また、Pinellia ternata の短期熱ストレス応答のトランスクリプトーム解析により、スペルミジンとメラトニンによる耐熱性の改善について新たな知見を得ることができた

Transcriptomic analysis of short-term heat stress response in Pinellia ternata provided novel insights into the improved thermotolerance by spermidine and melatonin.

• Guangjing Ma
• Meide Zhang
• Jilei Xu
• Wuxian Zhou
• Liwen Cao

抄録

漢方薬として重要な役割を果たすPinellia ternataの生育・発達を阻害する主要な環境因子として、熱ストレスが挙げられている。熱ストレス応答（HSR）の調節には、スペルミジン（SPD）とメラトニン（MLT）が重要な役割を果たしていることが報告されている。しかし、P. ternataの熱ストレス応答におけるSPDとMLTの役割や、その潜在的なメカニズムはいまだに明らかにされていない。本研究では、SPDとMLTを外因的に処理することで、P. ternataの熱による損傷が緩和され、クロロフィル含量、OJIP曲線、相対水分量が増加し、マロンジアルデヒドや電解質漏出が減少することを明らかにした。次に、CK(コントロール)とHeat(熱処理1h)の間のRNAシークエンスを行い、P. ternataの短期熱ストレスに対する遺伝子の応答がどのようになっていたかを解析した。その結果、1時間の熱処理後には、14,243個（アップレギュレーション7870個、ダウンレギュレーション6373個）のユニ遺伝子が異なる発現を示した。バイオインフォマティクス解析の結果、熱応答性遺伝子は、主に熱ショックタンパク質（HSP）、リボソームタンパク質、活性酸素消去酵素、カルシウムシグナル伝達、ホルモンシグナル伝達、光合成、病原体抵抗性に関わる遺伝子、熱ストレス転写因子（HSF）、NACs、WRKYs、bZIPsなどの転写因子を含んでいることが明らかになった。中でも、ＰｔＡＢＩ５、ＰｔＮＡＣ０４２、ＰｔＺＩＰ１７、ＰｔＳＯＤ１、ＰｔＨＳＦ３０、ＰｔＨＳＦＢ２ｂ、ＰｔＥＲＦ０９５、ＰｔＷＲＫＹ７５、ＰｔＧＳＴ１、ＰｔＨＳＰ２３．2, PtHSP70, PtLHC1 は、熱ストレス条件下では、SPD 処理または MLT 処理によって、同じ傾向または異なる傾向で有意に制御されていたことから、外因性の MLT や SPD の適用は、これらの遺伝子を制御することで P. ternata の耐熱性を向上させる可能性があることが示唆されたが、制御パターンは異なる可能性があると考えられる。これらの結果は、短期間の熱ストレスに関与する遺伝子の同定と、MLTとSPDによる熱耐性の改善に寄与し、P. ternataの熱耐性改善のための重要な手がかりを与えるものであった。

Heat stress has been a major environmental factor limiting the growth and development of Pinellia ternata which is an important Chinese traditional medicine. It has been reported that spermidine (SPD) and melatonin (MLT) play pivotal roles in modulating heat stress response (HSR). However, the roles of SPD and MLT in HSR of P. ternata, and the potential mechanism is still unknown. Here, exogenous SPD and MLT treatments alleviated heat-induced damages in P. ternata, which was supported by the increased chlorophyll content, OJIP curve, and relative water content, and the decreased malondialdehyde and electrolyte leakage. Then, RNA sequencing between CK (control) and Heat (1 h of heat treatment) was conducted to analyze how genes were in response to short-term heat stress in P. ternata. A total of 14,243 (7870 up- and 6373 down-regulated) unigenes were differentially expressed after 1 h of heat treatment. Bioinformatics analysis revealed heat-responsive genes mainly included heat shock proteins (HSPs), ribosomal proteins, ROS-scavenging enzymes, genes involved in calcium signaling, hormone signaling transduction, photosynthesis, pathogen resistance, and transcription factors such as heat stress transcription factors (HSFs), NACs, WRKYs, and bZIPs. Among them, PtABI5, PtNAC042, PtZIP17, PtSOD1, PtHSF30, PtHSFB2b, PtERF095, PtWRKY75, PtGST1, PtHSP23.2, PtHSP70, and PtLHC1 were significantly regulated by SPD or MLT treatment with same or different trends under heat stress condition, indicating that exogenous application of MLT and SPD might enhance heat tolerance in P. ternata through regulating these genes but may with different regulatory patterns. These findings contributed to the identification of potential genes involved in short-term HSR and the improved thermotolerance by MLT and SPD in P. ternata, which provided important clues for improving thermotolerance of P. ternata.

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