体分化形成过程较为复杂,目前尚未实现人工栽培,且相关的分子机理研究还很缺乏。子实体的分化发育以及成形成熟在遗传层面,受到多种基因的介导和调控。因此,以时空为界,深入了解干巴菌不同发育阶段的差异基因表达情况,有利于探究与干巴菌子实体生成有关的功能基因,以期从分子层面,深入了解干巴菌子实体分化发育的机制。本研究对干巴菌三个生长发育阶段的样品:即菌丝体、原基、子实体阶段进行了转录组测序,并以课题组原先已经得到的干巴菌菌丝体基因组数据为参考基因组(通过Nanopore测序平台对干巴菌菌株进行基因组测序,测序数据显示,干巴菌菌株基因组全长为38.98Mb,GC含量为50.77%,测序深度为180.56X,测序数据质控良好,可以作为后期转录组生信分析的有效参考基因组),研究干巴菌三个生长发育时期(菌丝体、原基、子实体)样品间的差异表达基因,并通过GO数据库、KOG数据库对差异表达基因进行功能注释及KEGG通路富集分析。取得了以下主要结果:1、为研究干巴菌三个生长发育阶段,即营养生长阶段(菌丝体)和生殖生长阶段(原基、子实体)差异基因的表达情况,本研究对干巴菌三个不同发育时期的样品进行有参转录组测序(参考基因组为课题组前期获得的干巴菌菌株基因组),获得转录组数据,研究了干巴菌不同生长发育时期样本间的差异基因的表达水平变化。2、对差异表达基因进行了GO功能注释、KOG功能注释和KEGG Pathway富集分析。为简化表示,此处:G46表示干巴菌菌丝体时期、Y表示干巴菌原基时期、Z表示干巴菌子实体时期。GO功能注释分析结果显示:在干巴菌菌丝体向原基转变阶段(G46 vs Y)和干巴菌菌丝体向子实体转变阶段(G46 vs Z),差异表达基因高度富集在碳水化合物代谢途径和膜组分功能,为干巴菌的原基和子实体的生长发育提供能量并维持生长发育过程中的内环境稳态;在干巴菌原基向子实体转变阶段(Y vs Z),差异表达基因主要富集在细胞内的核糖核蛋白复合体,表明原基期细胞代谢旺盛,使得原基能够生长和繁殖,从而生成子实体。KOG功能注释分析结果显示:在干巴菌菌丝体向原基转变阶段(G46 vs Y)和干巴菌菌丝体向子实体转变阶段(G46 vs Z),差异表达基因主要富集在信号转导机制,说明干巴菌从菌丝体形态向原基和子实体形态转变可能需要某些信号通路的启动,诱发干巴菌成形;在干巴菌原基向子实体转变阶段(Y vs Z),差异表达基因主要富集在翻译后修饰功能,此功能对于真菌的形态建成具有促进作用,此阶段被高度富集可能暗示该功能有利于干巴菌子实体的成形。3、干巴菌作为一种外生菌根真菌与松树共生,在实验室纯培养条件下,干巴菌菌丝体(营养生长)无法向原基和子实体(生殖生长)阶段跨越,根据KEGG通路富集分析,MAPK信号通路中的MAPK-Pheromone通路对于干巴菌菌丝体向原基子实体的形态转变具有重要作用,而该通路中高表达的Cdc42蛋白,是一种真菌发育过程必需的、被广泛表达的蛋白质;高表达的Ptp2,3、Msg5蛋白,参与细胞的信号转导,调节细胞的生长、分化,促进菌丝体向原基子实体形态转变。由于干巴菌无法脱离植物宿主发育成原基子实体,我们推断MAPK信号通路可能是由植物宿主松树诱发干巴菌菌丝体开启的,从而推动了干巴菌从菌丝体向原基子实体形态转变。以往对于干巴菌的研究多集中于干巴菌菌丝体培养基的优化、干巴菌营养物质提取工艺的优化、干巴菌的原生境促繁。本课题创新点在于以课题组获得的干巴菌三代基因组数据为参考信息,对干巴菌三个生长阶段:菌丝体、原基、子实体样品进行转录组测序,对转录组数据进行有参转录组分析。揭示干巴菌从菌丝体(营养生长)向原基子实体(生殖生长)发生的分子机制。通过转录组测序,探究干巴菌不同生长发育阶段的差异基因表达情况及其功能,有利于从基因层面,指导和调控子实体的发育,并以此为基础为其他珍稀野生食用菌的人工培养和促繁提供了一定的理论指导;其次,已有的外生菌根发育的模型未必适用于所有外生菌根组合,因此,从干巴菌这一外生菌根真菌入手,依托于转录组测序的手段,从基因层面,研究干巴菌与松树的共生机制,可以丰富外生菌根共生体的研究模型,对进一步认识外生菌根共生和效应机制具有重要意义。
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