● 前言
2021年5月福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室团队联合中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所在《BMC Plant Biology》期刊发表的题为“的研究成果，通过代谢组和转录组学研究方法，确定参与花青素生物合成的候选基因，探究了花青素的生物合成途径机理，描绘了花青素的生物合成图谱。为良好性状的甘蔗品种的分子育种提供了理论依据。
中文标题：整合代谢组和转录组分析从三个甘蔗品种的果皮和髓中发现与花色苷生物合成有关的基因
研究对象：甘蔗
发表期刊：BMC Plant Biology
影响因子：4.215
发表时间：2021.05.12
发表单位：福建农林大学、中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所
运用生物技术：转录组学、代谢组学
文章中代谢组学由欧易/鹿明生物提供技术支持
● 研究背景
甘蔗（姜糖）是产糖最有价值的原料之一。甘蔗除了生产酒精、造纸等工业原料外，牲畜饲料的纤维，还可以产生花青素等生物活性化合物。阐明花青素的生物合成途径对于具有良好性状的甘蔗品种的分子育种至关重要。作者的目的是通过转录组学和代谢组学分析来确定参与花青素生物合成的候选基因。
●研究技术路线
● 研究结果
1.花青素参与甘蔗的研究
通过超高效液相色谱四极飞行时间质谱(UPLC-QTOF/MS)获得了甘蔗品种的总离子色谱。作者通过保留时间、确切的相对分子质量、MS/MS的裂解片段和以前报道的数据，鉴定了甘蔗的化学成分。在甘蔗的皮层和皮层中共鉴定出7个花青素。青紫素的衍生物是甘蔗外皮中最丰富的成分，是影响甘蔗外皮颜色的主要因素。
2.三个甘蔗品种外皮和髓组织的RNA序列分析
构建了三个不同果皮颜色的甘蔗品种的6个cDNA文库，探讨了花青素在甘蔗果皮和果皮组织中的花青素合成和积累的分子机制。为了了解这些基因的假定功能，作者使用BLASTN和BLASTX将总共73,916个单一基因与5个公共数据库进行了比较。利用NR、KOG、KOG、KEGG、瑞士程序程序和GO数据库对43、546、21、21、210、8、297、27、966和23、821个单特征基因进行了注释。所有数据库共注释6114个，共注释43827个。
3.花青素相关基因表达水平的实时荧光定量PCR验证
为了验证RNA-seq数据，作者选择了25个单特征基因进行RT-qPCR分析。这些基因属于花青素和类黄酮的生物合成途径。作者使用果皮的基因表达水平减去甘蔗相同品种的基因表达水平与基因的相对表达水平。qRTPCR结果与RNA-seq实验结果一致。这些数据表明，从转录组分析中的FPKM值推导出的表达模式是可靠的，可用于下游基因表达分析。
图1 | RT-qPCR实验获得的25个基因的表达模式归一化为NADPH的相对表达值相对于髓中的平均表达水平为2−ΔΔCt
4.甘蔗内皮和皮间的差异表达基因
为了鉴定甘蔗皮和皮中的差异表达基因(DEGs)，作者首先分析了每个品种的皮和皮组织之间的DEGs，共有1872个表达谱与花青素含量的表达谱相关。然后，作者在这三个品种的外皮组织中鉴定出了DEGs，甘蔗果皮之间共有1746个DEGs具有与花青素含量相关的表达谱。在这些相关基因中，ScLDOX(CL6788Contig1)、ScF3H(comp30564_c0_seq2_1)、ScGT1_7(comp43983_c0_seq1_2)与花青素的生物合成有关。
接下来，作者鉴定了三个品种的皮组织和皮组织之间的DGEs，在这三个甘蔗品种中共有637个DGEs。最后，作者比较了这三个品种的外皮组织中的基因表达水平，两组数据之间共有574个DGEs共享。
图2 | 差异表达基因(DEGs)统计数据
“X”轴表示甘蔗皮和皮之间的比对齐组合，“Y”轴表示转录本数
5.DEG的丰富分析
从6对比较中鉴定出的DEGs进一步进行KEGG通路富集分析，以筛选果皮和髓组织中与花青素生物合成相关的基因。前20个富集途径包括：类固醇生物合成、类固醇激素生物合成、苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成、色氨酸代谢、脂肪酸延伸、亚油酸代谢、惰酸生物碱生物合成、乙醛酸和二羧酸代谢、氰基氨基酸代谢、倍半萜和三萜生物合成，不饱和脂肪酸的生物合成、己苯乙烯酚、二芳庚烷和姜红醇生物合成、MAPK信号通路、视黄醇代谢、原核生物碳固定通路、ErbB信号通路、缝隙连接、角素、亚胺和蜡生物合成、泛素和另一种萜类醌生物合成。特别的是，苯丙烷的生物合成是最丰富的途径。花青素生物合成和类黄酮生物合成均为富集。结果表明，DEGs在许多包括类黄酮和花青素生物合成途径在内的代谢过程中富集。
图3 | 不同甘蔗品种的皮部和皮部之间的DEGs的KEGG富集
“X”轴为富集分数；“Y”轴为映射到每个KEGG通路的DEGs的数量
6.果皮中花青素生物合成相关候选基因的鉴定
基于与类黄酮生物合成(ko00941)和花青素生物合成(ko00942)KEGG途径中的序列相似性，作者确定了与花青素生物合成相关的基因，共鉴定了51个基因。为了验证全长编码序列，作者对这些基因CHS进行了多序列比对和系统发育分析。从多序列比对中可以看出，这些基因在甘蔗和其他植物中高度保守。
为了研究这些与花青素生物合成相关的假定基因的共表达模式，作者以欧几里得距离为度量和Ward的方法，对这51个基因的表达谱和氰紫苷衍生物的含量进行了层次聚类。除了ScBZ1_4，他们似乎都有完整的长度。这些基因可能在花青素的生物合成中发挥重要作用，其确切功能将是未来研究的主题。
为了进一步研究DEGs与花青素化合物丰度之间的关系，作者进行了WGCNA分析。在紫色皮中，基因模块成员的表达水平上调。该基因模块与这些花青素化合物的丰度相关性最高，包括花青苷、颗粒苷、紫青苷（6‘-丙二酰糖苷）、花青苷o-糖苷和紫青苷o-糖苷。有趣的是，麦芽藤的丰度与绿皮甘蔗的基因表达谱高度相关。
图4 | 50个类黄酮和花青素生物合成基因的层次聚类
量表条表示log2(FPKM+1)/（三个治疗组的平均表达水平）。该颜色代表相对的基因表达水平。水平方向表示样品名称，垂直方向表示参与黄酮类物质和花青素生物合成的基因名称。
● 研究结论
本研究采用转录组学和代谢组学相结合的方法，研究甘蔗果皮中花青素和类黄酮的生物合成。通过对甘蔗花青素化合物的UPLC分析，发现花青素衍生物是影响甘蔗皮颜色差异的主要因素。其次，作者进行了转录组比较分析，鉴定了甘蔗品种的皮和皮之间的差异。第三，基于序列相似性，作者鉴定了51个与花青素和类黄酮生物合成相关的基因。第四，通过与花青素衍生物含量的相关性分析，鉴定出7个基因为与花青素和类黄酮生物合成相关的候选基因。最后，作者提出了一个假设的分子模型来解释甘蔗中花青素的生物合成及其糖苷衍生物。这些结果为通过基因工程和分子育种提高甘蔗花青素产量奠定了基础。本研究为甘蔗的研究提供了宝贵的资源并为改善甘蔗花青素遗传育种提供了分子基础。
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本文作者探究提出了甘蔗皮花青素合成途径。这是首次利用转录组学和代谢组学联合方法合成甘蔗花青素的报道。本研究结果将为培育高花青素含量的紫杉甘蔗品种奠定基础。是一篇高质量的、典型的转录组学和代谢组学联合探究甘蔗花青素合成的研究文章，值得学习与借鉴。
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文末看点｜lumingbio
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