Published May 13, 2024 | Version v1
Publication Open

Effect of cold stress on photosynthetic physiological characteristics and molecular mechanism analysis in cold-resistant cotton (ZM36) seedlings

Creators

  • 1. Shihezi University
  • 2. Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science
  • 3. Cotton Research Institute
  • 4. Chinese Academy of Agricultural Sciences

Description

Low temperature and cold damage seriously hinder the growth, development, and morphogenesis of cotton seedlings. However, the response mechanism of cotton seedlings under cold stress still lacks research. In this study, transcriptome sequencing, gas exchange parameters, and rapid chlorophyll fluorescence parameters were analyzed in leaves of cold-tolerant upland cotton variety "ZM36" under different temperature stress [25°C (T25, CK), 15°C (T15), 10°C (T10), and 4°C (T4)]. The results showed that the net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr), PSII potential maximum photochemical efficiency (Fv/Fm), and performance index (PIabs) of cotton leaves significantly decreased, and the intercellular CO 2 concentration (Ci) and Fo/Fm significantly increased under cold stress. The transcriptome sequencing analysis showed that a total of 13,183 DEGs were involved in the response of cotton seedlings at each temperature point (T25, T15, T10, and T4), mainly involving five metabolic pathways—the phosphatidylinositol signaling system, photosynthesis, photosynthesis antenna protein, carbon fixation in photosynthetic organisms, and carotenoid synthesis. The 1,119 transcription factors were discovered among all the DEGs. These transcription factors involve 59 families, of which 15.8% of genes in the NAC family are upregulated. Through network regulatory analysis, the five candidate genes GhUVR8 ( GH_A05G3668 ), GhPLATZ ( GH_A09G2161 ), GhFAD4-1 ( GH_A01G0758 ), GhNFYA1 ( GH_A02G1336 ), and GhFAD4-2 ( GH_D01G0766 ) were identified in response to cold stress. Furthermore, suppressing the expression level of GhPLATZ by virus-induced gene silencing led to the reduction of low temperature resistance, implying GhPLATZ as a positive regulator of low temperature tolerance. The findings of the study revealed a piece of the complex response mechanism of the cold-tolerant variety "ZM36" to different cold stresses and excavated key candidate genes for low temperature response, which provided support for accelerating the selection and breeding of cotton varieties with low temperature tolerance.

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

Translated Description (Arabic)

إن انخفاض درجة الحرارة وتلف البرد يعوقان بشكل خطير نمو شتلات القطن وتطورها وتكوينها. ومع ذلك، لا تزال آلية استجابة شتلات القطن تحت ضغط البرد تفتقر إلى البحث. في هذه الدراسة، تم تحليل تسلسل النسخ، ومعلمات تبادل الغاز، ومعلمات فلورة الكلوروفيل السريعة في أوراق صنف القطن المرتفع المتسامح مع البرد "ZM36" تحت ضغط درجة حرارة مختلفة [25 درجة مئوية (T25، CK)، 15 درجة مئوية (T15)، 10 درجة مئوية (T10)، و 4 درجة مئوية (T4)]. أظهرت النتائج أن صافي معدل التمثيل الضوئي (Pn)، والتوصيل الفموي (Gs)، ومعدل النتح (Tr)، والكفاءة الكيميائية الضوئية القصوى المحتملة لـ PSII (Fv/Fm)، ومؤشر الأداء (PIabs) لأوراق القطن انخفضت بشكل كبير، وزاد تركيز ثاني أكسيد الكربون بين الخلايا (Ci) و Fo/Fm بشكل كبير تحت الضغط البارد. أظهر تحليل تسلسل النسخ أن ما مجموعه 13183 DEGs شاركت في استجابة شتلات القطن عند كل نقطة درجة حرارة (T25 و T15 و T10 و T4)، والتي تنطوي بشكل رئيسي على خمسة مسارات أيضية - نظام إشارات الفوسفاتيديلينوزيتول، التمثيل الضوئي، بروتين هوائي التمثيل الضوئي، تثبيت الكربون في الكائنات الحية الضوئية، وتوليف الكاروتينويد. تم اكتشاف عوامل النسخ البالغ عددها 1119 عاملًا بين جميع DEGs. تشمل عوامل النسخ هذه 59 عائلة، منها 15.8 ٪ من الجينات في عائلة NAC يتم إعادة تنظيمها. من خلال التحليل التنظيمي للشبكة، تم تحديد الجينات الخمسة المرشحة GhUVR8 ( GH_A05G3668) و GhPLATZ ( GH_A09G2161) و GhFAD4 -1 ( GH_A01G0758) و GhNFYA1 (GH_A02G1336) و GhFAD4 -2 ( GH_D01G0766) استجابة للإجهاد البارد. علاوة على ذلك، أدى قمع مستوى تعبير GhPLATZ عن طريق إسكات الجينات الناجم عن الفيروس إلى تقليل مقاومة درجات الحرارة المنخفضة، مما يعني أن GhPLATZ كمنظم إيجابي لتحمل درجات الحرارة المنخفضة. كشفت نتائج الدراسة عن جزء من آلية الاستجابة المعقدة للصنف المتسامح مع البرد "ZM36" لضغوط البرد المختلفة والجينات المرشحة الرئيسية المستخرجة للاستجابة لدرجات الحرارة المنخفضة، والتي قدمت الدعم لتسريع اختيار وتربية أصناف القطن مع تحمل درجات الحرارة المنخفضة.

Translated Description (French)

Les dommages causés par les basses températures et le froid entravent gravement la croissance, le développement et la morphogenèse des plants de coton. Cependant, le mécanisme de réponse des plants de coton soumis à un stress dû au froid manque encore de recherche. Dans cette étude, le séquençage du transcriptome, les paramètres d'échange gazeux et les paramètres de fluorescence rapide de la chlorophylle ont été analysés dans les feuilles de la variété de coton des hautes terres tolérante au froid « ZM36 » sous différentes contraintes de température [25 °C (T25, CK), 15 °C (T15), 10 °C (T10) et 4 °C (T4)]. Les résultats ont montré que le taux net de photosynthèse (Pn), la conductance stomatique (Gs), le taux de transpiration (Tr), l'efficacité photochimique maximale potentielle PSII (Fv/Fm) et l'indice de performance (PIabs) des feuilles de coton ont diminué de manière significative, et la concentration intercellulaire de CO 2 (Ci) et Fo/Fm ont augmenté de manière significative sous contrainte de froid. L'analyse du séquençage du transcriptome a montré qu'un total de 13 183 DEG étaient impliqués dans la réponse des semis de coton à chaque point de température (T25, T15, T10 et T4), impliquant principalement cinq voies métaboliques : le système de signalisation du phosphatidylinositol, la photosynthèse, la protéine d'antenne de photosynthèse, la fixation du carbone dans les organismes photosynthétiques et la synthèse des caroténoïdes. Les 1119 facteurs de transcription ont été découverts parmi tous les DEG. Ces facteurs de transcription concernent 59 familles, dont 15,8 % des gènes de la famille NAC sont régulés à la hausse. Grâce à l'analyse réglementaire du réseau, les cinq gènes candidats GhUVR8 ( GH_A05G3668), GhPLATZ ( GH_A09G2161), GhFAD4-1 ( GH_A01G0758 ), GhNFYA1 ( GH_A02G1336 ) et GhFAD4-2 ( GH_D01G0766) ont été identifiés en réponse au stress dû au froid. En outre, la suppression du niveau d'expression de GhPLATZ par silençage génique induit par un virus a conduit à la réduction de la résistance aux basses températures, ce qui implique que GhPLATZ est un régulateur positif de la tolérance aux basses températures. Les résultats de l'étude ont révélé une partie du mécanisme de réponse complexe de la variété tolérante au froid « ZM36 » à différentes contraintes de froid et ont excavé des gènes candidats clés pour la réponse à basse température, ce qui a permis d'accélérer la sélection et la sélection de variétés de coton tolérantes à basse température.

Translated Description (Spanish)

Las bajas temperaturas y el daño por frío dificultan seriamente el crecimiento, el desarrollo y la morfogénesis de las plántulas de algodón. Sin embargo, el mecanismo de respuesta de las plántulas de algodón bajo estrés por frío aún carece de investigación. En este estudio, la secuenciación del transcriptoma, los parámetros de intercambio de gases y los parámetros de fluorescencia rápida de la clorofila se analizaron en hojas de algodón de tierras altas tolerante al frío variedad "ZM36" bajo diferentes tensiones de temperatura [25 ° C (T25, CK), 15 ° C (T15), 10 ° C (T10) y 4 ° C (T4)]. Los resultados mostraron que la tasa fotosintética neta (Pn), la conductancia estomática (Gs), la tasa de transpiración (Tr), la eficiencia fotoquímica máxima potencial PSII (Fv/Fm) y el índice de rendimiento (PIabs) de las hojas de algodón disminuyeron significativamente, y la concentración intercelular de CO 2 (Ci) y Fo/Fm aumentaron significativamente bajo estrés por frío. El análisis de secuenciación del transcriptoma mostró que un total de 13.183 DEG estaban involucrados en la respuesta de las plántulas de algodón en cada punto de temperatura (T25, T15, T10 y T4), involucrando principalmente cinco vías metabólicas: el sistema de señalización de fosfatidilinositol, la fotosíntesis, la proteína antena de fotosíntesis, la fijación de carbono en organismos fotosintéticos y la síntesis de carotenoides. Los 1.119 factores de transcripción se descubrieron entre todos los DEG. Estos factores de transcripción involucran a 59 familias, de las cuales el 15.8% de los genes en la familia NAC están regulados al alza. A través del análisis regulador de la red, se identificaron los cinco genes candidatos GhUVR8 ( GH_A05G3668), GhPLATZ ( GH_A09G2161), GhFAD4-1 ( GH_A01G0758), GhNFYA1 ( GH_A02G1336) y GhFAD4-2 ( GH_D01G0766) en respuesta al estrés por frío. Además, la supresión del nivel de expresión de GhPLATZ mediante el silenciamiento génico inducido por virus condujo a la reducción de la resistencia a bajas temperaturas, lo que implica que GhPLATZ es un regulador positivo de la tolerancia a bajas temperaturas. Los hallazgos del estudio revelaron una parte del complejo mecanismo de respuesta de la variedad tolerante al frío "ZM36" a diferentes tensiones por frío y excavaron genes candidatos clave para la respuesta a bajas temperaturas, lo que brindó apoyo para acelerar la selección y el mejoramiento de variedades de algodón con tolerancia a bajas temperaturas.

Files

pdf.pdf

Files (4.4 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
md5:658d4903ad5d7646d8fbd6c2f741dae4
4.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تأثير الإجهاد البارد على الخصائص الفسيولوجية لعملية التمثيل الضوئي وتحليل الآلية الجزيئية في شتلات القطن المقاوم للبرد (ZM36)
Translated title (French)
Effet du stress dû au froid sur les caractéristiques physiologiques photosynthétiques et l'analyse des mécanismes moléculaires chez les plants de coton résistant au froid (ZM36)
Translated title (Spanish)
Efecto del estrés por frío sobre las características fisiológicas fotosintéticas y el análisis del mecanismo molecular en plántulas de algodón resistente al frío (ZM36)

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396869732
DOI
10.3389/fpls.2024.1396666

Is supplement to
https://openalex.org/W4377824216 (Other)
https://openalex.org/W4296143438 (Other)
https://openalex.org/W2912513382 (Other)
https://openalex.org/W2392536866 (Other)
https://openalex.org/W2387848715 (Other)
https://openalex.org/W2383245701 (Other)
https://openalex.org/W2364966917 (Other)
https://openalex.org/W2361961802 (Other)
https://openalex.org/W2359974943 (Other)
https://openalex.org/W2358143932 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1673783778
  • https://openalex.org/W1774532335
  • https://openalex.org/W1981509058
  • https://openalex.org/W2034145933
  • https://openalex.org/W2043650771
  • https://openalex.org/W2047369776
  • https://openalex.org/W2067660931
  • https://openalex.org/W2093969932
  • https://openalex.org/W2100951456
  • https://openalex.org/W2102709156
  • https://openalex.org/W2107277218
  • https://openalex.org/W2119034410
  • https://openalex.org/W2126610272
  • https://openalex.org/W2127550929
  • https://openalex.org/W2137981728
  • https://openalex.org/W2141389812
  • https://openalex.org/W2141458291
  • https://openalex.org/W2159675211
  • https://openalex.org/W2168023061
  • https://openalex.org/W2603724499
  • https://openalex.org/W2777164039
  • https://openalex.org/W2884720647
  • https://openalex.org/W2887135430
  • https://openalex.org/W2921474111
  • https://openalex.org/W2937907798
  • https://openalex.org/W2974693624
  • https://openalex.org/W2980890942
  • https://openalex.org/W3011858270
  • https://openalex.org/W3014337081
  • https://openalex.org/W3027010186
  • https://openalex.org/W3028797170
  • https://openalex.org/W3042289759
  • https://openalex.org/W3042994725
  • https://openalex.org/W3082779583
  • https://openalex.org/W3098159926
  • https://openalex.org/W3110524780
  • https://openalex.org/W3128320077
  • https://openalex.org/W3182233683
  • https://openalex.org/W3200772444
  • https://openalex.org/W3213751771
  • https://openalex.org/W3216400781
  • https://openalex.org/W4206123324
  • https://openalex.org/W4212925387
  • https://openalex.org/W4213070314
  • https://openalex.org/W4283318832
  • https://openalex.org/W4285726540
  • https://openalex.org/W4320481245
  • https://openalex.org/W4379958574
  • https://openalex.org/W4388089307