Published October 7, 2019
| Version v1
Publication
Open
Transcriptome analysis and identification of genes associated with fruiting branch internode elongation in upland cotton
Creators
- 1. Hebei Agricultural University
- 2. Cotton Research Institute
- 3. Chinese Academy of Agricultural Sciences
Description
Appropriate plant architecture can improve the amount of cotton boll opening and allow increased planting density, thus increasing the level of cotton mechanical harvesting and cotton yields. The internodes of cotton fruiting branches are an important part of cotton plant architecture. Thus, studying the molecular mechanism of internode elongation in cotton fruiting branches is highly important.In this study, we selected internodes of cotton fruiting branches at three different stages from two cultivars whose internode lengths differed significantly. A total of 76,331 genes were detected by transcriptome sequencing. By KEGG pathway analysis, we found that DEGs were significantly enriched in the plant hormone signal transduction pathway. The transcriptional data and qRT-PCR results showed that members of the GH3 gene family, which are involved in auxin signal transduction, and CKX enzymes, which can reduce the level of CKs, were highly expressed in the cultivar XLZ77, which has relatively short internodes. Genes related to ethylene synthase (ACS), EIN2/3 and ERF in the ethylene signal transduction pathway and genes related to JAR1, COI1 and MYC2 in the JA signal transduction pathway were also highly expressed in XLZ77. Plant hormone determination results showed that the IAA and CK contents significantly decreased in cultivar XLZ77 compared with those in cultivar L28, while the ACC (the precursor of ethylene) and JA contents significantly increased. GO enrichment analysis revealed that the GO categories associated with promoting cell elongation, such as cell division, the cell cycle process and cell wall organization, were significantly enriched, and related genes were highly expressed in L28. However, genes related to the sphingolipid metabolic process and lignin biosynthetic process, whose expression can affect cell elongation, were highly expressed in XLZ77. In addition, 2067 TFs were differentially expressed. The WRKY, ERF and bHLH TF families were the top three largest families whose members were active in the two varieties, and the expression levels of most of the genes encoding these TFs were upregulated in XLZ77.Auxin and CK are positive regulators of internode elongation in cotton branches. In contrast, ethylene and JA may act as negative regulators of internode elongation in cotton branches. Furthermore, the WRKY, ERF and bHLH TFs were identified as important inhibitors of internode elongation in cotton. In XLZ77(a short-internode variety), the mass synthesis of ethylene and amino acid conjugation of auxin led to the inhibition of plant cell elongation, while an increase in JA content and degradation of CKs led to a slow rate of cell division, which eventually resulted in a phenotype that presented relatively short internodes on the fruiting branches. The results of this study not only provide gene resources for the genetic improvement of cotton plant architecture but also lay a foundation for improved understanding of the molecular mechanism of the internode elongation of cotton branches.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يمكن أن تعمل بنية النبات المناسبة على تحسين كمية فتحة لفافة القطن والسماح بزيادة كثافة الزراعة، وبالتالي زيادة مستوى الحصاد الميكانيكي للقطن ومحاصيل القطن. تعد الفروع الداخلية لفروع ثمار القطن جزءًا مهمًا من بنية نبات القطن. وبالتالي، فإن دراسة الآلية الجزيئية لاستطالة العقدة الداخلية في فروع ثمار القطن مهمة للغاية. في هذه الدراسة، اخترنا العقد الداخلية لفروع ثمار القطن على ثلاث مراحل مختلفة من صنفين اختلفت أطوالهما الداخلية بشكل كبير. تم اكتشاف ما مجموعه 76331 جينًا عن طريق تسلسل النسخ. من خلال تحليل مسار KEGG، وجدنا أن DEGs كانت غنية بشكل كبير في مسار نقل إشارة هرمونات النبات. أظهرت بيانات النسخ ونتائج qRT - PCR أن أعضاء عائلة جينات GH3، التي تشارك في نقل إشارة الأوكسين، وإنزيمات CKX، التي يمكن أن تقلل من مستوى CKs، تم التعبير عنها بشكل كبير في الصنف XLZ77، الذي يحتوي على عقد داخلية قصيرة نسبيًا. كما تم التعبير عن الجينات المتعلقة بسينثاز الإيثيلين (ACS) و EIN2/3 و ERF في مسار نقل إشارة الإيثيلين والجينات المتعلقة بـ JAR1 و COI1 و MYC2 في مسار نقل إشارة JA بشكل كبير في XLZ77. أظهرت نتائج تحديد هرمونات النبات أن محتويات كلوريد الكالسيوم والألياف الزجاجية انخفضت بشكل كبير في الصنف XLZ77 مقارنة بتلك الموجودة في الصنف L28، في حين زادت محتويات القشرة الحزامية الأمامية (سلائف الإيثيلين) وجا زيادة كبيرة. كشف تحليل إثراء GO أن فئات GO المرتبطة بتعزيز استطالة الخلايا، مثل انقسام الخلايا وعملية دورة الخلية وتنظيم جدار الخلية، كانت غنية بشكل كبير، وتم التعبير عن الجينات ذات الصلة بشكل كبير في L28. ومع ذلك، تم التعبير عن الجينات المتعلقة بعملية التمثيل الغذائي السفينغوليبيدية وعملية التخليق الحيوي اللجنين، والتي يمكن أن يؤثر تعبيرها على استطالة الخلايا، بشكل كبير في XLZ77. بالإضافة إلى ذلك، تم التعبير عن 2067 TFs بشكل مختلف. كانت عائلات WRKY و ERF و BHLH TF هي أكبر ثلاث عائلات كان أفرادها نشطين في الصنفين، وتم إعادة تنظيم مستويات التعبير لمعظم الجينات التي ترمز إلى TFs هذه في XLZ77.Auxin و CK هي منظمات إيجابية لاستطالة العقدة الداخلية في فروع القطن. على النقيض من ذلك، قد يعمل الإيثيلين وجا كمنظمين سلبيين لاستطالة العقدة الداخلية في فروع القطن. علاوة على ذلك، تم تحديد WRKY و ERF و BHLH TFs كمثبطات مهمة لاستطالة العقدة الداخلية في القطن. في XLZ77(مجموعة متنوعة من الخلايا البينية القصيرة)، أدى التوليف الكتلي للإيثيلين واقتران الأحماض الأمينية للأوكسين إلى تثبيط استطالة الخلايا النباتية، في حين أدت الزيادة في محتوى JA وتدهور CKs إلى معدل بطيء لانقسام الخلايا، مما أدى في النهاية إلى نمط ظاهري قدم عقدًا داخلية قصيرة نسبيًا على الفروع المثمرة. لا توفر نتائج هذه الدراسة الموارد الجينية للتحسين الجيني لهندسة نبات القطن فحسب، بل تضع أيضًا أساسًا لفهم أفضل للآلية الجزيئية لاستطالة العقدة الداخلية لفروع القطن.Translated Description (French)
Une architecture végétale appropriée peut améliorer la quantité d'ouverture des boules de coton et permettre une densité de plantation accrue, augmentant ainsi le niveau de récolte mécanique du coton et les rendements du coton. Les entre-nœuds des branches de coton fructifères sont une partie importante de l'architecture de la plante de coton. Ainsi, l'étude du mécanisme moléculaire de l'élongation entre-noeuds dans les branches de fructification du coton est très importante.Dans cette étude, nous avons sélectionné des entre-noeuds de branches de fructification du coton à trois stades différents à partir de deux cultivars dont les longueurs entre-noeuds différaient significativement. Au total, 76 331 gènes ont été détectés par séquençage du transcriptome. Par analyse de la voie KEGG, nous avons constaté que les DEG étaient significativement enrichis dans la voie de transduction du signal hormonal des plantes. Les données transcriptionnelles et les résultats de la qRT-PCR ont montré que les membres de la famille des gènes GH3, qui sont impliqués dans la transduction du signal des auxines, et les enzymes CKX, qui peuvent réduire le niveau de CK, étaient fortement exprimés dans le cultivar XLZ77, qui a des entre-nœuds relativement courts. Les gènes liés à l'éthylène synthase (ACS), EIN2/3 et ERF dans la voie de transduction du signal de l'éthylène et les gènes liés à JAR1, COI1 et MYC2 dans la voie de transduction du signal JA ont également été fortement exprimés dans XLZ77. Les résultats de la détermination des hormones végétales ont montré que les teneurs en IAA et en CK diminuaient significativement dans le cultivar XLZ77 par rapport à celles du cultivar L28, tandis que les teneurs en ACC (précurseur de l'éthylène) et en JA augmentaient significativement. L'analyse de l'enrichissement en GO a révélé que les catégories de GO associées à la promotion de l'élongation cellulaire, telles que la division cellulaire, le processus du cycle cellulaire et l'organisation de la paroi cellulaire, étaient considérablement enrichies et que les gènes associés étaient fortement exprimés dans L28. Cependant, les gènes liés au processus métabolique des sphingolipides et au processus de biosynthèse de la lignine, dont l'expression peut affecter l'élongation cellulaire, ont été fortement exprimés dans XLZ77. En outre, 2067 TF ont été exprimés de manière différentielle. Les familles WRKY, ERF et bHLH TF étaient les trois plus grandes familles dont les membres étaient actifs dans les deux variétés, et les niveaux d'expression de la plupart des gènes codant pour ces TF étaient régulés à la hausse dans XLZ77.Auxin et CK sont des régulateurs positifs de l'élongation entre les nœuds dans les branches de coton. En revanche, l'éthylène et le JA peuvent agir comme régulateurs négatifs de l'allongement entre les nœuds dans les branches de coton. De plus, les TF WRKY, ERF et bHLH ont été identifiés comme des inhibiteurs importants de l'allongement entre les nœuds dans le coton. Dans XLZ77(une variété à inter-nœuds courts), la synthèse de masse de l'éthylène et la conjugaison d'acides aminés de l'auxine ont conduit à l'inhibition de l'élongation des cellules végétales, tandis qu'une augmentation de la teneur en JA et la dégradation des CK ont conduit à un taux lent de division cellulaire, ce qui a finalement abouti à un phénotype présentant des entre-nœuds relativement courts sur les branches fructifères. Les résultats de cette étude fournissent non seulement des ressources génétiques pour l'amélioration génétique de l'architecture de la plante de coton, mais jettent également les bases d'une meilleure compréhension du mécanisme moléculaire de l'allongement entre les nœuds des branches de coton.Translated Description (Spanish)
La arquitectura adecuada de la planta puede mejorar la cantidad de apertura de la cápsula de algodón y permitir una mayor densidad de siembra, aumentando así el nivel de cosecha mecánica del algodón y los rendimientos del algodón. Los entrenudos de las ramas de fructificación del algodón son una parte importante de la arquitectura de las plantas de algodón. Por lo tanto, es muy importante estudiar el mecanismo molecular del alargamiento de los entrenudos en las ramas de fructificación del algodón. En este estudio, seleccionamos entrenudos de ramas de fructificación del algodón en tres etapas diferentes de dos cultivares cuyas longitudes de entrenudos diferían significativamente. Se detectaron un total de 76 331 genes mediante secuenciación del transcriptoma. Mediante el análisis de la vía KEGG, descubrimos que los DEG se enriquecieron significativamente en la vía de transducción de señales de hormonas vegetales. Los datos transcripcionales y los resultados de qRT-PCR mostraron que los miembros de la familia de genes GH3, que participan en la transducción de señales de auxina, y las enzimas CKX, que pueden reducir el nivel de CK, se expresaron altamente en el cultivar XLZ77, que tiene entrenudos relativamente cortos. Los genes relacionados con la etileno sintasa (ACS), EIN2/3 y ERF en la vía de transducción de señales de etileno y los genes relacionados con JAR1, COI1 y MYC2 en la vía de transducción de señales JA también se expresaron altamente en XLZ77. Los resultados de la determinación de hormonas vegetales mostraron que los contenidos de IAA y CK disminuyeron significativamente en el cultivar XLZ77 en comparación con los del cultivar L28, mientras que los contenidos de ACC (el precursor de etileno) y JA aumentaron significativamente. El análisis de enriquecimiento de GO reveló que las categorías de GO asociadas con la promoción de la elongación celular, como la división celular, el proceso del ciclo celular y la organización de la pared celular, se enriquecieron significativamente, y los genes relacionados se expresaron en gran medida en L28. Sin embargo, los genes relacionados con el proceso metabólico de los esfingolípidos y el proceso biosintético de la lignina, cuya expresión puede afectar la elongación celular, se expresaron en gran medida en XLZ77. Además, 2067 TF se expresaron diferencialmente. Las familias WRKY, ERF y bHLH TF fueron las tres familias más grandes cuyos miembros fueron activos en las dos variedades, y los niveles de expresión de la mayoría de los genes que codifican estos TF se regularon positivamente en XLZ77.Auxin y CK son reguladores positivos del alargamiento de los entrenudos en las ramas de algodón. Por el contrario, el etileno y el JA pueden actuar como reguladores negativos del alargamiento de los entrenudos en las ramas de algodón. Además, los TF WRKY, ERF y bHLH se identificaron como inhibidores importantes del alargamiento de los entrenudos en el algodón. En XLZ77(una variedad de nodo corto), la síntesis masiva de etileno y la conjugación de aminoácidos de auxina condujo a la inhibición del alargamiento de las células vegetales, mientras que un aumento en el contenido de JA y la degradación de CK condujo a una lenta tasa de división celular, lo que finalmente resultó en un fenotipo que presentó entrenudos relativamente cortos en las ramas fructíferas. Los resultados de este estudio no solo proporcionan recursos genéticos para la mejora genética de la arquitectura de las plantas de algodón, sino que también sientan las bases para una mejor comprensión del mecanismo molecular de la elongación entre nodos de las ramas de algodón.Files
s12870-019-2011-8.pdf
Files
(21.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b44ab111758dffcc4a3716cdd00fda96
|
21.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحليل Transcriptome وتحديد الجينات المرتبطة باستطالة العقدة الداخلية لفرع الاثمار في القطن المرتفع
- Translated title (French)
- Analyse du transcriptome et identification des gènes associés à l'élongation des entre-nœuds des branches fructifères dans le coton des hautes terres
- Translated title (Spanish)
- Análisis del transcriptoma e identificación de genes asociados con el alargamiento de los entrenudos de la rama fructífera en algodón de tierras altas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2978306200
- DOI
- 10.1186/s12870-019-2011-8
References
- https://openalex.org/W1523470191
- https://openalex.org/W1894937981
- https://openalex.org/W1964141018
- https://openalex.org/W1965969525
- https://openalex.org/W1973453874
- https://openalex.org/W1981546231
- https://openalex.org/W1983472634
- https://openalex.org/W1984294208
- https://openalex.org/W2009442106
- https://openalex.org/W2014524285
- https://openalex.org/W2018051749
- https://openalex.org/W2022581087
- https://openalex.org/W2024692287
- https://openalex.org/W2043675186
- https://openalex.org/W2045012683
- https://openalex.org/W2046740535
- https://openalex.org/W2049843344
- https://openalex.org/W2052498510
- https://openalex.org/W2061248551
- https://openalex.org/W2062351978
- https://openalex.org/W2066314680
- https://openalex.org/W2067399394
- https://openalex.org/W2071237660
- https://openalex.org/W2073262140
- https://openalex.org/W2077669712
- https://openalex.org/W2077958790
- https://openalex.org/W2083942739
- https://openalex.org/W2084271013
- https://openalex.org/W2086186081
- https://openalex.org/W2089831198
- https://openalex.org/W2093776734
- https://openalex.org/W2094477559
- https://openalex.org/W2095053401
- https://openalex.org/W2100405050
- https://openalex.org/W2100435459
- https://openalex.org/W2107277218
- https://openalex.org/W2118610735
- https://openalex.org/W2121360165
- https://openalex.org/W2122651958
- https://openalex.org/W2136136435
- https://openalex.org/W2137329388
- https://openalex.org/W2138920781
- https://openalex.org/W2140346055
- https://openalex.org/W2140899738
- https://openalex.org/W2141116784
- https://openalex.org/W2141314326
- https://openalex.org/W2150900054
- https://openalex.org/W2154721008
- https://openalex.org/W2154882486
- https://openalex.org/W2158018108
- https://openalex.org/W2161038427
- https://openalex.org/W2163410456
- https://openalex.org/W2165295937
- https://openalex.org/W2166262992
- https://openalex.org/W2170495296
- https://openalex.org/W2177977558
- https://openalex.org/W2191580557
- https://openalex.org/W2192080449
- https://openalex.org/W2192296837
- https://openalex.org/W2340402204
- https://openalex.org/W2396581225
- https://openalex.org/W2522980642
- https://openalex.org/W2617729996
- https://openalex.org/W2626228793
- https://openalex.org/W2790088749
- https://openalex.org/W2791878475
- https://openalex.org/W3139650240
- https://openalex.org/W4255599676