多組學研究在植物領域中的應用—品質(zhì)性狀篇

 

本次我們給大家?guī)砣枚嘟M學工具助力植物品質(zhì)性狀（色澤、氣味、味道等）調(diào)控機理研究的高分文章解讀，希望能給老師后續(xù)的研究提供思路。

轉(zhuǎn)錄組+蛋白組

• 轉(zhuǎn)錄組代表了基因表達的中間狀態(tài),可以反映諸如轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的機理。蛋白質(zhì)是生物體直接的功能執(zhí)行者，反映了生物體的狀況。 轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學聯(lián)合分析能夠真正觀察到mRNA-蛋白質(zhì)關聯(lián)性，充分利用轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組研究的差異性和互補性，對基因的表達水平進行衡量，以獲得基因表達各個步驟表達和調(diào)控的全景圖，發(fā)掘常規(guī)單個組學未能發(fā)現(xiàn)的新結(jié)果。全面探究生物體疾病機理、脅迫機制，研究重要基因的表達模式和調(diào)控機理。

轉(zhuǎn)錄組+代謝

• 轉(zhuǎn)錄組的表達不能直接證明表型是否發(fā)生變化，但是表型性狀的微小變化在代謝水平會呈指數(shù)放大，可以利用代謝組來反映表型的狀態(tài)變化，但是單獨代謝組檢測，無法解釋影響表型的基因機理。轉(zhuǎn)錄組+代謝組的多組學分析，可以同時實現(xiàn)從“因”和“果”兩個層面來探究生物學問題，相互間進行驗證，從海量的數(shù)據(jù)中篩選出關鍵基因、代謝物及代謝通路，深度解析生物系統(tǒng)的宏觀發(fā)育過程，解釋生物過程的復雜性和整體性，提高文章的水平。

多組學研究在植物領域中的應用案例1、全長轉(zhuǎn)錄組和代謝組聯(lián)合分析揭示了牡丹花黃色色素沉著的調(diào)控機制

英文標題：Integrating full-length transcriptomics and metabolomics reveals the regulatory mechanisms underlying yellow pigmentation in tree peony (Paeonia suffruticosa Andr.)flowers

期刊：Horticulture Research

影響因子：7.291（2021年11月）

研究策略：全長轉(zhuǎn)錄組+靶向代謝組

Doi：10.1038/s41438-021-00666-0

實驗設計

實驗材料：黃花品種“海黃”和紫紅色花品種“肉芙蓉”牡丹花瓣。

實驗方法：分別選取五個不同開花階段（S1：第1階段，無色緊芽；S2：第2階段，輕微著色的軟芽；S3：第3階段，最初開花；S4：第4階段，半開花；S5：第5階段，花藥外露，完全開放并著色。）；驗證實驗：qRT-PCR 、亞細胞定位、過表達、雙熒光素酶系統(tǒng)。

測序策略：全長轉(zhuǎn)錄組測序（PB平臺）+ 二代轉(zhuǎn)錄組測序 + 黃酮靶向代謝組學

 

研究內(nèi)容

為表征樹牡丹花色發(fā)育情況，以黃花品種“海黃”和紫紅花品種“肉芙蓉”為研究對象，在花蕾早期至盛開的S1-S5共5個發(fā)育階段對兩個品種的花瓣組織進行了取樣，用于測定花瓣顏色指數(shù)，在“海黃”中發(fā)現(xiàn)L *（明度）值從S1到S5逐漸增加，這表示花瓣顏色明度升高。C *（色度）和b *（黃色）在S3達到峰值，隨后在S4和S5下降，證明S3是顏色最黃的階段。而“肉芙蓉”在整個開花過程中沒有觀察到L *的顯著變化。在S1到S5階段，“肉芙蓉”中b *顯著低于“海黃”。同樣，“肉芙蓉”中a *（紅色）比“海黃”要高得多。

之后作者采用靶向代謝組技術測定了花瓣中的黃酮含量，“海黃”中靶向黃酮類化合物在S1至S3階段顯著增加，然后在S4和S5略微下降。在S3-S5開花后期階段，THC的含量顯著高于其他黃酮類化合物。Ap和Km在五個開花階段都有相似的黃酮含量。在整個開花過程中，“海黃”中沒有檢測到花青素。相比之下，在“肉芙蓉”中檢測到了三種花青素，其中主要是芍藥素3-O-葡糖苷（Pn3G），在S5階段達到高水平，說明Pn3G可能有助于紫紅色著色。與“海黃”相比，THC、Is、Ap含量在前4個階段快速上升，在S5階段下降，變化范圍比花葵素3-O-葡糖苷（Pg3G）的變化范圍相對較小。相反，Lu、Km、Qu、花青素3-O-葡糖苷（Cy3G）的含量沒有明顯的變化，推測這些組分可能對于紫紅色著色沒有顯著影響。

全長轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果顯示，“海黃”黃酮類生物合成基因在S2階段比“肉芙蓉”表達水平高，分別為PsCHSs和PsCHIs，PsCHS在合成THCs中有重要作用，而PsCHI在黃酮合成過程中發(fā)揮關鍵作用，這有助于黃色著色，此外，注釋為PsF3Hs的基因也有很高的轉(zhuǎn)錄水平。在這些基因中，PsFLS可以改變黃酮類途徑，以促進黃酮醇的合成?！昂｜S”和“肉芙蓉”中這些表達的變化與“海黃”中高水平的THC、黃酮和黃酮醇一致。S2 vs?S3階段，發(fā)現(xiàn)“海黃”中PsDFRs和PsUFGTs表達水平顯著下調(diào)，PsDFR和PsUFGT在花青素合成中起關鍵作用，如Cy3G，Pn3G和Pg3G的生物合成。因此，PsDFRs和PsUFGTs在“海黃”表達下調(diào)可以解釋這種黃色花卉品種中缺乏花青素的產(chǎn)生。

TF分析顯示調(diào)節(jié)黃酮類生物合成的TF基因都在具有黃色花的“海黃”品種中上調(diào)，MYB和bHLH是調(diào)節(jié)植物黃酮類生物合成的關鍵轉(zhuǎn)錄因子TFs。該研究鑒定了幾個差異表達的MYB和bHLH轉(zhuǎn)錄因子，每一個都與牡丹黃酮類的產(chǎn)生有關。其中，PsMYB4被鑒定為具有bHLH相互作用位點的負黃酮類調(diào)節(jié)劑，這意味著它們可能形成一個復雜的負調(diào)控網(wǎng)絡。研究發(fā)現(xiàn)PsMYB111通過單獨調(diào)節(jié)PsFLS促進黃酮醇的積累。此外，PsMYB4和PsEGL3可能形成復合物負調(diào)控部分結(jié)構(gòu)基因，而PsSPL9可能單獨負調(diào)控PsDFR，抑制花青素的產(chǎn)生，降低藍色著色。

亞細胞定位分析與轉(zhuǎn)基因?qū)嶒灲Y(jié)果進一步驗證了上述基因的關鍵作用：亞細胞定位分析顯示PsMYB111定位于細胞核，表明PsMYB111可能在細胞核中發(fā)揮TF的作用。PsMYB111在煙草中的過表達使其花顏色由玫瑰紅變?yōu)闇\粉色。轉(zhuǎn)基因煙草株系中Km、Qu等黃酮醇含量顯著增加，而Pg3G、Pn3G等花青素含量顯著降低，證實了其在黃色牡丹花著色中的作用。此外，在GhMYB1a過表達的轉(zhuǎn)基因煙草株系中，NtCHS、NtF3H和NtFLS的表達顯著上調(diào)，GhMYB1a顯著激活了非洲菊GhDFR和GhMYB10的NtCHS和NtFLS啟動子。同樣，PsMYB111對PsCHS和PsFLS啟動子，尤其是PsFLS有顯著的激活作用。

多組學研究在植物領域中的應用案例2、多組學聯(lián)合解析突尼斯軟籽石榴揮發(fā)性風味物質(zhì)生物合成機制

英文標題：Transcription profile analysis for biosynthesis of flavor volatiles of Tunisian soft-seed pomegranate arils ??????

期刊（IF）：Food Research International

影響因子：7.425（2022年4月）

研究策略：轉(zhuǎn)錄組學+非靶代謝組（GC-MS）+生理指標測定

Doi：10.1016/j.foodres.2022.111304

實驗設計

實驗材料：分別采集來自云南大理市(Y_DTN)、云南麗江市(Y_LTN)、云南建水縣(Y_JTN)、云南曲靖市(Y_QTN)、四川會理市(S_DHT)和攀枝花市(S_PTN)以及河南滎陽市(H_HYT)共7個不同產(chǎn)區(qū)的石榴。

實驗方法：取果肉進行轉(zhuǎn)錄組和代謝組測序。生理指標測定：pH值、有機酸、可溶性糖（TSS）、維生素C含量

測序策略：轉(zhuǎn)錄組（Illumina測序平臺）+非靶代謝組（GC-MS）

技術路線

研究內(nèi)容

風味是影響石榴及其產(chǎn)品感官的重要因素，在石榴的加工和貯藏過程中很容易失去新鮮度，但目前對風味相關化合物的生物合成還知之甚少。

該研究對中國7個地區(qū)突尼斯石榴的代謝組和轉(zhuǎn)錄組、風味相關屬性和揮發(fā)性化合物進行了研究。7個不同種植區(qū)的石榴，糖、有機酸和維生素c含量存在顯著差異。所有樣品共鑒定了40種揮發(fā)性化合物，其中13種揮發(fā)性化合物。所有樣品中有4種化合物含量較高，包括1-己醇、(Z)-3-己烯醇、α-松果醇和2,4-二叔丁基苯酚，是影響石榴香氣品質(zhì)的主要貢獻因素。所有樣品的5個差異積累代謝物，包括棕櫚酸、辛酸、月桂酸、癸酸和肉豆蔻酸，在所有樣品的脂肪酸生物合成中均顯著富集。WGCNA分析結(jié)果表明42個候選風味相關差異表達基因和9個轉(zhuǎn)錄因子主要位于3個關鍵模塊中。己烷酸是一種重要的代謝物，與38個差異表達基因顯著相關。本研究構(gòu)建了復雜的調(diào)控網(wǎng)絡，以確定調(diào)控石榴中揮發(fā)性化合物代謝的結(jié)構(gòu)基因和轉(zhuǎn)錄因子，發(fā)現(xiàn)bZIP56、bZIP56、bZIP20、WRKY24和bHLH9在石榴果皮的風味代謝調(diào)控中起重要作用。

該研究為理解石榴果皮風味生物合成和調(diào)控網(wǎng)絡的差異提供了新的見解。對于突尼斯軟籽石榴，生長區(qū)環(huán)境因素對不同生長階段風味品質(zhì)調(diào)控的干預機制有待進一步探討。

多組學研究在植物領域中的應用案例3、代謝組+轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析揭示了紫茶花中苯類-苯丙烷色素和香氣的關系

英文標題：Integration of Metabolome and Transcriptome Reveals the Relationship of Benzenoid-Phenylpropanoid Pigment and Aroma in Purple Tea Flowers

期刊（IF）：Frontiers in plant science

影響因子：5.753（2021年11月）

Doi：10.3389/fpls.2021.762330

實驗設計

實驗材料：在廣東省白塘鎮(zhèn)的茶園中培育了紫茶花BT和白花茶花ZJ

實驗方法：采摘第2階段（開花前）的花朵，收集花瓣液氮速凍，-80℃保存。

測序策略：轉(zhuǎn)錄組（Illumina測序平臺）+非靶代謝組（GC-MS）

主要研究內(nèi)容

山茶花的花通常是白色的，葉片是紫色的，研究發(fā)現(xiàn)了一種特殊的品種，葉子和花都是紫色的，而研究者通常關注顏色形成的機制，而忽略了香氣的變化。紫茶樹含有更多的花青素，屬于黃酮類化合物。同時，由莽草酸途徑衍生的苯丙氨酸（Phe）是黃酮類化合物和揮發(fā)性苯類苯丙素（BPs）的前體。因此，目前尚不清楚BP的香氣是否因紫色的出現(xiàn)而減弱。

本研究整合了白花（ZJ）和紫花（BT）的花瓣代謝組和轉(zhuǎn)錄組，揭示了顏色（花青素）和香氣（揮發(fā)性BPs）之間的關系。結(jié)果表明，在紫色花瓣中，3-脫氧-d-阿拉伯七甲糖酸7-磷酸合酶（DAHPS）促進的上游莽草酸途徑升高。在增加的花青素中，飛燕草素-3-O-葡萄糖苷（DpG）極高；苯甲醛、苯乙醇、苯醇（AP）也增強，AP顯著升高。誘導揮發(fā)性BPs生物合成相關的結(jié)構(gòu)基因，在整個類黃酮生物合成途徑下調(diào)，不同的是，類黃酮F3’?H和類黃酮F3’?5’?H通過高表達，將碳通量轉(zhuǎn)移到飛燕草素，然后通過增加青銅-1（BZ1）（UDP-葡萄糖：類黃酮3-O-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶）與糖苷結(jié)合形成DpG。

選擇與AP和DpG高度相關的轉(zhuǎn)錄因子（TFs），研究它們與差異表達的結(jié)構(gòu)基因的相關性。結(jié)果顯示MYB、AP2/ERF、bZIP、TCP、GATA等基因顯著表達，并專注于Phe上游合成基因的調(diào)控(DAHPS；和AP（苯乙醛還原酶、短鏈脫氫酶/還原酶）、Dp（F3’H；F3’?5’?H）和DpG（BZ1）的合成，但抑制黃酮（黃酮醇合酶）和兒茶素（白花青素還原酶）的形成。這些結(jié)果發(fā)現(xiàn)了紫茶樹中揮發(fā)性BPs的促進作用，擴展了我們對BPs型顏色與香氣關系的理解。

 

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