شناسایی ژن‌های تنظیم‌کننده گل‌دهی در زعفران با استفاده از توالی‌یابی ترنس‌کریپتوم تک‌مولکولی در زمان واقعی

زمینه: زعفران (Crocus sativus) یک ادویه ارزشمند با مصارف دارویی در بیماری‌های زنان و سیستم عصبی است. شناسایی ژن‌های تنظیم‌کننده گل‌دهی نقش حیاتی در افزایش تعداد گل و در نتیجه عملکرد بالای زعفران دارد. نتایج: دو مجموعه ژن ترنس‌کریپتوم با طول کامل از گیاهان گل‌دهنده و غیر گل‌دهنده زعفران به طور جداگانه با استفاده از روش توالی‌یابی تک‌مولکولی در زمان واقعی (SMRT) ایجاد شد. در مجموع شانزده سلول SMRT، 22.85 گیگابایت داده و 75351 یونیژن با طول کامل زعفران روی پلتفرم PacBio RS II تولید کردند و همچنین 79028 SSR، 72603 lncRNA و 25400 رویداد شکلبندی جایگزین (AS) به دست آمد. با استفاده از پلتفرم Illumina RNA-seq، پانزده کورم دیگر با تعداد گل‌های متفاوت توالی‌یابی شدند. بسیاری از یونیژن‌های با بیان افتراقی (DEGs) به طور جداگانه بین جوانه‌های انتهایی گل‌دهنده و غیر گل‌دهنده تطبیق‌یافته با تیمار سرما (1677)، جوانه‌های انتهایی گل‌دهنده کورم‌های 20 گرمی و جوانه‌های انتهایی غیر گل‌دهنده کورم‌های 6 گرمی (1086)، و جوانه‌های جانبی گل‌دهنده و غیر گل‌دهنده تطبیق‌یافته (267) غربالگری شدند. در مجموع 62 ژن احتمالی مرتبط با گل که نقش مهمی در مسیرهای سرمادهی (VRNs)، جیبرلین‌ها (G30X, G20X)، فتوپریود (PHYB, TEM1, PIF4)، خودگردان (FCA) و سن (SPLs) داشتند، شناسایی شد و برای اولین بار یک نمایش شماتیک از شبکه تنظیمی ژن گل‌دهی در زعفران گزارش شد. پس از اعتبارسنجی با qPCR در زمان واقعی در 30 نمونه، دو ژن جدید، PB.20221.2 (p=0.004, r=0.52) و PB.38952.1 (p=0.023, r=0.41)، سطوح بیان بالاتری را در گیاهان گل‌دهنده نشان دادند. توزیع بافتی بیان اختصاصی بالا در اندام‌های گل را نشان داد و آنالیز بیان در طول زمان پیشنهاد کرد که رونوشت‌ها در طول دوره نمو گل به تدریج انباشته می‌شوند. نتیجه‌گیری: ترنس‌کریپتوم‌های با طول کامل از زعفران گل‌دهنده و غیر گل‌دهنده با استفاده از یک رویکرد ترکیبی توالی‌یابی خوان کوتاه NGS و خوان بلند SMRT به دست آمد. این گزارش اولین توصیف از شبکه تنظیمی ژن گل‌دهی زعفران است و یک ترنس‌کریپتوم مرجع با طول کامل برای مطالعات آینده روی زعفران و سایر گیاهان تیره زنبق ایجاد می‌کند.

Background: Saffron crocus (Crocus sativus) is a valuable spice with medicinal uses in gynaecopathia and nervous system diseases. Identify flowering regulatory genes plays a vital role in increasing flower numbers, thereby resulting in high saffron yield. Results: Two full length transcriptome gene sets of flowering and non-flowering saffron crocus were established separately using the single-molecule real-time (SMRT) sequencing method. A total of sixteen SMRT cells generated 22.85 GB data and 75,351 full-length saffron crocus unigenes on the PacBio RS II panel and further obtained 79,028 SSRs, 72,603 IncRNAs and 25,400 alternative splicing (AS) events. Using an Illumina RNA-seq platform, an additional fifteen corms with different flower numbers were sequenced. Many differential expression unigenes (DEGs) were screened separately between flowering and matched non-flowering top buds with cold treatment (1677), flowering top buds of 20 g corms and non-flowering top buds of 6 g corms (1086), and flowering and matched non-flowering lateral buds (267). A total of 62 putative flower-related genes that played important roles in vernalization (VRNs), gibberellins (G30X, G20X), photoperiod (PHYB, TEM1, PIF4), autonomous (FCA) and age (SPLs) pathways were identified and a schematic representation of the flowering gene regulatory network in saffron crocus was reported for the first time. After validation by real-time qPCR in 30 samples, two novel genes, PB.20221.2 (p = 0.004, r = 0.52) and PB.38952.1 (p = 0.023, r = 0.41), showed significantly higher expression levels in flowering plants. Tissue distribution showed specifically high expression in flower organs and time course expression analysis suggested that the transcripts increasingly accumulated during the flower development period. Conclusions: Full-length transcriptomes of flowering and non-flowering saffron crocus were obtained using a combined NGS short-read and SMRT long-read sequencing approach. This report is the first to describe the flowering gene regulatory network of saffron crocus and establishes a reference full-length transcriptome for future studies on saffron crocus and other iridaceae plants.