オスマンサスの比較的低温に対する開花反応のトランスクリプトーム解析

Transcriptomic analysis of flower opening response to relatively low temperatures in Osmanthus fragrans.

• Jianxin Fu
• Chao Zhang
• Yucheng Liu
• Tianhong Pang
• Bin Dong
• Xiaoyue Gao
• Yimin Zhu
• Hongbo Zhao

抄録

背景:

中国の伝統的な観賞用花のトップ10の一つに数えられているスウィート・オスマンサス（Osmanthus fragrans Lour.O. fragransの一度開花した品種の開花時期は、比較的低温の影響を大きく受けるが、その分子機構についてはこれまでほとんど報告がない。これまでに、O. fragrans の比較的低温の影響を受けて開花に関わる遺伝子がアップレギュレーションされているのではないかという仮説が提起されていた。そこで、本研究では、O. fragrans の比較的低温による開花制御の分子機構を解明することを目的とした。

BACKGROUND: Sweet osmanthus (Osmanthus fragrans Lour.) is one of the top ten traditional ornamental flowers in China. The flowering time of once-flowering cultivars in O. fragrans is greatly affected by the relatively low temperature, but there are few reports on its molecular mechanism to date. A hypothesis had been raised that genes related with flower opening might be up-regulated in response to relatively low temperature in O. fragrans. Thus, our work was aimed to explore the underlying molecular mechanism of flower opening regulated by relatively low temperature in O. fragrans.

研究成果:

花びら表皮細胞の細胞サイズと、異なる発生段階における花びら細胞の超微細形態を観察した。その結果，花弁細胞の細胞サイズは，開花の過程で徐々に増加していた。次に、トランスクリプトームシーケンシングを用いて、比較的低温（19℃）または23℃での処理日数を変えて、異なる発現遺伝子（DEG）を解析した。Gene Ontology解析では、「代謝過程」、「細胞過程」、「結合」、「触媒活性」、「細胞」、「細胞部分」、「膜」、「膜部分」、「単一生物過程」、「オルガネラ」が高濃度に発現していることがわかった。KEGG解析では、「代謝経路」、「二次代謝物の生合成」、「植物-病原体相互作用」、「デンプン・ショ糖代謝」、「植物ホルモンシグナル伝達」がDEGを最も多く含む経路の上位5つであった。細胞壁代謝に関与するDEG、植物ホルモンシグナル伝達経路、8種類の転写因子を詳細に解析した。

RESULTS: The cell size of adaxial and abaxial petal epidermal cells and ultrastructural morphology of petal cells at different developmental stages were observed. The cell size of adaxial and abaxial petal epidermal cells increased gradually with the process of flower opening. Then the transcriptomic sequencing was employed to analyze the differentially expressed genes (DEGs) under different number of days' treatments with relatively low temperatures (19 °C) or 23 °C. Analysis of DEGs in Gene Ontology analysis showed that "metabolic process", "cellular process", "binding", "catalytic activity", "cell", "cell part", "membrane", "membrane part", "single-organism process", and "organelle" were highly enriched. In KEGG analysis, "metabolic pathways", "biosynthesis of secondary metabolites", "plant-pathogen interaction", "starch and sucrose metabolism", and "plant hormone signal transduction" were the top five pathways containing the greatest number of DEGs. The DEGs involved in cell wall metabolism, phytohormone signal transduction pathways, and eight kinds of transcription factors were analyzed in depth.

結論:

また、細胞壁代謝に関与するいくつかのユニゲネ、植物ホルモンのシグナル伝達経路、温度処理によって発現量が大きく変化する転写因子などが、比較的低温に応答して花弁細胞が伸長する過程に関与している可能性が示唆された。これらの結果は、O. fragrans の比較的低温での開花制御の分子機構の理解を深め、O. fragrans の開花時期の予測と制御に実用的な情報を提供し、最終的には O. fragrans の遺伝子改変への道を開く可能性がある。

CONCLUSIONS: Several unigenes involved in cell wall metabolism, phytohormone signal transduction pathway, and transcription factors with highly variable expression levels between different temperature treatments may be involved in petal cell expansion during flower opening process in response to the relatively low temperature. These results could improve our understanding of the molecular mechanism of relatively-low-temperature-regulated flower opening of O. fragrans, provide practical information for the prediction and regulation of flowering time in O. fragrans, and ultimately pave the way for genetic modification in O. fragrans.