Comprehensive Transcriptome and Proteome Analyses Reveal the Drought Responsive Gene Network in Potato Roots
- 1. Gansu Agricultural University
- 2. Council for Scientific and Industrial Research
Description
The root system plays a decisive role in the growth and development of plants. The water requirement of a root system depends strongly on the plant species. Potatoes are an important food and vegetable crop grown worldwide, especially under irrigation in arid and semi-arid regions. However, the expected impact of global warming on potato yields calls for an investigation of genes related to root development and drought resistance signaling pathways in potatoes. In this study, we investigated the molecular mechanisms of different drought-tolerant potato root systems in response to drought stress under controlled water conditions, using potato as a model. We analyzed the transcriptome and proteome of the drought-sensitive potato cultivar Atlantic (Atl) and the drought-tolerant cultivar Qingshu 9 (Q9) under normal irrigation (CK) and weekly drought stress (D). The results showed that a total of 14,113 differentially expressed genes (DEGs) and 5596 differentially expressed proteins (DEPs) were identified in the cultivars. A heat map analysis of DEGs and DEPs showed that the same genes and proteins in Atl and Q9 exhibited different expression patterns under drought stress. Weighted gene correlation network analysis (WGCNA) showed that in Atl, Gene Ontology (GO) terms and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)-enriched pathways were related to pyruvate metabolism and glycolysis, as well as cellular signaling and ion transmembrane transporter protein activity. However, GO terms and KEGG-enriched pathways related to phytohormone signaling and the tricarboxylic acid cycle were predominantly enriched in Q9. The present study provides a unique genetic resource to effectively explore the functional genes and uncover the molecular regulatory mechanism of the potato root system in response to drought stress.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يلعب نظام الجذر دورًا حاسمًا في نمو النباتات وتطورها. تعتمد متطلبات المياه لنظام الجذر اعتمادًا كبيرًا على الأنواع النباتية. تعد البطاطس محصولًا غذائيًا وخضريًا مهمًا يزرع في جميع أنحاء العالم، خاصة تحت الري في المناطق القاحلة وشبه القاحلة. ومع ذلك، فإن التأثير المتوقع للاحترار العالمي على غلة البطاطس يستدعي إجراء تحقيق في الجينات المتعلقة بتطور الجذور ومقاومة الجفاف التي تشير إلى مسارات البطاطس. في هذه الدراسة، قمنا بالتحقيق في الآليات الجزيئية لمختلف أنظمة جذور البطاطس المقاومة للجفاف استجابة لإجهاد الجفاف في ظل ظروف المياه الخاضعة للرقابة، باستخدام البطاطس كنموذج. قمنا بتحليل transcriptome وproteome لصنف البطاطس الحساسة للجفاف Atlantic (ATL) وصنف Qingshu 9 (Q9) الذي يتحمل الجفاف تحت الري العادي (CK) وإجهاد الجفاف الأسبوعي (D). أظهرت النتائج أنه تم تحديد ما مجموعه 14113 جينًا معبرًا عنها بشكل تفاضلي (DEGs) و 5596 بروتينًا معبرًا عنها بشكل تفاضلي (DEPs) في الأصناف. أظهر تحليل الخريطة الحرارية لـ DEGs و DEPs أن نفس الجينات والبروتينات في ATL و Q9 أظهرت أنماط تعبير مختلفة تحت ضغط الجفاف. أظهر تحليل شبكة الارتباط الجيني المرجح (WGCNA) أنه في ATL، كانت مصطلحات علم الوجود الجيني (GO) ومسارات كيوتو الغنية بالجينات والجينوم (KEGG) مرتبطة باستقلاب البيروفات وتحلل السكر، بالإضافة إلى الإشارة الخلوية ونشاط البروتين الناقل عبر الغشاء الأيوني. ومع ذلك، فإن مصطلحات GO والمسارات المخصبة بـ KEGG المتعلقة بإشارات الهرمونات النباتية ودورة حمض ثلاثي الكربوكسيليك كانت مخصبة في الغالب في Q9. توفر هذه الدراسة موردًا جينيًا فريدًا لاستكشاف الجينات الوظيفية بفعالية والكشف عن الآلية التنظيمية الجزيئية لنظام جذر البطاطس استجابة لإجهاد الجفاف.Translated Description (French)
Le système racinaire joue un rôle décisif dans la croissance et le développement des plantes. Les besoins en eau d'un système racinaire dépendent fortement des espèces végétales. Les pommes de terre sont une culture alimentaire et maraîchère importante cultivée dans le monde entier, en particulier sous irrigation dans les régions arides et semi-arides. Cependant, l'impact attendu du réchauffement climatique sur les rendements de pommes de terre nécessite une enquête sur les gènes liés au développement des racines et aux voies de signalisation de la résistance à la sécheresse dans les pommes de terre. Dans cette étude, nous avons étudié les mécanismes moléculaires de différents systèmes racinaires de pomme de terre tolérants à la sécheresse en réponse au stress de la sécheresse dans des conditions d'eau contrôlées, en utilisant la pomme de terre comme modèle. Nous avons analysé le transcriptome et le protéome du cultivar de pomme de terre sensible à la sécheresse Atlantic (Atl) et du cultivar tolérant à la sécheresse Qingshu 9 (Q9) sous irrigation normale (CK) et stress de sécheresse hebdomadaire (D). Les résultats ont montré qu'un total de 14 113 gènes exprimés différentiellement (DEG) et 5596 protéines exprimées différentiellement (DEP) ont été identifiés dans les cultivars. Une analyse par carte thermique des DEG et des DEP a montré que les mêmes gènes et protéines dans Atl et Q9 présentaient des modèles d'expression différents sous stress de sécheresse. L'analyse pondérée du réseau de corrélation génique (WGCNA) a montré qu'en termes d'atl, d'ontologie génique (GO) et de l'Encyclopédie de Kyoto des gènes et des génomes (KEGG), les voies enrichies étaient liées au métabolisme du pyruvate et à la glycolyse, ainsi qu'à la signalisation cellulaire et à l'activité des protéines transporteuses transmembranaires d'ions. Cependant, les termes GO et les voies enrichies en KEGG liés à la signalisation des phytohormones et au cycle de l'acide tricarboxylique étaient principalement enrichis en Q9. La présente étude fournit une ressource génétique unique pour explorer efficacement les gènes fonctionnels et découvrir le mécanisme de régulation moléculaire du système racinaire de la pomme de terre en réponse au stress de la sécheresse.Translated Description (Spanish)
El sistema radicular juega un papel decisivo en el crecimiento y desarrollo de las plantas. El requerimiento de agua de un sistema radicular depende en gran medida de la especie vegetal. Las papas son un importante cultivo de alimentos y hortalizas que se cultiva en todo el mundo, especialmente bajo riego en regiones áridas y semiáridas. Sin embargo, el impacto esperado del calentamiento global en los rendimientos de la papa requiere una investigación de los genes relacionados con el desarrollo de las raíces y las vías de señalización de resistencia a la sequía en las papas. En este estudio, investigamos los mecanismos moleculares de diferentes sistemas de raíces de papa tolerantes a la sequía en respuesta al estrés por sequía en condiciones de agua controlada, utilizando la papa como modelo. Analizamos el transcriptoma y el proteoma del cultivar de papa sensible a la sequía Atlantic (Atl) y el cultivar tolerante a la sequía Qingshu 9 (Q9) bajo riego normal (CK) y estrés por sequía semanal (D). Los resultados mostraron que se identificaron un total de 14,113 genes expresados diferencialmente (DEG) y 5596 proteínas expresadas diferencialmente (DEP) en los cultivares. Un análisis de mapa de calor de DEG y DEP mostró que los mismos genes y proteínas en Atl y Q9 exhibían diferentes patrones de expresión bajo estrés por sequía. El análisis de la red de correlación génica ponderada (WGCNA) mostró que, en términos de Atl, Gene Ontology (GO) y Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), las vías enriquecidas estaban relacionadas con el metabolismo del piruvato y la glucólisis, así como con la señalización celular y la actividad de la proteína transportadora transmembrana de iones. Sin embargo, los términos GO y las vías enriquecidas con KEGG relacionadas con la señalización de fitohormonas y el ciclo del ácido tricarboxílico se enriquecieron predominantemente en Q9. El presente estudio proporciona un recurso genético único para explorar eficazmente los genes funcionales y descubrir el mecanismo regulador molecular del sistema radicular de la papa en respuesta al estrés por sequía.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تكشف التحليلات الشاملة للنسخة والبروتينات عن شبكة الجينات المستجيبة للجفاف في جذور البطاطس
- Translated title (French)
- Des analyses complètes du transcriptome et du protéome révèlent le réseau de gènes sensibles à la sécheresse dans les racines de la pomme de terre
- Translated title (Spanish)
- Análisis integrales del transcriptoma y el proteoma revelan la red de genes sensibles a la sequía en las raíces de la papa
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4399208372
- DOI
- 10.3390/plants13111530