Published February 10, 2020 | Version v1
Publication Open

Comparative transcriptome analysis of inbred lines and contrasting hybrids reveals overdominance mediate early biomass vigor in hybrid cotton

Creators

  • 1. Cotton Research Institute
  • 2. Chinese Academy of Agricultural Sciences
  • 3. Ministry of Agriculture and Rural Affairs

Description

Heterosis breeding is the most useful method for yield increase around the globe. Heterosis is an intriguing process to develop superior offspring to either parent in the desired character. The biomass vigor produced during seedling emergence stage has a direct influence on yield heterosis in plants. Unfortunately, the genetic basis of early biomass vigor in cotton is poorly understood.Three stable performing F1 hybrids varying in yield heterosis named as high, medium and low hybrids with their inbred parents were used in this study. Phenotypically, these hybrids established noticeable biomass heterosis during the early stage of seedling growth in the field. Transcriptome analysis of root and leaf revealed that hybrids showed many differentially expressed genes (DEGs) relative to their parents, while the comparison of inbred parents showed limited number of DEGs indicating similarity in their genetic constitution. Further analysis indicated expression patterns of most DEGs were overdominant in both tissues of hybrids. According to GO results, functions of overdominance genes in leaf were enriched for chloroplast, membrane, and protein binding, whereas functions of overdominance genes in root were enriched for plasma membrane, extracellular region, and responses to stress. We found several genes of circadian rhythm pathway related to LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY) showed downregulated overdominant expressions in both tissues of hybrids. In addition to circadian rhythm, several leaf genes related to Aux/IAA regulation, and many root genes involved in peroxidase activity also showed overdominant expressions in hybrids. Twelve genes involved in circadian rhythm plant were selected to perform qRT-PCR analysis to confirm the accuracy of RNA-seq results.Through genome-wide comparative transcriptome analysis, we strongly predict that overdominance at gene expression level plays a pivotal role in early biomass vigor of hybrids. The combinational contribution of circadian rhythm and other metabolic process may control vigorous growth in hybrids. Our result provides an important foundation for dissecting molecular mechanisms of biomass vigor in hybrid cotton.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

إن التكاثر غير المتجانس هو الطريقة الأكثر فائدة لزيادة الغلة في جميع أنحاء العالم. التغاير هو عملية مثيرة للاهتمام لتطوير ذرية متفوقة لأي من الوالدين في الشخصية المرغوبة. إن نشاط الكتلة الحيوية الناتج أثناء مرحلة ظهور الشتلات له تأثير مباشر على تغاير الغلة في النباتات. لسوء الحظ، فإن الأساس الجيني لقوة الكتلة الحيوية المبكرة في القطن غير مفهوم بشكل جيد. تم استخدام ثلاثة هجينة مستقرة الأداء للفورمولا 1 متفاوتة في الغلة تسمى الهجينة العالية والمتوسطة والمنخفضة مع والديها الفطريين في هذه الدراسة. من الناحية الظاهرية، أنشأت هذه الهجينة تباينًا ملحوظًا في الكتلة الحيوية خلال المرحلة المبكرة من نمو الشتلات في هذا المجال. كشف تحليل Transcriptome للجذر والأوراق أن الهجينة أظهرت العديد من الجينات المعبر عنها بشكل تفاضلي (DEGs) بالنسبة لوالديهم، في حين أظهرت مقارنة الوالدين الفطريين عددًا محدودًا من DEGs مما يشير إلى التشابه في تركيبهم الجيني. أشار مزيد من التحليل إلى أن أنماط التعبير لمعظم DEGs كانت سائدة في كلا أنسجة الهجينة. وفقًا لنتائج GO، تم إثراء وظائف جينات الهيمنة المفرطة في الأوراق من أجل ربط البلاستيدات الخضراء والغشاء والبروتين، في حين تم إثراء وظائف جينات الهيمنة المفرطة في الجذر من أجل غشاء البلازما والمنطقة خارج الخلية والاستجابات للإجهاد. وجدنا أن العديد من جينات مسار الإيقاع اليومي المتعلقة بنقص هيبوكوتيل الممدود المتأخر (LHY) أظهرت تعبيرات مفرطة التنظيم في كلا أنسجة الهجينة. بالإضافة إلى الإيقاع اليومي، أظهرت العديد من الجينات الورقية المتعلقة بتنظيم Aux/IAA، والعديد من الجينات الجذرية المشاركة في نشاط البيروكسيديز أيضًا تعبيرات مفرطة في الهجينة. تم اختيار اثني عشر جينًا مشاركًا في نبات الإيقاع اليومي لإجراء تحليل qRT - PCR لتأكيد دقة نتائج تسلسل الحمض النووي الريبي. من خلال تحليل النسخ المقارن على مستوى الجينوم، نتوقع بشدة أن الهيمنة المفرطة على مستوى التعبير الجيني تلعب دورًا محوريًا في نشاط الكتلة الحيوية المبكر للهجين. قد تتحكم المساهمة التوافقية للإيقاع اليومي وعملية الأيض الأخرى في النمو القوي في الهجينة. توفر نتيجتنا أساسًا مهمًا لتشريح الآليات الجزيئية لنشاط الكتلة الحيوية في القطن الهجين.

Translated Description (French)

L'élevage par hétérosis est la méthode la plus utile pour augmenter le rendement dans le monde entier. L'hétérosis est un processus intrigant pour développer une progéniture supérieure à l'un ou l'autre des parents dans le caractère désiré. La vigueur de la biomasse produite au stade de l'émergence des semis a une influence directe sur l'hétérosis du rendement chez les plantes. Malheureusement, la base génétique de la vigueur précoce de la biomasse dans le coton est mal comprise. Trois hybrides F1 stables et performants, présentant une hétérosis de rendement variable, appelés hybrides élevés, moyens et faibles avec leurs parents consanguins, ont été utilisés dans cette étude. Phénotypiquement, ces hybrides ont établi une hétérosis de biomasse notable au début de la croissance des semis sur le terrain. L'analyse du transcriptome des racines et des feuilles a révélé que les hybrides montraient de nombreux gènes exprimés différemment (DEG) par rapport à leurs parents, tandis que la comparaison des parents consanguins montrait un nombre limité de DEG indiquant une similitude dans leur constitution génétique. Une analyse plus approfondie a indiqué que les modèles d'expression de la plupart des DEG étaient trop dominants dans les deux tissus des hybrides. Selon les résultats de GO, les fonctions des gènes de surdominance dans les feuilles ont été enrichies pour la liaison des chloroplastes, des membranes et des protéines, tandis que les fonctions des gènes de surdominance dans les racines ont été enrichies pour la membrane plasmique, la région extracellulaire et les réponses au stress. Nous avons trouvé que plusieurs gènes de la voie du rythme circadien liés à L'HYPOCOTYLE ALLONGÉ TARDIF (LHY) présentaient des expressions surdominantes régulées à la baisse dans les deux tissus des hybrides. En plus du rythme circadien, plusieurs gènes foliaires liés à la régulation de l'Aux/IAA et de nombreux gènes racines impliqués dans l'activité de la peroxydase ont également montré des expressions surdominantes chez les hybrides. Douze gènes impliqués dans la plante du rythme circadien ont été sélectionnés pour effectuer une analyse qRT-PCR afin de confirmer l'exactitude des résultats de l'ARN-seq. Grâce à l'analyse comparative du transcriptome à l'échelle du génome, nous prédisons fortement que la surdominance au niveau de l'expression génique joue un rôle central dans la vigueur précoce de la biomasse des hybrides. La contribution combinatoire du rythme circadien et d'autres processus métaboliques peut contrôler une croissance vigoureuse chez les hybrides. Notre résultat fournit une base importante pour disséquer les mécanismes moléculaires de la vigueur de la biomasse dans le coton hybride.

Translated Description (Spanish)

La reproducción de la heterosis es el método más útil para aumentar el rendimiento en todo el mundo. La heterosis es un proceso intrigante para desarrollar una descendencia superior a cualquiera de los padres en el carácter deseado. El vigor de la biomasa producido durante la etapa de emergencia de las plántulas tiene una influencia directa en la heterosis del rendimiento en las plantas. Desafortunadamente, la base genética del vigor temprano de la biomasa en el algodón es poco conocida. En este estudio se utilizaron tres híbridos F1 estables que varían en heterosis de rendimiento denominados híbridos altos, medios y bajos con sus progenitores endogámicos. Fenotípicamente, estos híbridos establecieron una heterosis de biomasa notable durante la etapa temprana del crecimiento de las plántulas en el campo. El análisis del transcriptoma de la raíz y la hoja reveló que los híbridos mostraban muchos genes expresados diferencialmente (DEG) en relación con sus progenitores, mientras que la comparación de progenitores endogámicos mostró un número limitado de DEG, lo que indica similitud en su constitución genética. Un análisis adicional indicó que los patrones de expresión de la mayoría de los DEG eran sobredominantes en ambos tejidos de los híbridos. De acuerdo con los resultados de GO, las funciones de los genes de sobredominancia en la hoja se enriquecieron para la unión a cloroplastos, membranas y proteínas, mientras que las funciones de los genes de sobredominancia en la raíz se enriquecieron para la membrana plasmática, la región extracelular y las respuestas al estrés. Encontramos que varios genes de la vía del ritmo circadiano relacionados con el HIPOCOTILO ALARGADO TARDÍO (LHY) mostraron expresiones sobredominantes reguladas a la baja en ambos tejidos de los híbridos. Además del ritmo circadiano, varios genes de la hoja relacionados con la regulación Aux/IAA y muchos genes de la raíz implicados en la actividad de la peroxidasa también mostraron expresiones sobredominantes en los híbridos. Se seleccionaron doce genes involucrados en la planta del ritmo circadiano para realizar un análisis de qRT-PCR para confirmar la precisión de los resultados de RNA-seq. A través del análisis comparativo del transcriptoma de todo el genoma, predecimos firmemente que la sobredominancia a nivel de expresión génica juega un papel fundamental en el vigor temprano de la biomasa de los híbridos. La contribución combinatoria del ritmo circadiano y otros procesos metabólicos puede controlar el crecimiento vigoroso en los híbridos. Nuestro resultado proporciona una base importante para diseccionar los mecanismos moleculares del vigor de la biomasa en el algodón híbrido.

Files

s12864-020-6561-9.pdf

Files (2.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:5ddb41e7e57d61ca337ee691a9ee54c1
2.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يكشف تحليل النسخ المقارن للخطوط الفطرية والهجينة المتناقضة عن الهيمنة المفرطة التي تتوسط نشاط الكتلة الحيوية المبكر في القطن الهجين
Translated title (French)
L'analyse comparative du transcriptome des lignées consanguines et des hybrides contrastés révèle que la surdominance induit une vigueur précoce de la biomasse dans le coton hybride
Translated title (Spanish)
El análisis comparativo del transcriptoma de líneas endogámicas e híbridos contrastantes revela que la sobredominancia media el vigor temprano de la biomasa en el algodón híbrido

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3008462487
DOI
10.1186/s12864-020-6561-9

Is supplement to
https://openalex.org/W4301430898 (Other)
https://openalex.org/W4244512048 (Other)
https://openalex.org/W413821277 (Other)
https://openalex.org/W2240988059 (Other)
https://openalex.org/W2100953967 (Other)
https://openalex.org/W2022002429 (Other)
https://openalex.org/W1977306016 (Other)
https://openalex.org/W1975124817 (Other)
https://openalex.org/W1542986936 (Other)
https://openalex.org/W1532471828 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1662807310
  • https://openalex.org/W1957895380
  • https://openalex.org/W1965440489
  • https://openalex.org/W1974165335
  • https://openalex.org/W1974759912
  • https://openalex.org/W1983527255
  • https://openalex.org/W1985495513
  • https://openalex.org/W1999902625
  • https://openalex.org/W2006851284
  • https://openalex.org/W2007897769
  • https://openalex.org/W2010143225
  • https://openalex.org/W2019521031
  • https://openalex.org/W2020265469
  • https://openalex.org/W2024292738
  • https://openalex.org/W2027847170
  • https://openalex.org/W2031352580
  • https://openalex.org/W2033611197
  • https://openalex.org/W2036913140
  • https://openalex.org/W2040196073
  • https://openalex.org/W2040528706
  • https://openalex.org/W2041867355
  • https://openalex.org/W2058607405
  • https://openalex.org/W2059198799
  • https://openalex.org/W2059746610
  • https://openalex.org/W2063799895
  • https://openalex.org/W2071721817
  • https://openalex.org/W2072210367
  • https://openalex.org/W2079057650
  • https://openalex.org/W2086661487
  • https://openalex.org/W2088055608
  • https://openalex.org/W2088273462
  • https://openalex.org/W2093776734
  • https://openalex.org/W2096074318
  • https://openalex.org/W2102278945
  • https://openalex.org/W2103682702
  • https://openalex.org/W2104005232
  • https://openalex.org/W2114788494
  • https://openalex.org/W2116421717
  • https://openalex.org/W2124442596
  • https://openalex.org/W2125543322
  • https://openalex.org/W2130854614
  • https://openalex.org/W2136949764
  • https://openalex.org/W2147577043
  • https://openalex.org/W2147948709
  • https://openalex.org/W2149282267
  • https://openalex.org/W2153574607
  • https://openalex.org/W2154604856
  • https://openalex.org/W2166930407
  • https://openalex.org/W2167682467
  • https://openalex.org/W2168804352
  • https://openalex.org/W2189194177
  • https://openalex.org/W2195724570
  • https://openalex.org/W2229570808
  • https://openalex.org/W2252034791
  • https://openalex.org/W2317646682
  • https://openalex.org/W2332058279
  • https://openalex.org/W2464920026
  • https://openalex.org/W2481924638
  • https://openalex.org/W2620086246
  • https://openalex.org/W2623017648
  • https://openalex.org/W2746087227
  • https://openalex.org/W2791786997
  • https://openalex.org/W2803564369
  • https://openalex.org/W2896148622
  • https://openalex.org/W2905425867
  • https://openalex.org/W2918573139
  • https://openalex.org/W2952136079
  • https://openalex.org/W4244576109