Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Исследовательская статья

Дифференциальный анализ содержания питательных веществ и метаболизма Camellia oleifera в различных периодах роста

159 просмотров

DOI:

10.3791/69560

17 марта 2026 г.

В этой статье

Краткое содержание

В этой статье представлен протокол, который предоставляет первый отчет о содержании питательных веществ и связанных с ними метаболических путях листьев C. oleifera на трёх стадиях роста и развития, а также для предоставления основы для понимания молекулярного механизма старения листьев.

Аннотация

Для обозначения вариаций содержания питательных веществ, экспрессии генов, связанных с азотным метаболизмом, а также обмена крахмалом и сахарозой у C. oleifera в разные периоды роста, листья сорта C. oleifera 'Dabieshan 1' были собраны на ювенильном (2-летний C. oleifera), на ранней стадии плодоношения ( 6-летний C. oleifera) и на пиковых стадиях плодоношения (10-летний C. oleifera).), которые были отобраны в качестве экспериментальных материалов. Определение содержания питательных веществ и анализ секвенирования транскриптома проводились на образцах листьев на ранней стадии цветения, систематически изучая содержание питательных веществ и связанные метаболические пути C. oleifera в разные периоды роста. Результаты выделили 9 гомологичных генов, связанных с метаболизмом азота, и 24 гена, связанные с метаболизмом крахмала и сахарозы соответственно, после сравнения листьев C. oleifera , собранных как на ювенильной, так и на пиковой стадии плодоносящего в базе данных KEGG. С увеличением возраста деревьев изменения в метаболизме азота и метаболических путях крахмала и сахарозы в листьях C. oleifera. C. oleifera усиливает как путь фенилаланин-аммиак-лиазы, так и биосинтез сахарозы. В конечном итоге это привело к повышению уровня растворимых белков и сахаров в листьях C. oleifera . Это исследование даёт новые знания о механизмах изменений в метаболизме азота, метаболизме крахмала и сахарозы, а также содержании питательных веществ во время трансформации C. oleifera из вегетативного роста в репродуктивный. Он предлагает теоретические ориентиры для понимания периода плодоносения и применения растительных листовых удобрений для стимулирования цветения и плодоношения.

Введение

На ювенильной стадии C. oleifera обычно обладает неразделённым основным стеблем и в основном проходит вегетативный рост, не обладая способностью к репродуктивным процессам, таким как дифференцировка почек ицветение 1. При прививке сеянцев C. oleifer обычно используют весенние побеги, входящие во взрослую стадию, в виде приёмников, так как они способны вызыватьцветение 2,3,4. Однако на ранней стадии посадки C. oleifera в ювенильном возрасте может испытывать трудности с образованием почек и дифференцировать их из-за интенсивного вегетативного роста, поскольку условия окружающей среды могут ограничивать формирование бутонов. Тем не менее, по мере прохождения ювенильной стадии C. oleifera к первичному периоду плодонесения и достиганию пика плодоношения постепенно развивает способность к нормальному формированию и цветению цветков. C. oleifera характеризуется сложной формой, одновременными плодами ицветками 5. На начальной стадии плодоношения C. oleifera может дать несколько цветов, но на пике стадии плодоношения даёт больше цветов. На пиковой стадии плодоношения C. oleifer преобладает репродуктивный рост, сопровождаемый повышенным потреблением в освещении, температуре, воде и питательных веществах. Очевидно, что древесные плодовые деревья, такие как C. oleifera, имеют длительный вегетативный период роста перед цветением, что ограничивает возможность сокращения цикла культивации и раннего достижения высокойпродуктивности 6.

Азот очень важен для роста и развития растений. Разные виды растений содержат разное количество азота, и даже внутри одного вида в разных периодах выращивания наблюдаются значительные различия в содержании азота. По мере перехода растений в стадию репродуктивного роста азот постепенно накапливается в таких органах, как цветы, плоды исемена 7. Азот необходим для ферментов, белков, специфических гормонов, нуклеиновых кислот и других жизненно важных веществ, тем самым координируя метаболическуюактивность 8. Процесс дифференцировки бутонов является ключевым поворотным моментом, переходя растения из вегетативной фазы в репродуктивную стадию и включает сложный процесс развития. Накопление питательных веществ служит фундаментальной основой для дифференцировки бутоноврастений 9. В настоящее время консенсус утверждает, что успешная дифференцировка почек цветков зависит от накопленияуглеводов 10. Во время дифференцировки почек плодовых деревьев колебания содержания растворимого сахара прямо или косвенно влияют на процесс10. Исследования показали тесную связь между уровнем углеводов в листьях Prunus salicina и дифференциацией почек цветов, поскольку уровень растворимого сахара выше в физиологической фазе дифференцировки бутонов, чем в период морфологической дифференцировки бутонов цветочных бутонов, при этом P. salicina подвергся быстрому истощению углеводов во время дифференцировки бутонов11. Тем не менее, существуют сообщения, указывающие на отсутствие значительных колебаний содержания растворимого крахмала у Ficus carica во время дифференцировки бутонов12. Вечнозелёные растения накапливают крахмал внутри завязи в весенний период дифференцировки бутонов, а листопадающие растения — в период покоя почек13. Основываясь на вышеуказанной информации, можно сделать вывод, что при дифференциации почек цветов существуют различия в траекториях изменений содержания углеводов между разными видами. Йинг и др.14 проанализировали паттерны экспрессии ключевых генов ферментов, участвующих в основных метеорологических процессах, таких как метаболизм азота, а также метаболизм сахарозы и крахмала, на двух разных стадиях дифференцировки бутонов у Vernicia fordii. Этот анализ был совмещён с динамическими изменениями физиологических и биохимических показателей почек цветочных почек тунга, что позволило подробно разъяснить накопление, использование, транспорт и распределение питательных веществ во время дифференцировки бутонов тунг 8,14. Исследования Лай Чэнчуна и др. показали, что удаление двух листьев может модулировать экспрессированные гены сахарофосфатсинтазы (SPS), нейтральной инвертазы (NI), инвертазы клеточной стенки (CWI) и α-амилазы (AMY), тем самым способствуя синтезу сахарозы и последующему накоплению крахмала, обеспечивая необходимую питательную основу для созревания плодов, прорастания побегов ицветения 13,15.

Однако исследования изменений содержания питательных веществ, азотного обмена и обмена крахмала и сахарозы у C. oleifera на разных стадиях редко отмечались. Большинство исследований были сосредоточены на построении карт однонуклеотидного полиморфизма (SNP), разработке маркеров SSR и вскрытии физиологических и молекулярных реакций C. oleifera при низких или высокихтемпературах 16,17,18,19,20. Поэтому в этом исследовании был отобран обычный сорт C. oleifera «Dabieshan 1», а также собраны образцы листьев весенних побегов в разные периоды роста (ювенильная стадия, начальная стадия плодоношения и пиковая стадия плодононошения) C. oleifera для анализа секвенирования питательных веществ и транскриптома. Целью было выявить различия в содержании питательных веществ, метаболизме азота и метаболизме экспрессии генов сахарозы и крахмала на различных фазах процессов роста и развития, наблюдаемых в листьях C. oleifera. Разъяснение метаболизма азота, сахарозы и крахмала, а также их взаимосвязи с родственными питательными веществами может заложить основу для изучения механизма дифференцировки бутонов C. oleifera и пролить свет на молекулярные механизмы, лежащие в основе цветения C. oleifera.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Экспериментальные материалы

C. oleifera Листья «Дабишан 1» собирались на трёх ключевых стадиях развития: ювенильная стадия, примерно в возрасте 2 лет; Испытуемый переходит в раннюю фазу плодоношения примерно в возрасте 6 лет, достигая пика плодоношения примерно в 10 лет. Все растения C. oleifera на вышеуказанных трёх стадиях развития были высажены с использованием контейнерных саженцев той же спецификации, что и C. oleifera 'Dabieshan 1'. Физические и химические свойства почвы лесных земель C. oleifera показаны в Таблице 1.

2. Обзор места сбора

Экспериментальные материалы были собраны в городе Хэпин, расположенном в самом сердце провинции Аньхой. Уезд Шучэн расположен в центральной части провинции, входя в периферийную зону гор Дабэ. Координаты: 31°11′ с.ш., 116°47′ в.д., средняя высота 90 м. Почва классифицируется как жёлто-коричневая. Регион характеризуется влажным субтропическим муссонным климатом, среднегодовой температурой составляет 15,6 °C, обычно выпадает около 1100 мм осадков в год, получает около 1969 часов солнечного света в год и имеет период без заморозков длится 224 дня.

3. Сбор образцов и предварительная обработка

Образцы были отобраны в предцветущий период (конец сентября). Для каждой стадии развития выбирались растения C. oleifera с похожим стабильным и сильным ростом. С каждого растения удалялся третий лист сверху вниз, который умеренно рос весенними побегами с востока, запада, юга и севера внешней части кроны C. oleifera . Образцы были отмечены серийными буквами и номерами: YAT1, YAS2 и YAT3 для листьев C. oleifera на ювенильной стадии, испытуемый переходит к ранней фазе плодоносения и периоду пикового плодоношения соответственно. Они собирались и хранили в жидком азоте. С каждой стадии были выбраны пять случайных деревьев выборок как одна биологическая реплика, а на всех этапах были созданы три биологических реплики. Отобранные образцы были возвращены в лабораторию в тот же день и сохранены при -80 °C.

4. Определение физиологического индекса

Содержание растворимого сахара было определено колориметрическим методомантрона 21. Содержание органического углерода определялось методом титрирования 22 с помощью окисления дихромата калия — железного сульфата22. Растворимое содержание белка было получено методом Кумассибриллиант-синий 23. Общая концентрация азота была количественно измерена методомКьельдаля 22.

5. Была проведена выделена полная РНК, затем создана комплементарная библиотека ДНК (cDNA) и последовательное секвенирование

Общая РНК извлекалась из листьев C. oleifera на разных стадиях с помощью набора для экстракции РНК растения. Общая концентрация РНК определялась с помощью ультрафиолетово-видимого спектрометра полного спектра. Целостность и прозрачность РНК определялись биологическим анализатором. После создания и валидации библиотеки cDNA транскриптомическое секвенирование проводилось с использованием платформы высокопроизводительного секвенирования последовательности последовательности. Процедура секвенирования давала отдельные чтения, каждое из которых охватывало 100 пароснований — 24, 25, 26. Результаты выравнивания процессов последовательностей прошли статистический анализ с помощью программного обеспеченияRSEM 27. Дифференциальные экспрессионные гены (DEG) на различных стадиях развития C. oleifera были выявлены с помощью программного обеспечения дифференциального анализаDESeq 28,29.

6. De novo ассемблер и аннотация UniGene

SeqPrep http://github.com/jstjohn/SeqPrep) и Sickle (http://github.com/najoshi/sickle) использовались для фильтрации исходных данных, включая удаление низкокачественных последовательностей и загрязнённых адаптеров. Затем чистые считывания, полученные с каждого образца, собирались с помощью программного обеспеченияTrinity 30,31. Все собранные транскрипты подвергались выравниванию BLASTX по Swiss-Prot, кластерам ортологичных групп для полных эукариотических геномов и базам данных KEGG в последовательном порядке. Типичное значение Cut-off E-значение (E-значение <10−5) было установлено для получения аннотаций функций. KEGG применялся для анализа связанных метаболическихпутей 32.

7. Функциональная аннотация генов и анализ дифференциально экспрессированных генов

Численность генов и изоформ была статистически проанализирована с помощью программного обеспеченияRSEM 27. Для идентификации дифференциально экспрессированных генов (DEG) был установлен порог (P < 0,05, FDR < 0,01, |log2FC|>1). Ожидаемое количество фрагментов на кб транскрипта на миллион картированных фрагментов (FPKM) в настоящее время является самым широко используемым методом оценки уровней экспрессиигенов 28. Были рассчитаны значения FPKM всех генов на трёх разных стадиях роста и развития (YAT1, YAS2 и YAT3). Для изучения дифференциальных уровней экспрессии генов был проведён анализ иерархической кластеризации. Тем временем путь KEGG был подготовлен для выявления DEG, значительно обогащённых метаболическими путями при корректированном Бонферрони P ≤ 0,05 по сравнению со всем транскриптомом с помощьюKOBAS 29.

8. Аналитические методы

Данные были представлены с помощью Excel для расчёта средних значений и стандартных отклонений. Анализ дисперсии (ANOVA) использовался для статистического анализа программным обеспечением SPSS, а многодиапазонный тест Дункана применялся для оценки значимых различий в содержании питательных веществ между тремя этапами. Затем значимые различия между группами были определены с помощью пост-хок множественных сравнений методом наименее значимой разницы (LSD). Графики и диаграммы были созданы с помощью программного обеспечения Origin для визуализации экспериментальных и аналитических результатов. Статистическая значимость не обозначалась буквой «ns» (P > 0,05). Статистически значимые различия обозначались соответственно '*' (P < 0,05), '**' (P < 0,01), '***' (P < 0,001) и '****' (P < 0,0001).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Сравнение содержания азотистых соединений в листьях C. oleifera в разные периоды роста

Азот играл первостепенное значение для облегчения роста и развития растений, оказывая глубокое влияние на их репродуктивные процессы. Следовательно, понимание общего содержания азота в растениях имеет большое значение для научных исследований. Общее содержание азота в листьях C. oleifera постепенно снижало...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Растворимые сахара служат жизненно важными источниками энергии и структурными компонентами растений, подпитывая различные физиологические активности и биосинтетическиепроцессы 10. Изменения содержания растворимого сахара прямо или косвенно влияют на процесс превращения вегетативных бутонов в цветочные бутоны на плодовыхдеревьях 10. Некоторые исследования показали, что необходимость в изобилии растворимых сахаров связана с дифференциацией по...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Ни одного.

Благодарности

Эта работа была поддержана Аньхойским провинциальным фондом естественных наук для молодых учёных (2008085QC135), проектом постдокторских исследовательских рабочих станций колледжа Ваньси (WXBSH2020003), программой постдокторских научных исследований провинции Аньхой (2024A767), программой командировки предприятий факультетов Аньхой (2024jsqygz79) и Проектом исследований и инноваций в лесном хозяйстве провинции Аньхой, документ No 4 [2024].

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Биоанализатор 2100Agilent Technologies, Inc. (США)Используется для оценки целостности и прозрачности РНК
Программное обеспечение DESeqИсходный код3.2Используется для анализа дифференциальных выражений
Комплект EASYspin Plus (полная изоляция РНК)Aidlab Biotechnology Co., Ltd. (Китай)RN 28 (Aidlab)Используется для полной экстракции РНК из листьев C. oleifera
Платформа секвенирования HiSeq 2000Illumina (Китай)Используется для секвенирования транскриптома, длина чтения 100 б.п.
Kjeldahl method/Kjeltec 2300Foss Tecator (Швеция)Для общей концентрации азота (Bao 2007)
Метод определения растворимых белковКонцентрированная серная кислота6104-58-1 (Аладдин)Метод, разработанный Чэнь Цзяньсюнем (Chen и др., 2015)
Метод определения растворимого сахараАнтрон90-44-8 (Маклин)Чжан Чжилан метод s (Zhang и др., 2003)
Окисление дихроматома калия — метод титрования железного сульфатаДихромат калия железный сульфатNA (Аладдин) 7782-63-0 (Аладдин)Для определения органического углерода (Bao 2007)
Программное обеспечение RSEMИсходный код1.2.3Используется для статистического анализа выравнивания последовательностей
Спектрофотометр Thermo Scientific NanoDrop 2000C  ABI (США)Используется для определения концентрации РНК

Ссылки

  1. Cao, Z. H., Shu, Q. L., Dong, C. Y., Zhang, X. Variation in physiological and chemical characteristics at developmental stage in different disease-resistant varieties of Camellia oleifera. Pak J Bot. 46 (1), 207-212 (2014).
  2. Hu, J. J., et al. Comparison of dynamic changes in endogenous hormone level, water content, and water-soluble sugars in Camellia oleifera of different ages. Pak J Bot. 49 (1), 25-32 (2017).
  3. Hu, J. J., et al. Morphological, physiological and biochemical responses of Camellia oleifera to low-temperature stress. Pak J Bot. 48 (3), 899-905 (2016).
  4. Zhuang, R. L. Chinese Camellia oleifera. , China Forestry Press. Beijing. (2008).
  5. Li, Z. R., et al. Mechanics vibration model of fruit tree analysis and generalized coordinate system establishment for Camellia oleifera branches. For Mach Woodw Equip. 53 (2), 70-74 (2025).
  6. Wu, W., et al. Study on the chemical components of shoots and leaves of Camellia oleifera from different elevations. Pak J Bot. 47 (3), 1111-1114 (2015).
  7. Tan, B. Z., Close, D. C., Quin, P. R., Swarts, N. D. Nitrogen use efficiency, allocation, and remobilization in apple trees: uptake is optimized with pre-harvest N supply. Front Plant Sci. 12, 657070(2021).
  8. Luo, J., et al. Net fluxes of ammonium and nitrate in association with H⁺ fluxes in fine roots of Populus popularis. Planta. 237, 919-931 (2013).
  9. Zhang, Y. H., Liu, B. H., Kong, F. J., Chen, L. Y. Nutrient-mediated modulation of flowering time. Front Plant Sci. 14, 1101611(2023).
  10. Zhang, W. N., Li, J. J., Zhang, W. L., Njie, A., Pan, X. J. The changes in C/N, carbohydrate, and amino acid content in leaves during female flower bud differentiation of Juglans sigillata. Acta Physiol Plant. 44, 1-12 (2022).
  11. Lee, H. B., Jeong, S. J., Lim, N. H., An, S. K., Kim, K. S. Correlation between carbohydrate contents in the leaves and inflorescence initiation in Phalaenopsis. Sci Hortic. 265, 265109270(2020).
  12. Wan, X., et al. Auxin and carbohydrate control flower bud development in Anthurium andraeanum during early stage of sexual reproduction. BMC Plant Biol. 24 (1), 159(2024).
  13. Mesejo, C., Martínez-Fuentes, A., Reig, C., Agustí, M. The flower to fruit transition in Citrus is partially sustained by autonomous carbohydrate synthesis in the ovary. Plant Sci. 285, 224-229 (2019).
  14. Sun, Y., Liu, R., Luo, M., Li, J. A. Molecular response of Tunglfy gene to exogenous hormones in flower buds differentiation period. J Cent South Univ For Technol. 34 (4), 25-29 (2014).
  15. Lai, C. C., et al. Effect of shoot pinching on growth, sucrose and starch metabolism in 'Kyoho' grape. J Trop Subtrop Bot. 30 (5), 623-635 (2022).
  16. Cao, R. L., et al. Identification of NAC gene in Camellia oleifera and analysis of its response to drought stress. Acta Agric Univ Jiangxi. 43 (6), 1357-1370 (2021).
  17. Lin, P., Wang, K. L., Yao, X. H., Ren, H. D. Development of DNA molecular ID in Camellia oleifera germplasm based on transcriptome-wide SNPs. Sci Agric Sin. 56 (2), 217-235 (2023).
  18. Song, J. M., Li, X. Y., Zhang, S. H., Lai, H. Development and evaluation of SSR markers based on transcriptome sequencing of Camellia in Hainan Province. Mol Plant Breed. 20 (20), 6791-6801 (2022).
  19. Tang, R. Y., Sun, M. H., Wu, L. L., Li, J. A., Wang, N., Xiong, L. Alleviating effect of different exogenous substances on floral organs of Camellia oleifera under low temperature stress. Plant Physiol. 59 (1), 219-230 (2023).
  20. Guo, H. Y., Tan, X. J., Tian, F., Zhong, Q. P. The relationship between floral initiation and spring-shoot growth in Camellia oleifera. For Res. 35 (3), 123-130 (2022).
  21. Zhang, Z. L., Qu, W. J. Plant Physiology Laboratory Manual. , Higher Education Press. Beijing. (2003).
  22. Bao, S. D. Soil Chemical Analysis. , China Agricultural Press. Beijing. (2007).
  23. Chen, J. X., Wang, X. F. Plant Physiology Laboratory Manual. , South China University of Technology Press. Guangzhou. (2015).
  24. Himanshu, S., et al. Identification and cross-species transferability of 112 novel unigene-derived microsatellite markers in tea (Camellia sinensis). Am J Bot. 133, e133-e138 (2011).
  25. Knight, M. R., Knight, H. Low-temperature perception leading to gene expression and cold tolerance in higher plants. New Phytol. 195 (4), 737-751 (2012).
  26. Weiser, C. Cold resistance and injury in woody plants: knowledge of hardy plant adaptations to freezing stress may help us to reduce winter damage. Science. 169 (3952), 1269-1278 (1970).
  27. Iseli, C., Jongeneel, C. V., Bucher, P. ESTScan: A program for detecting, evaluating, and reconstructing potential coding regions in EST sequences. Intell Syst Mol Biol. 99, 138-148 (1999).
  28. Sung, S., Amasino, R. M. Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature. 427 (6970), 159-164 (2004).
  29. Xie, C., et al. KOBAS 2.0: A web server for annotation and identification of enriched pathways and diseases. Nucleic Acids Res. 39 (suppl_2), W316-W322 (2011).
  30. Zhang, Y., Liu, Q. L. Research progress on the molecular mechanisms of plant flower development. Chin Bull Bot. 20 (5), 589-601 (2003).
  31. Schmitz, R. J., Hong, L., Michaeles, S., Amasino, R. M. FRIGIDA-ESSENTIAL 1 interacts genetically with FRIGIDA and FRIGIDA-LIKE 1 to promote the winter-annual habit of Arabidopsis thaliana. Development. 132, 5471-5478 (2005).
  32. Kanehisa, M., Goto, S. KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. Nucleic Acids Res. 27 (1), 29-34 (1999).
  33. Fan, W. G., et al. Study on the changes of endogenous hormones, carbohydrate and nitrogen nutrition at the flower bud differentiation stage of Rosa roxburghii. J Fruit Sci. 20 (1), 40-43 (2003).
  34. Chen, J. Z. Southern Version of Pomology Cultivation Theories. , 4th Edition, China Agriculture Press. Beijing. (2003).
  35. Liu, Z. L., Lin, S. Q., Chen, H. B. Dynamics of protein during flower-bud formation in Eriobotrya japonica. Subtrop Plant Sci. 37 (2), 6(2008).
  36. Poorter, L., Bongers, F. Leaf traits are good predictors of plant performance across 53 rain forest species. Ecology. 87 (7), 1733-1743 (2006).
  37. Lv, Q., Chen, Y. Y., Yu, Z. D., Ma, J. L. Functional traits and stoichiometric analysis of Camellia osmantha at the early fruiting stage. Mol Plant Breed. , 1-12 (2023).
  38. Li, J. X., Huang, H. L., Zhao, Y. C., Qiao, X. Y. Status of Camellia oleifera germplasm resources and breeding directions in Guangdong. Guangdong Agric Sci. 38 (20), 34-35 (2011).
  39. Li, W. Q., Fan, X. L., Lin, C. H. Effects of nitrogen on flowering of fruit trees. Chin J Soil Sci. (06), 1203-1207 (2007).
  40. Thiele, J., Jørgensen, R. B., Hauser, T. P. Flowering does not decrease vegetative competitiveness of Lolium perenne. Basic Appl Ecol. 10 (4), 340-348 (2009).
  41. Peña, L., et al. Constitutive expression of ArabidopsisLEAFY or APETALA1 genes in citrus reduces their generation time. Nat Biotechnol. 19 (3), 263-267 (2001).
  42. Pillitteri, L. J., Lovatt, C. J., Walling, L. L. Isolation and characterization of LEAFY and APETALA1 homologues from Citrus sinensis L. Osbeck 'Washington'. J Am Soc Hortic Sci. 129 (6), 846-856 (2004).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги