II YOU 838 ()のトランスクリプトームおよびプロテオームプロファイルは、ハイブリッドイネの熱ストレス耐性についての洞察を提供する

Transcriptomic and proteomic profiles of II YOU 838 () provide insights into heat stress tolerance in hybrid rice.

• Yan Wang
• Yang Yu
• Min Huang
• Peng Gao
• Hao Chen
• Mianxue Liu
• Qian Chen
• Zhirong Yang
• Qun Sun

抄録

熱ストレスは世界的にイネ生産にとって脅威となっている。ハイブリッドイネにおける熱耐性のメカニズムとイネのヘテロシスへの寄与を調べるために、ハイブリッドイネII YOU 838 (II8)のトランスクリプトームと、その親である Fu Hui 838 (F8)とII-32A (II3)のトランスクリプトームを、42℃で0時間、24時間、72時間、120時間の熱ストレス後に比較した。また、42℃で24時間の熱ストレス後のII8のプロテオーム解析を行ったところ、熱ストレス条件下での遺伝子発現パターンは時間依存的であり、II8の熱ストレス応答は親とは大きく異なることがわかった。また、異なる発現を示す遺伝子を-meansクラスタリングを用いてクラスタリングした遺伝子オントロジー解析の結果、アップレギュレーションされた遺伝子の多くは刺激への応答、細胞コミュニケーション、代謝・転写因子活性に関与しているのに対し、ダウンレギュレーションされた遺伝子は光合成やシグナル伝達に富んでいることが明らかになった。さらに、熱ストレス下のII8のプロテオミクス解析では、塩基性ヘリックスループヘリックス転写因子（bHLH96）、カルモデュリン結合転写活性化因子、ヒートショック蛋白質（Hsp70）、シャペロニン60（CPN60）など、35種類のユニークな蛋白質が検出された。その結果、フェレドキシン-NADP還元酵素、ペルオキシダーゼ、マイトジェン活性化プロテインキナーゼキナーゼ、ヒートショック因子(HSF)-Hspネットワークという熱耐性に関与する新規な遺伝子や経路が明らかになった。その結果、HspファミリーとHSFファミリーのメンバーは親と比較して発現パターンが優勢であり、ハイブリッドの高い光合成と抗酸化防御システムを維持するのに役立つことがわかった。このことから、ハイブリッドイネの耐熱性には、複雑な HSF-Hsp 調節ネットワークが関与していることが示唆された。

Heat stress is an increasing threat to rice production worldwide. To investigate the mechanisms of heat tolerance in hybrid rice and their contributions to rice heterosis, we compared the transcriptome of the hybrid rice II YOU 838 (II8) with the transcriptomes of its parents Fu Hui 838 (F8) and II-32A (II3) after heat stress at 42 °C for 0 h, 24 h, 72 h and 120 h. We also performed a proteomic analysis in II8 after heat stress at 42 °C for 24 h. The transcriptome data revealed time-dependent gene expression patterns under the heat stress conditions, and the heat stress response of II8 was greatly different from those of its parents. Gene ontology analysis of the differentially expressed genes that were clustered using -means clustering showed that most of the up-regulated genes were involved in responses to stimuli, cell communication, and metabolic and transcription factor activities, whereas the down-regulated genes were enriched in photosynthesis and signal transduction. Moreover, 35 unique differentially abundant proteins, including a basic helix-loop-helix transcription factor (bHLH96), calmodulin-binding transcription activator, heat shock protein (Hsp70), and chaperonin 60 (CPN60), were detected in the proteomic analysis of II8 under heat stress. The co-regulatory analysis revealed novel genes and pathways involved in heat tolerance, namely, ferredoxin-NADP reductase, peroxidases, mitogen-activated protein kinase kinase kinase, and heat shock factor (HSF)-Hsp network. Members of the Hsp and HSF families had over-dominant expression patterns in the hybrid compared with its parents, to help maintain the higher photosynthesis and antioxidant defense systems in the hybrid. Our study suggests that the complex HSF-Hsp regulatory network contribute to the heat tolerance of the hybrid rice.

© 2020 Wang et al.