Nature Plants在线发表了来自日本京都大学Hiroshi Kudoh课题组题为“Annual transcriptome dynamics in natural environments reveals plant seasonal adaptation”的研究论文。该研究表明拟南芥近种的多年生植物A. halleri的数千个表达基因在自然环境中具有季节性振荡，进一步通过结合来自自然环境和生长室的转录组数据，阐明A. halleri的自然栖息地的温度和日照长度的组合塑造了其转录组的季节动态和适应季节环境，证明了植物如何使用多种类型的环境信息来适应季节性环境。此外，该文是自然环境中生态学研究与实验室分子研究相结合的起点。
在植物中，在其生活史的许多方面都受到季节性控制，如萌发，叶片长大，开花和落叶。除了这些常见的表型外，还发生了生理变化，如光合作用和养分循环。因此，植物在自然条件下需要响应多个季节性信号的组合，并且忽略环境的错误波动。之前的研究都是在简单的受控实验室条件下进行研究，也鉴定了一些关键基因的作用性。但是目前对植物整体如何在季节性环境下工作的分子机制的理解仍然有限。
1. 样本数量：（总共1077个样品进行RNA-Seq）
为了揭示自然条件下的季节性转录组动态，选择了拟南芥相近的多年生植物Arabidopsis halleri subsp. gemmifera作为研究物种。从2011年7月至2013年6月的两年内，每周中午从A. halleri的自然种群收集叶样品，共获得490个叶样品，RNA-Seq。
为了揭示自然季节环境中转录组的昼夜振荡。收集4组样品，每天2小时，在春分，夏至，秋分和冬至的48小时内采集，共取样383个样品（每个季节95-96个样品），RNA-Seq。
为了区分季节性温度变化和日长变化对季节性转录组动力学的影响，该研究用温度和日长度的三种组合进行了生长室实验。第一，在研究区所在的温带地区，平均温度最高的那一天发生在最长的一天后约1.5个月。模拟天然条件的温室被称为“天然”温室。第二，在最长的一天具有最高平均温度的条件，称为“同相”室。第三：在最短的一天具有最高平均温度的条件，称“反相”温室。该研究在三个生长室中培养A. halleri的半同胞植物约11个月，并且每两周取样，共204个样品，RNA-Seq（如下图）。
2. 实验结果：
该研究表明A. halleri植物的月平均转录组的相关矩阵显示出明显的季节性模式（下图）。第一年夏季和冬季的转录组分别与第二年夏季和冬季的转录组最相似（下图）。然而，第一年春季的转录组不仅与第二年的春季相似，而且与第一年和第二年的秋季相似（下图）。进一步发现共有2,879个基因，其两年的季节性振荡平均幅度大于两倍，为季节性振荡基因，占表达基因的16.7％。大多数这些基因在夏季（6月至8月）或冬季（12月至2月）表现出最大表达。
接下来，研究了自然季节环境中转录组的昼夜振荡。通过第二组RNA-Seq分析发现7,185个基因在四个季节的平均昼夜振幅大于两倍。这些基因对应于41.8％的表达基因（7,185 / 17,205基因），定义为昼夜振荡基因。其中以AhgCCA1（CCA1的直向同源物）为代表的生物钟相关的基因，其日变化幅度在季节之间不同，冬至较小，夏至较大（如下图）。进一步研究结果表明，80.5％的昼夜振荡基因（5,786 / 7,185基因）在冬季的振幅不到两倍，可能是冬季低温对昼夜振荡的强烈抑制。
最后，研究了温度对季节性转录组动力学的显着影响。通过第三组的RNA-Seq分析计算了基因表达与温度或日长之间的相关性。研究观察到温度的绝对相关性明显高于白天长度，表明季节性温度变化是控制季节性转录组动态的主要因素，相反，日长变化的影响是有限的。然而，该研究同时评估了季节温度落后于日长的适应性的影响，统计了总花产量，开花数量的时间轴和叶数的时间轴，发现天然温室中的植物比两个“非自然”温室中的植物有更多的花，表明了日长影响了植物生殖器官产生的时间和生殖器官的数量，说明了非自然”温室中的植物表现适应性降低（见下图）。故A.halleri似乎使用白天长度作为调整对季节性温度趋势的响应的信号。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-018-0338-z
iPlants评：
该研究揭示了植物在自然状态下的季节性转录组学动态，研究表明A. halleri的数千个表达基因在自然环境中具有幅度大于两倍的季节性振荡，进一步通过结合来自自然环境和生长室的转录组数据，阐明了年度温度变化而非日长变化对于植物中基因表达的季节性振荡的起主导作用，但白天长度又作为调整对季节性温度趋势的信号。因此，A. halleri的自然栖息地的温度和日长的组合塑造了其转录组的季节动态和适应季节环境。此外，该研究将成为自然环境中生态学研究与实验室分子研究相结合的起点，通过整合两方面的知识，对自然环境中的基因功能和适应性的全面理解起到非常重要的作用。故该文值得推荐！
文章来源“iPlants”公众号
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