An Integrated Analysis of the Rice Transcriptome and Metabolome Reveals Differential Regulation of Carbon and Nitrogen Metabolism in Response to Nitrogen Availability

氮气循环 代谢组 磷酸戊糖途径 氮同化 氮气 新陈代谢 代谢途径 转录组 生物化学 代谢组学 柠檬酸循环 生物 化学 代谢物 糖酵解 基因 基因表达 生物信息学 有机化学
作者
Xin Wei,Lina Zhang,Wenzhong Zhang,Jiping Gao,Jun Yi,Xiaoxi Zhen,Ziang Li,Ying Zhao,Chengcheng Peng,Chen Zhao
出处
期刊:International Journal of Molecular Sciences [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:20 (9): 2349-2349 被引量:137
标识
DOI:10.3390/ijms20092349
摘要

Nitrogen (N) is an extremely important macronutrient for plant growth and development. It is the main limiting factor in most agricultural production. However, it is well known that the nitrogen use efficiency (NUE) of rice gradually decreases with the increase of the nitrogen application rate. In order to clarify the underlying metabolic and molecular mechanisms of this phenomenon, we performed an integrated analysis of the rice transcriptome and metabolome. Both differentially expressed genes (DEGs) and metabolite Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway analysis indicated that carbon and nitrogen metabolism is significantly affected by nitrogen availability. Further analysis of carbon and nitrogen metabolism changes in rice under different nitrogen availability showed that high N inhibits nitrogen assimilation and aromatic metabolism pathways by regulating carbon metabolism pathways such as the tricarboxylic acid (TCA) cycle and the pentose phosphate pathway (PPP). Under low nitrogen, the TCA cycle is promoted to produce more energy and α-ketoglutarate, thereby enhancing nitrogen transport and assimilation. PPP is also inhibited by low N, which may be consistent with the lower NADPH demand under low nitrogen. Additionally, we performed a co-expression network analysis of genes and metabolites related to carbon and nitrogen metabolism. In total, 15 genes were identified as hub genes. In summary, this study reveals the influence of nitrogen levels on the regulation mechanisms for carbon and nitrogen metabolism in rice and provides new insights into coordinating carbon and nitrogen metabolism and improving nitrogen use efficiency in rice.
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