Comparative transcriptome analysis between inbred and hybrids reveals molecular insights into yield heterosis of upland cotton
Creators
- 1. Cotton Research Institute
- 2. Chinese Academy of Agricultural Sciences
- 3. Jinhua Academy of Agricultural Sciences
Description
Abstract Background Utilization of heterosis has greatly improved the productivity of many crops worldwide. Understanding the potential molecular mechanism about how hybridization produces superior yield in upland cotton is critical for efficient breeding programs. Results In this study, high, medium, and low hybrids varying in the level of yield heterosis were screened based on field experimentation of different years and locations. Phenotypically, high hybrid produced a mean of 14% more seed cotton yield than its better parent. Whole-genome RNA sequencing of these hybrids and their four inbred parents was performed using different tissues of the squaring stage. Comparative transcriptomic differences in each hybrid parent triad revealed a higher percentage of differentially expressed genes (DEGs) in each tissue. Expression level dominance analysis identified majority of hybrids DEGs were biased towards parent like expressions. An array of DEGs involved in ATP and protein binding, membrane, cell wall, mitochondrion, and protein phosphorylation had more functional annotations in hybrids. Sugar metabolic and plant hormone signal transduction pathways were most enriched in each hybrid. Further, these two pathways had most mapped DEGs on known seed cotton yield QTLs. Integration of transcriptome, QTLs, and gene co-expression network analysis discovered genes Gh_A03G1024, Gh_D08G1440, Gh_A08G2210, Gh_A12G2183, Gh_D07G1312, Gh_D08G1467, Gh_A03G0889, Gh_A08G2199, and Gh_D05G0202 displayed a complex regulatory network of many interconnected genes. qRT-PCR of these DEGs was performed to ensure the accuracy of RNA-Seq data. Conclusions Through genome-wide comparative transcriptome analysis, the current study identified nine key genes and pathways associated with biological process of yield heterosis in upland cotton. Our results and data resources provide novel insights and will be useful for dissecting the molecular mechanism of yield heterosis in cotton
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
خلفية مجردة أدى استخدام التغاير إلى تحسن كبير في إنتاجية العديد من المحاصيل في جميع أنحاء العالم. إن فهم الآلية الجزيئية المحتملة حول كيفية إنتاج التهجين لعائدات فائقة في القطن المرتفع أمر بالغ الأهمية لبرامج التربية الفعالة. النتائج في هذه الدراسة، تم فحص الهجينة العالية والمتوسطة والمنخفضة التي تختلف في مستوى الغلة غير المتجانسة بناءً على التجارب الميدانية لسنوات ومواقع مختلفة. من الناحية الظاهرية، أنتج الهجين المرتفع متوسطًا يبلغ 14 ٪ من محصول القطن من البذور أكثر من أصله الأفضل. تم إجراء تسلسل الحمض النووي الريبي كامل الجينوم لهذه الهجينة ووالديهم الأصليين الأربعة باستخدام أنسجة مختلفة من مرحلة التربيع. كشفت الاختلافات النصية المقارنة في كل ثالوث أصلي هجين عن نسبة أعلى من الجينات المعبر عنها بشكل تفاضلي (DEGs) في كل نسيج. حدد تحليل هيمنة مستوى التعبير أن غالبية DEGs الهجينة كانت متحيزة تجاه التعبيرات الشبيهة بالوالدين. تحتوي مجموعة من DEGs المشاركة في ATP وربط البروتين والغشاء وجدار الخلية والميتوكوندريون وفسفرة البروتين على تعليقات توضيحية أكثر وظيفية في الهجينة. كانت مسارات نقل إشارة التمثيل الغذائي للسكر وهرمون النبات أكثر إثراءً في كل هجين. علاوة على ذلك، كان لهذين المسارين معظم DEGs المعينة على محصول قطن البذور المعروف QTLs. اكتشف تكامل النسخ، و QTLs، وتحليل شبكة التعبير المشترك للجينات Gh_A03G1024، و Gh_D08G1440، و Gh_A08G2210، و Gh_A12G2183، و Gh_D07G1312، و Gh_D08G1467، و Gh_A03G0889، و Gh_A08G2199، و Gh_D05G0202 شبكة تنظيمية معقدة من العديد من الجينات المترابطة. تم إجراء qRT - PCR لهذه DEGs لضمان دقة بيانات RNA - Seq. الاستنتاجات من خلال تحليل النسخ المقارن على مستوى الجينوم، حددت الدراسة الحالية تسعة جينات ومسارات رئيسية مرتبطة بالعملية البيولوجية لتغاير الغلة في القطن المرتفع. توفر نتائجنا وموارد البيانات لدينا رؤى جديدة وستكون مفيدة لتشريح الآلية الجزيئية لتغاير الغلة في القطنTranslated Description (French)
Résumé Contexte L'utilisation de l'hétérosis a considérablement amélioré la productivité de nombreuses cultures dans le monde. Comprendre le mécanisme moléculaire potentiel sur la façon dont l'hybridation produit un rendement supérieur dans le coton des hautes terres est essentiel pour des programmes de sélection efficaces. Résultats Dans cette étude, des hybrides hauts, moyens et bas variant dans le niveau d'hétérosis de rendement ont été criblés sur la base d'expérimentations sur le terrain de différentes années et lieux. Phénotypiquement, l'hybride élevé a produit en moyenne 14 % de rendement en coton-graine de plus que son meilleur parent. Le séquençage de l'ARN du génome entier de ces hybrides et de leurs quatre parents consanguins a été effectué en utilisant différents tissus du stade carré. Des différences transcriptomiques comparatives dans chaque triade parentale hybride ont révélé un pourcentage plus élevé de gènes exprimés différemment (DEG) dans chaque tissu. L'analyse de la dominance du niveau d'expression a identifié que la majorité des DEG hybrides étaient biaisés en faveur d'expressions parentales. Un éventail de DEG impliqués dans la liaison de l'ATP et des protéines, la membrane, la paroi cellulaire, la mitochondrie et la phosphorylation des protéines présentaient des annotations plus fonctionnelles chez les hybrides. Les voies de transduction du signal métabolique du sucre et des hormones végétales étaient les plus enrichies dans chaque hybride. De plus, ces deux voies avaient le plus cartographié les DEG sur les QTL de rendement en coton à graines connus. L'intégration du transcriptome, des QTL et de l'analyse du réseau de co-expression génique a révélé que les gènes Gh_A03G1024, Gh_D08G1440, Gh_A08G2210, Gh_A12G2183, Gh_D07G1312, Gh_D08G1467, Gh_A03G0889, Gh_A08G2199 et Gh_D05G0202 présentaient un réseau réglementaire complexe de nombreux gènes interconnectés. La qRT-PCR de ces DEG a été réalisée pour assurer l'exactitude des données ARN-Seq. Conclusions Grâce à l'analyse comparative du transcriptome à l'échelle du génome, la présente étude a identifié neuf gènes et voies clés associés au processus biologique d'hétérosis de rendement dans le coton des hautes terres. Nos résultats et nos ressources de données fournissent de nouvelles informations et seront utiles pour disséquer le mécanisme moléculaire de l'hétérosis de rendement dans le cotonTranslated Description (Spanish)
Resumen Antecedentes La utilización de la heterosis ha mejorado en gran medida la productividad de muchos cultivos en todo el mundo. Comprender el mecanismo molecular potencial sobre cómo la hibridación produce un rendimiento superior en el algodón de tierras altas es fundamental para los programas de mejoramiento eficientes. Resultados En este estudio, se analizaron híbridos altos, medios y bajos que variaban en el nivel de heterosis de rendimiento en función de la experimentación de campo de diferentes años y ubicaciones. Fenotípicamente, el híbrido alto produjo una media de 14% más de rendimiento de semilla de algodón que su mejor progenitor. La secuenciación del ARN del genoma completo de estos híbridos y sus cuatro progenitores consanguíneos se realizó utilizando diferentes tejidos de la etapa de cuadratura. Las diferencias transcriptómicas comparativas en cada tríada parental híbrida revelaron un mayor porcentaje de genes expresados diferencialmente (DEG) en cada tejido. El análisis de dominancia del nivel de expresión identificó que la mayoría de los DEG híbridos estaban sesgados hacia expresiones similares a las de los padres. Una serie de DEG involucradas en la unión de ATP y proteínas, la membrana, la pared celular, las mitocondrias y la fosforilación de proteínas tenían anotaciones más funcionales en los híbridos. Las vías metabólicas del azúcar y de transducción de señales de hormonas vegetales fueron las más enriquecidas en cada híbrido. Además, estas dos vías tenían la mayoría de los DEG mapeados en los QTL de rendimiento de algodón de semilla conocidos. La integración del transcriptoma, los QTL y el análisis de la red de coexpresión génica descubrió que los genes Gh_A03G1024, Gh_D08G1440, Gh_A08G2210, Gh_A12G2183, Gh_D07G1312, Gh_D08G1467, Gh_A03G0889, Gh_A08G2199 y Gh_D05G0202 mostraron una compleja red reguladora de muchos genes interconectados. Se realizó una qRT-PCR de estos DEG para garantizar la precisión de los datos de ARN-Seq. Conclusiones A través del análisis comparativo del transcriptoma de todo el genoma, el estudio actual identificó nueve genes y vías clave asociados con el proceso biológico de heterosis de rendimiento en el algodón de tierras altas. Nuestros resultados y recursos de datos proporcionan información novedosa y serán útiles para diseccionar el mecanismo molecular de la heterosis de rendimiento en el algodónFiles
s12870-020-02442-z.pdf
Files
(4.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:453ccb7d3f098570374e7f58e219f502
|
4.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يكشف تحليل النسخ المقارن بين الفطريات والهجينة عن رؤى جزيئية حول تغاير محصول القطن المرتفع
- Translated title (French)
- L'analyse comparative du transcriptome entre consanguins et hybrides révèle des informations moléculaires sur l'hétérosis du rendement du coton des hautes terres
- Translated title (Spanish)
- El análisis comparativo del transcriptoma entre endogámicos e híbridos revela conocimientos moleculares sobre la heterosis de rendimiento del algodón de tierras altas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4233871150
- DOI
- 10.21203/rs.2.24472/v2