プロテオームとトランスクリプトームにより、クレマチスの耐熱性におけるヒートショックタンパク質と抗酸化システムの関与が明らかになった

Proteome and transcriptome reveal the involvement of heat shock proteins and antioxidant system in thermotolerance of Clematis florida.

• Changhua Jiang
• Yuke Bi
• Jianbin Mo
• Ruyao Zhang
• Mingnan Qu
• Shucheng Feng
• Jemaa Essemine

抄録

クレマチス（Clematis florida Thun）は観賞用・薬用植物である。寒さには強いが熱には弱い種であり、熱ストレスへの適応性を向上させるためには、さらなる研究が必要である。オミック解析による分子機構の解明は、CfTの耐熱性を向上させるための有望なアプローチである。本研究では、熱耐性に差のある耐熱性（HR）と感熱性（HS）の 2 つの CfT 株を用いて、プロテオミクスとトランスクリプトームの統合的な解析を行った。トランスクリプトーム解析の結果、原核生物では植物ホルモンのシグナル伝達経路や炭素固定経路を含む様々な経路が有意に濃縮されていることが明らかになった。また、プロテオミクス解析では、抗酸化活性や炭水化物代謝などの他の経路が濃縮されていることが明らかになった。トランスクリプトーム解析とプロテオミクス解析を組み合わせた結果、熱ストレス処理を行った結果、1724個のアノテーション遺伝子が両CfT株間でオーバーラップしていた。特に、84 個の差動発現遺伝子（DEG）が両 CfT 株間で重複していた。そのうち15個の遺伝子がHR系統（PS）のみでアップレギュレートされていたが、HS系統（SG）ではアップレギュレートされていなかった。このことは、これらの遺伝子がPS株の熱耐性プロセスにおいて重要な役割を果たしている可能性を強く示唆している。また、Hspが検出された20種類のタンパク質のうち、2種類のHsp（Hsp18とHsp70）が、PSではSGよりも高い発現量を示したことが確認された。トランスクリプトーム解析とプロテオミクス解析の結果、6種類のタンパク質とそれに対応する遺伝子がHR株(PS)に有意に多く存在することがわかった。データはProteomeXchangeで公開されており、識別子はPXD018192。これら6つの遺伝子の発現レベルは、熱耐性プロセスにおける潜在的な寄与を評価するために、両CfT株についても確認された。その結果、これら6つの遺伝子の発現レベルは、HS株よりもHR株の方が約2〜4倍高いことがわかった。また、CfT における活性酸素消去と光受容体経路に関与する主要な遺伝子を浮き彫りにするために、代表的な模式モデルを提供した。このモデルは、CfTにおける熱耐性のメカニズムの理解にも役立つと考えられる。

Clematis florida Thun (CfT) is an ornamental and medicinal plant. It is a cold resistant but heat sensitive species and deserves to be further investigated to improve its adaptability to heat stress. Exploring the molecular mechanism potential via an omic-analysis constitutes a promising approach towards improving heat tolerance of CfT. Two CfT lines, heat resistance (HR) and heat sensitive (HS), with differential thermotolerance capacities were used for the integrative analyses of proteomics and transcriptomes. Transcriptomes analysis showed that various pathways were significantly enriched including plant hormone signal transduction and carbon fixation pathways in prokaryotes. Proteomics study revealed the enrichment of some other pathways comprising antioxidant activity and carbohydrates metabolism. Based on combined transcriptomes and proteomics analyses and following heat stress treatment, a total of 1724 annotated genes were overlapped between both CfT lines. Particularly, 84 differential expressed genes (DEGs) were overlapped in both CfT lines. Fifteen out of these 84 genes were up-regulated solely for HR line (PS) but not for HS one (SG). This strongly suggests a potential prominent role for these genes in the thermotolerance process in PS line. We corroborate that two Hsps (Hsp18 and Hsp70) out of 20 detected proteins with higher expression levels in PS than in SG based on either global transcripts or proteins levels. According to the transcriptomes and proteomics analyses, 6 proteins and their corresponding genes were found to be significantly abundant in HR line (PS). Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD018192. The expressions levels of these 6 genes were checked also for both CfT lines to evaluate their potential contributions in the heat tolerance process. Thus, their expression levels were approximately 2~4 times higher in HR than in HS line. We provided as well a representative schematic model to highlight the key genes involved in ROS scavenging and photorespiratory pathway in CfT. This model could be helpful also in understanding the mechanism of heat tolerance in CfT.