全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (2): 171–179, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2015.00171
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收稿日期: 2014-10-27; 接受日期: 2015-02-02
基金项目: 转基因生物新品种培育重大专项(No.2013ZX08001003-008)和首都师范大学植物学国家重点学科
* 通讯作者。E-mail: wanping@mail.cnu.edu.cn
小立碗藓对重金属镉胁迫的应答特征
伍自力1, 2, 余孟瑶2, 陈露2, 魏静2, 王晓琴3, 胡勇2, 闫妍2, 万平2*
1宜宾学院生命科学与食品工程学院, 香料植物资源开发与利用四川省高校重点实验室, 宜宾 644000
2首都师范大学植物资源与低碳环境北京市重点实验室, 北京 100048
3北京农学院农业部都市农业(北方)重点实验室, 北京 102206
摘要 镉是植物非必需的微量重金属元素, 镉胁迫引起植物细胞的代谢紊乱, 甚至导致细胞死亡。为了探索苔藓植物对镉
胁迫的应答机制, 采用高通量测序及生物信息学技术分析了藓类模式植物——小立碗藓(Physcomitrella patens)在镉胁迫
下的基因表达特征。结果表明, 在镉胁迫下, 小立碗藓细胞骨架组织、微管运动、DNA修复系统、端粒维护、配子体形成
与有性生殖以及与氮代谢等相关基因的表达具有明显的镉胁迫应答特征, 暗示了这些基因可能共同参与小立碗藓对镉胁迫
的调控反应。该研究结果为阐明植物对镉胁迫的应答机制提供了新的线索。
关键词 贝叶斯网络, 镉胁迫, 高通量测序, 小立碗藓, 调控机制
伍自力, 余孟瑶, 陈露, 魏静, 王晓琴, 胡勇, 闫妍, 万平 (2015). 小立碗藓对重金属镉胁迫的应答特征. 植物学报 50, 171–179.
镉(Cd)是一种毒性强且对环境污染较严重的重
金属, 是植物非必需的微量元素, 很容易被植物吸收
积累, 并严重影响植物正常生长发育, 然后通过食物
链严重危及人和动物的健康和生命。据估计, 全世界
每年新增约3.0×104 t镉污染, 其中1.3×104 t为工业排
放(Chmielowska-Bak et al., 2014)。我国受镉污染的
土壤面积已达2×104 hm2, 每年生产的镉含量超标的
农产品达1.46×109 kg。水稻(Oryza sativa)、小麦
(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)等主要粮食作
物面临的镉污染尤为严重, 而且有日益加重的趋势。
植物对Cd有富集作用, 研究植物对镉的吸收、转运、
外排等分子机理对镉污染的治理以及保障粮食安全
尤为重要。
植物对镉胁迫的响应有两种: 低浓度可存活并进
行一系列响应; 高浓度致死。镉对植物生长发育的影
响主要是抑制细胞的分裂以及生长相关酶的活性
(Yourtchi and Bayat, 2013)。对于植物忍耐、适应镉
胁迫的研究已取得了一些进展。Hart等(1998)研究了
在不同浓度镉胁迫下, 硬粒小麦结合、吸收和转运Cd
的调控机制。还有一些研究证实了Cd会干扰植物蛋白
质的合成和许多其它代谢过程 (Chmielowska-Bak
and Deckert, 2012; Chmielowska-Bak et al., 2014)。
植物响应镉胁迫可能的机制主要是: Cd2+进入细胞后
激活细胞内的Cd2+耐受和解毒机制, 如合成大量螯合
肽, 包含植物螯合肽(phytochelatins, PCs)和金属硫
蛋白(metallothioneins, MTs)。复合物则可以通过液
泡膜上的转运体进入液泡, 或者合成胁迫相关蛋白
(酶和金属转运蛋白等)与信号分子(如水杨酸、脱落酸
和乙烯等), 从而开启信号转导通路。相应的转录因子
在响应镉胁迫过程中起着十分重要的作用。植物响应
镉胁迫会依赖错综复杂的信号转导途径, 最终表现在
金属响应基因转录水平的调控 (DalCorso et al.,
2010; Chmielowska-Bak and Deckert, 2012;
Chmielowska-Bak et al., 2014)。
研究结果表明, 植物对镉胁迫的防御应答反应可
分为几个阶段。第1层壁垒是细胞壁和细胞膜。许多
研究表明, 镉能够诱导NADPH氧化酶在细胞膜上的
富集, 导致活性氧物质(如H2O2、NO)增加(Chmie-
lowska-Bak and Deckert, 2012; Chmielowska-Bak
et al., 2014)。这些活性氧信号被植物感知, 在早期产
生Ca2+和NO等信号分子(Xiong et al., 2009, 2010;
Chmielowska-Bak and Deckert, 2013)。之后或同时,
镉胁迫信号还可以通过乙烯、生长素、茉莉酸(JA)、
水杨酸(SA)和脱落酸(ABA) (Hsu and Kao, 2003)等
·研究报告·
172 植物学报 50(2) 2015

植物激素信号途径介导产生相应的抗性生理反应
(Chmielowska-Bak and Deckert, 2012, 2013; Cabot
et al., 2013; Chmielowska-Bak et al., 2014; Singh
and Shah, 2014)。镉在转录和转录后水平显著调节
促细胞分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated pro-
tein kinase, MAPK)的表达水平(Liu et al., 2010; Ma
et al., 2010; Chmielowska-Bak and Deckert, 2013;
Ye et al., 2013)。MAPK是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激
酶, 结合其它信号途径, 它们能够改变转录因子的磷
酸化状态, 从而开启或者关闭相关基因的表达。研究
表明, 细胞内MYB、HSF、bZIP和DREB等家族的转
录因子在转录水平响应镉胁迫(Farinati et al., 2010;
Wang et al., 2010; Xiong et al., 2010; Cabot et al.,
2013; Chmielowska-Bak et al., 2014)。拟南芥160个
MYB家族的转录因子中约有 20%与镉胁迫相关
(Chen et al., 2006)。例如, 拟南芥在镉胁迫下转录因
子MYB4显著高表达, 镉吸收、转运和解毒相关基因
的转录水平呈显著变化(Weber et al., 2006; van de
Mortel et al., 2008)。
苔藓是迄今为止现存的很多陆生植物中最古老
的群体之一, 无真正的根、茎、叶, 只有类似根的假
根和像叶的叶状体, 细胞与环境直接接触。对于环境
胁迫包括重金属胁迫更加敏感, 常作为环境污染的指
示植物。小立碗藓(Physcomitrella patens)作为藓类
模式植物, 对其基因组测序已经完成(Rensing et al.,
2008)。与拟南芥等种子植物不同, 小立碗藓中没有
植物螯合肽, 因此可能具有不同于种子植物的独特镉
胁迫解毒机制。Rother等(2006)对小立碗藓在镉胁迫
下的生理反应进行了研究, 发现10 µmol·L–1 CdCl2处
理下硫酸盐还原途径和谷胱甘肽生物合成途径被激
活, 但是其分子机制尚不清楚。
本实验用CdCl2处理小立碗藓材料, 利用高通量
测序技术和贝叶斯网络构建方法分析了小立碗藓镉
应答的基因表达特征, 为解析植物对于镉胁迫的响应
机制提供新线索。
1 材料与方法
1.1 实验材料
野生型小立碗藓 (Physcomitrella patens ssp. pat-
ens strain Gransden 2004)原丝体培养于铺有玻璃纸
的BCDA培养基上(Cove et al., 2008)。培养条件: 温
度25±1°C, 光周期为16小时光照/8小时黑暗, 光强
为55 μmol·m–2·s–1。
1.2 材料处理
小立碗藓原丝体在正常的BCDA培养基上生长7天后,
将其分别转入含有30 µmol·L–1和100 µmol·L–1 CdCl2
的BCDA培养基上, 同样条件培养24、48和72小时后,
再转入正常的BCDA培养基上, 恢复48小时, 观察表
型确定取材时间。最终选取30 µmol·L–1 CdCl2处理24
和48小时材料进行转录组和qPCR分析。
1.3 总RNA提取及cDNA文库构建
用Trizol (Invitrogen)法提取总RNA。取小立碗藓0.1
g, 加液氮研磨成粉末, 加入1 mLTrizol, 充分混匀,
冰浴10分钟; 加入0.2 mL氯仿, 混匀, 冰浴5分钟;
4°C, 12 000 ×g离心15分钟, 取上清液加入等体积异
丙醇, 混匀, 冰浴5分钟; 4°C, 12 000 ×g离心10分钟,
沉淀用预冷的75%乙醇清洗2次, 冻干。用30 µL无核
酸酶水溶解并检测RNA浓度和质量, 于–30°C保存待
用。
1.4 转录组测序文库构建及高通量测序
经检测合格的总RNA样本参照美国lllumina生物技术
公司的mRNA-Seq Sample Preparation Kit的操作说
明构建测序文库。取10 μg RNA样本, 用带有Oligo
(dT)的磁珠分离纯化mRNA, 然后将纯化的mRNA打
成小片段 , 以其为模板 , 用随机引物反转录生成
dsDNA。补平末端后, 在3′末端加A, 再连接上接头,
使用MillElute PCR Purification Kit纯化产物。PCR扩
增产物用琼脂糖凝胶电泳检测, 用QIAquick Gel Ex-
traction Kit (Qiagen)回收凝胶中大小约为300 bps的
cDNA片段, 获得RNA-seq测序文库。利用Illumina
HiSeq 2500测序平台对转录组cDNA文库进行深度测
序。
1.5 数据拼接及转录本信息构建
对测序的原始数据进行分析。利用Fastqc软件对各组
过滤后的数据进行数据质控。使用NGSQCToolkit软
件 (http://59.163.192.90:8080/ngsqctoolkit/cgi-bin/d-
ownload.pl?toolkit=NGSQCTool-kit_v2.3.1.zip)成对
伍自力等: 小立碗藓对重金属镉胁迫的应答特征 173

选取质量值大于20的序列, 并使用Cutadapt (cuta-
dapt (http://cutadapt.googlecode.com/files/cutadapt-
1.2.1.tar.gz)进行去接头处理。使用Tophat软件(top-
hat2(http://tophat.cbcb.umd.edu/)将clean data映射
到 P.patens_152 (ftp://ftp.jgi-psf.org/pub/compgen/
phytozome/v9.0/Ppatens_v1.6/assembly/Ppatens_
152.fa.gz)小立碗藓基因组上。利用Cufflinks软件
(cufflinks(http://cufflinks.cbcb.umd.edu/)对提供的参
考基因组序列构建样品的转录本信息, 不同样品的转
录本合并采用Cufflinks软件包中的cuffmerge处理 ,
最终得到该物种较全面的不含冗余的转录本信息。利
用Cufflinks软件分析具有显著差异的基因/转录本。
1.6 基因差异表达及GO功能富集分析
基因差异表达分析采用Cufflinks软件包中Cuffdiff软
件, 得到不同处理样品的差异表达基因信息。采用R
包中的 topGO (http://www.bioconductor.org/packa-
ges/2.12/bioc/html/topGO.html)对GO条目进行富集
分析。P值统计显著性水平为0.05。
1.7 贝叶斯网络构建
本研究采用R包bnlearn (http://cran.r-project.org/)中
的hill-climbing算法构建贝叶斯网络。根据Friedman
检验法对构建的贝叶斯网络进行Bootstrap检验。共进
行了500次Bootstrap检验 , 任意2个节点之间边的
Bootstrap值大于或等于0.7的节点被用于构建基因调
控网络。采用Cytoscape 2.8.3 (http://www.cytoscape.
org/)将调控网络可视化。
2 结果与讨论
2.1 镉胁迫对小立碗藓的影响
小立碗藓原丝体在正常BCDA培养基上生长7天后,
将其分别转入含有30 µmol·L–1和100 µmol·L–1 CdCl2
的BCDA培养基上。如图1所示, 同样条件培养48小时
后原丝体没有明显的变化。培养72小时后 , 30
µmol·L–1 CdCl2处理的小立碗藓原丝体明显发黄; 100
µmol·L–1 CdCl2处理的小立碗藓原丝体枯萎死亡。
再将其转入正常BCDA培养基上培养48小时后 ,




图1 镉胁迫对小立碗藓生长发育的影响

Figure 1 The effect of cadmium stress on Physcomitrella patens growth


174 植物学报 50(2) 2015

30 µmol·L–1 CdCl2处理的小立碗藓原丝体能够恢复
生长; 但100 µmol·L–1 CdCl2处理的小立碗藓原丝体
不能恢复正常生长, 已经死亡。为了研究小立碗藓对
镉胁迫的应答反应, 我们选择30 µmol·L–1 CdCl2处理
24、48小时后小立碗藓原丝体进行转录组分析。
2.2 转录组测序、组装及差异表达分析
从小立碗藓原丝体对照以及镉处理材料中提取总
RNA后用Illumina HiSeq 2500测序仪进行测序, 得到
的原始图像数据经base calling转化为序列数据(raw
reads), 然后去除杂质和接头序列, 得到30 µmol·L–1
CdCl2处理0、24和48小时Clean reads分别为2 754
万、2 701万和1 045万个。将clean data映射到P.
patens_152小立碗藓基因组上, 采用Cufflinks软件
构建转录本信息并进行差异基因表达分析。将CdCl2
处理的样品和未经处理的样品进行比较, 利用T检验
分析每个基因的P值 , 最终得到表达差异显著的
2 033个基因。
2.3 小立碗藓镉胁迫基因调控网络
海量数据的筛选必须借助大数据分析方法。为了筛选
出植物对镉胁迫响应过程中的重要基因, 我们采用贝
叶斯网络方法分析2 033个基因的内在联系。将2 033
个小立碗藓镉胁迫差异表达基因采用贝叶斯网络方
法构建其调控网络(图2)。该网络包含704个节点(基
因), 788条边(调控关系), 连接度5以上的有32个基
因。每条边的Bootstrap统计显著性值都大于或等于
0.7。图3显示基因调控网络节点连接度分布。由图3
可知, 只有少数节点具有较高的连接度, 多数节点的
连接度较低(图3), 符合幂律分布, 说明该网络为无尺
度网络, 符合生物网络特征, 也间接证明所获得的差
异基因数据符合生物学规律。
2.4 GO条目富集分析
利用本实验构建的小立碗藓镉胁迫贝叶斯基因调控
网络, 进一步对所有差异表达基因进行GO富集分析
(enrichment analysis)。如表1显示, 小立碗藓在应对
镉胁迫时主要启动了4大类响应机制。第1类响应机制
是参与微管和细胞骨架相关的生物学途径, 包括参与
微管运动的调控途径、微管的加工组装以及细胞骨架
的调控。第2类响应机制是参与调控DNA损伤修复和



图2 小立碗藓镉胁迫基因调控网络
该网络包含704个节点(基因), 788条边(调控关系)。图中红色节
点的连接度为13

Figure 2 The gene regulatory network of Physcomitrella
patens under cadmium stress
The network consists of 704 nodes (genes) and 788 edges
(regulation relation). The degree of the red node is thirteen




图3 小立碗藓镉胁迫基因调控网络节点连接度分布

Figure 3 The distribution of the node degree in Physcomi-
trella patens gene regulation network under cadmium stress
伍自力等: 小立碗藓对重金属镉胁迫的应答特征 175

表1 小立碗藓镉胁迫基因调控网络中被富集的GO条目
Table 1 The enriched GO terms in Physcomitrella patens gene regulation network under cadmium stress
Type GO number Biological processes P value
1 GO:0007018 Microtubule-based movement 2.80E-06
GO:0007017 Microtubule-based process 6.90E-05
GO:0007010 Cytoskeleton organization 0.018 8
GO:0006260 DNA replication 0.001 7
GO:0006259 DNA metabolic process 0.002 5
GO:0006302 Double-strand break repair 0.015 3
GO:0000723 Telomere maintenance 0.033 4
2
GO:0032200 Telomere organization 0.033 4
GO:0007276 Gamete generation 0.033 4
GO:0007292 Female gamete generation 0.033 4
3
GO:0019953 Sexual reproduction 0.033 4
GO:0019627 Urea metabolic process 0.033 4 4
GO:0071941 Nitrogen cycle metabolic process 0.033 4


端粒维护的生物学途径, 包括DNA复制、DNA代谢、
双链DNA断裂的修复、端粒的维持及组织等生物学途
径。第3类响应机制是参与配子体的形成和有性繁殖
的生物学途径, 如雌雄配子的产生机制、有性生殖的
生物学途径。第4类响应机制是参与尿素代谢和氮循
环代谢的生物学过程。说明植物在镉胁迫条件下影响
了氮的吸收与代谢 , 这与前人报道相一致(Chmie-
lowska-Bak and Deckert, 2012; Chmielowska-Bak
et al., 2014)。
2.5 qPCR验证
为了验证转录组差异分析结果, 我们挑选了10个差
异表达基因, 利用qPCR研究其在镉胁迫条件下的表
达水平(图4; 表2)。依据基因调控网络数据, 从32个
连接度大于5的高连接度基因中选取5个(Pp1s34_
49V6、Pp1s352_53V6、Pp1s59_160V6、Pp1s57_
179V6和Pp1s204_5V6); 从镉胁迫转录组数据中随
机选择2个上调20倍以上的基因(Pp1s68_291V6和
Pp1s13_454V6), 从下调基因集中随机选择下调幅
度达20倍以上的3个基因(Pp1s133_35V6、Pp1s259_
32V6和 Pp1s175_94V6)。经 qPCR验证 , 其中
Pp1s352_53V6、Pp1s204_5V6、Pp1s13_454V6和
Pp1s68_291V6四个基因在镉处理后上调表达超过
20倍, 其中Pp1s68_291V6在24小时内上调超过100
倍。另外, 所选的3个镉胁迫下调表达基因经qPCR验
证为显著下调表达。


图4 镉胁迫应答基因的表达

Figure 4 Expression of 10 Cd-respon- sive genes



依据表达模式的不同可将这10个基因分为4组。
第1组为Pp1s57_179V6和Pp1s204_5V6, 镉胁迫24
小时表达量上调, 48小时表达量继续上调。第2组包括
Pp1s34_49V6、Pp1s352_53V6和Pp1s13_454V6,
镉胁迫后基因上调表达且相对恒定, 在24和48小时
之间表达无显著差异。第3组包括Pp1s59_160V6和
Pp1s68_291V6, 镉胁迫24小时先上调表达, 48小时
后表达水平下降。第4组为P p 1 s 1 3 3 _ 3 5 V 6、
Pp1s259_32V6和Pp1s175_94V6, 在镉处理前基因
176 植物学报 50(2) 2015

表2 用于qPCR检测的10个基因
Table 2 A list of ten genes selected for qPCR analysis
Gene identification
number
The homologous gene in
Arabidopsis thaliana
Function
Pp1s34_49V6 AT2G27290.1 Protein of unknown function (DUF1279)
Pp1s352_53V6 AT3G57060.2 Chromosome condensation
Pp1s59_160V6 AT3G44750.1 Histone deacetylase 3
Pp1s57_179V6 AT5G18140.1 Chaperone DnaJ-domain superfamily protein
Pp1s204_5V6 AT5G20935.1 Protein of unknown function
Pp1s68_291V6 AT5G57590.1 Adenosylmethionine-8-amino-7-oxononanoate transaminases
Pp1s13_454V6 AT5G54910.1 DEA (D/H)-box RNA helicase family protein
Pp1s133_35V6.1 AT1G08260.1 DNA polymerase epsilon catalytic subunit
Pp1s259_32V6.1 AT1G79690.1 Dipeptidyl-peptidase activity, hydrolase activity
Pp1s175_94V6.1 AT4G01130.1 GDSL-like Lipase/Acylhydrolase superfamily protein involved in lipid
metabolic process


表达水平较高, 但在镉胁迫后其表达受到强烈抑制。
2.6 潜在的镉胁迫重要响应基因分析
在小立碗藓镉胁迫基因调控网络中, 存在一个连接度
为13的基因Pp1s34_49V6(图5), 其高连接度提示该
基因可能具有重要的功能。目前, Pp1s34_49V6还是
一个功能未知基因。我们进一步对它所调控的子网络
进行了分析。其中Pp1s210_82V6参与细胞死亡过程;
Pp1s228_39V6参与脂代谢过程; Pp1s128_34V6参
与DNA复制、修复和重组过程; Pp1s36_15V6参与以
DNA为模板的转录过程; Pp1s21_330V6参与蛋白质
磷酸化过程, 其它基因参与的生物学过程未知。因此,
我们推测Pp1s34_49V6可能在植物响应镉胁迫的过
程中具有重要作用。该蛋白在植物界普遍存在, 但功
能均为未知, 拟南芥中的同源蛋白预测为膜蛋白。总
之 , Pp1s34_49V6的生物学功能有待进一步深入
研究。
2.7 讨论
低浓度的镉抑制植物的生长发育, 高浓度则导致植物
死亡。小立碗藓中可能存在与被子植物不同的抵抗镉
胁迫的调控机制。因此, 我们以小立碗藓为研究材料,
运用高通量测序及数字化技术分析了小立碗藓对镉
胁迫的响应机制。
小立碗藓受到镉胁迫后, 参与微管运动和细胞骨
架相关的基因表达水平发生了很大变化。植物细胞骨
架在细胞的多种生理活动中发挥着重要作用, 可以维


图5 Pp1s34_49V6参与的基因调控子网络

Figure 5 Gene regulatory sub-network of Pp1s34_49V6


持细胞形态结构, 调控细胞运动、物质运输、细胞分
化和信息传递等过程。大量研究表明, 细胞骨架对金
属离子非常敏感(Hepler and Hush, 1996; Liu et al.,
2009)。洋葱(Allium cepa)细胞在50 µmol·L–1 CdCl2
胁迫下 , 其微管组织发生解聚 (Dovgalyuk et al.,
2003); 绿藻受到铝、镍或铜胁迫时, 微管和微丝组织
也发生解聚(Pribyl et al., 2008); 铜或铅胁迫影响大
蒜微管组装, 促使其微管解聚, 导致染色体运动紊
乱, 抑制了细胞有丝分裂过程(Liu et al., 2009)。本研
究结果显示, 在镉胁迫下, 小立碗藓细胞骨架组织受
伍自力等: 小立碗藓对重金属镉胁迫的应答特征 177

到影响, 并可能影响细胞形态和细胞分化等过程, 进
而使植物的生长发育受阻。
DNA损伤修复和端粒维护相关基因的表达明显
受到镉胁迫的影响。镉胁迫使得细胞内环境稳态遭到
破坏, 导致细胞代谢紊乱的原因之一是细胞被氧化
(Nzengue et al., 2008)。 细胞氧化产生活性氧, 而活
性氧造成DNA损伤(Ercal et al., 2001)。在镉胁迫下,
DNA修复系统被抑制, 加剧DNA损伤(Hartwig and
Schwerdtle, 2002)。端粒是染色体末端的DNA重复序
列, 对保持染色体的完整性起着重要作用。镉胁迫会
造成小鼠胚胎干细胞端粒缩短和DNA损伤, 进而导
致细胞死亡(Huang et al., 2013)。而烟草(Nicotiana
tabacum)在受到镉胁迫时DNA修复系统和端粒酶的
活性会加强(Fojtová et al., 2002)。在拟南芥镉胁迫蛋
白质组和转录组、水稻镉胁迫转录组中都发现DNA损
伤修复和DNA复制相关功能增强(Herbette et al.,
2006; Roth et al., 2006; Oono et al., 2014)。我们的
研究表明, 镉胁迫影响了DNA代谢、DNA复制、DNA
损伤系统以及端粒维护功能, 进而引发细胞死亡, 这
与在其它物种中的研究结果相一致。
镉胁迫下, 小立碗藓与配子形成和有性繁殖相关
基因表达量下调, 而尿素代谢和氮循环代谢相关基因
的表达上调。栅连藻(Scenedesmus acutus)在受到重
金属胁迫时有性繁殖能力会加强 (Corradi et al.,
1995)。然而, 在水稻和拟南芥中, 镉胁迫抑制根的生
长 , 导致光合能力降低 , 植株的结实率显著降低
(Weber et al., 2006; van de Mortel et al., 2008;
Oono et al., 2014)。小立碗藓受到镉胁迫时生长受到
抑制。转录组分析结果表明, 有性繁殖和配子形成相
关基因表达量下调。暗示小立碗藓与被子植物的镉应
答机制类似, 与低等的藻类存在较大的区别。
氮是组成生物大分子的重要大量元素, 在植物的
生长、发育和繁殖中起重要作用。在重金属胁迫环境
下, 活性氧种类增加, 对蛋白质造成损伤, 丧失功能
的蛋白质被降解(Rai et al., 2004)。蛋白质降解后的
氮元素经尿素代谢和氮循环代谢重新被用于合成有
功能的蛋白质, 保障植物正常生理过程的进行。小立
碗藓受到镉胁迫时, 与尿素代谢和氮循环代谢的相关
基因表达量上调, 暗示了小立碗藓可能利用尿素代谢
和氮循环代谢更新因受镉胁迫而丧失功能的蛋白质,
维持小立碗藓的正常生长。
我们通过全面分析小立碗藓对镉胁迫的应答反
应, 提出了小立碗藓对镉胁迫的调控网络。细胞骨架
组织、微管运动、DNA修复系统、端粒维护、配子形
成与有性繁殖以及尿素代谢与氮代谢等相关基因协
同作用, 共同参与了小立碗藓对镉胁迫的调控反应。
此外, 研究中我们发现了一个潜在的镉胁迫重要
响应基因Pp1s34_49V6, 在小立碗藓镉胁迫基因调
控网络中该基因的连接度为13。qPCR验证该基因在
镉处理24和48小时持续上调表达近3倍。然而, 它是
一个功能未知基因, 对它的进一步研究有可能更深入
揭示小立碗藓对镉胁迫的调控机制。
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Transcriptome Analysis of Physcomitrella patens Response to
Cadmium Stress by Bayesian Network
Zili Wu1, 2, Mengyao Yu2, Lu Chen2, Jing Wei2, Xiaoqin Wang3, Yong Hu2, Yan Yan2, Ping Wan2*
1Key Laboratory of Aromatic Plant Resources Exploitation and Utilization in Sichuan Higher Education, College of Life Sci-
ences and Food Engineering, Yibin University, Yibin 644000, China; 2Beijing Key Laboratory of Plant Gene Resource and
Low-carbon Environmental Biotechnology, Capital Normal University, Beijing 100048, China; 3Key Laboratory of Urban
Agriculture (North) Ministry of Agriculture, Beijing University of Agriculture, Beijing 102206, China
Abstract Cadmium is a non-essential heavy metal for plant growth. Cadmium stress causes cell metabolism distur-
bance or death in plant. Here, we performed transcriptome analysis of Physcomitrella patens during cadmium stress by
RNA-Seq. We revealed a new transcriptional network of cadmium stress in plants. The functions of genes that were
upregulated or downregulated under cadmium stress included microtubule-based movement, microtubule-based proc-
essing, cytoskeleton organization, DNA replication, DNA metabolic process, telomere maintenance and organization,
sexual reproduction, urea metabolic process, and nitrogen cycle metabolic process. These proteins may play roles in P.
patens under cadmium stress. Our study provides new information for the further research of the molecular mechanisms
of plant adaptation to cadmium stress.
Key words Bayesian network, cadmium stress, high-throughput sequencing, Physcomitrella patens, regulatory mechanism
Wu ZL, Yu MY, Chen L, Wei J, Wang XQ, Hu Y, Yan Y, Wan P (2015). Transcriptome analysis of Physcomitrella patens
response to cadmium stress by Bayesian network. Chin Bull Bot 50, 171–179.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: wanping@mail.cnu.edu.cn
(责任编辑: 白羽红)