多組學研究在植物領域中的應用—品質性狀篇

 

本次我們給大家?guī)砣枚嘟M學工具助力植物品質性狀（色澤、氣味、味道等）調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。

轉錄組+蛋白組

• 轉錄組代表了基因表達的中間狀態(tài),可以反映諸如轉錄調控、轉錄后調控的機理。蛋白質是生物體直接的功能執(zhí)行者，反映了生物體的狀況。 轉錄組學和蛋白質組學聯(lián)合分析能夠真正觀察到mRNA-蛋白質關聯(lián)性，充分利用轉錄組和蛋白質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控的全景圖，發(fā)掘常規(guī)單個組學未能發(fā)現(xiàn)的新結果。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控機理。

轉錄組+代謝

• 轉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：全長轉錄組測序（PB平臺）+ 二代轉錄組測序 + 黃酮靶向代謝組學

 

研究內容

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。

全長轉錄組分析結果顯示，“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。“海黃”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，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，MYB和bHLH是調節(jié)植物黃酮類生物合成的關鍵轉錄因子TFs。該研究鑒定了幾個差異表達的MYB和bHLH轉錄因子，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節(jié)劑，這意味著它們可能形成一個復雜的負調控網(wǎng)絡。研究發(fā)現(xiàn)PsMYB111通過單獨調節(jié)PsFLS促進黃酮醇的積累。此外，PsMYB4和PsEGL3可能形成復合物負調控部分結構基因，而PsSPL9可能單獨負調控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基因實驗結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過表達的轉基因煙草株系中，NtCHS、NtF3H和NtFLS的表達顯著上調，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：轉錄組（Illumina測序平臺）+非靶代謝組（GC-MS）

技術路線

研究內容

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分析結果表明42個候選風味相關差異表達基因和9個轉錄因子主要位于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。本研究構建了復雜的調控網(wǎng)絡，以確定調控石榴中揮發(fā)性化合物代謝的結構基因和轉錄因子，發(fā)現(xiàn)bZIP56、bZIP56、bZIP20、WRKY24和bHLH9在石榴果皮的風味代謝調控中起重要作用。

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調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：轉錄組（Illumina測序平臺）+非靶代謝組（GC-MS）

主要研究內容

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）的花瓣代謝組和轉錄組，揭示了顏色（花青素）和香氣（揮發(fā)性BPs）之間的關系。結果表明，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生物合成相關的結構基因，在整個類黃酮生物合成途徑下調，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-葡萄糖基轉移酶）與糖苷結合形成DpG。

選擇與AP和DpG高度相關的轉錄因子（TFs），研究它們與差異表達的結構基因的相關性。結果顯示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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