广泛靶向代谢组与转录组联合解析光核桃果实发育和着色机制

研究单位：西藏农牧科学院

期刊：BMC Plant Biology

发表时间：2019年11月

研究材料

三个品种：PMHR（血色果肉；野生）、PMHY（黄色果肉；野生）和PMHF（乳白色果肉；半野生）

三个时期：果核硬化期（开花后60天）（A），细胞增大（开花后85天）（B）和果实成熟（开花后95天）（C）

研究路线

研究结果

1.光核桃果实转录组测序

三种果肉颜色和三个发育阶段的样品构建了9个文库，用于转录组测序：PMHYA、PMHYB、PMHYC、PMHRA、PMHRB、PMHRC、PMHFA、PMHFB和PMHFC。每组3个生物学重复，27个样本的转录组测序共得到195.56Gb clean data，碱基质量在Q30以上占92.21%。基因挖掘分析显示，共有1054个光核桃的特异基因，其中864个有功能注释。样本聚类分析中所有的生物学重复聚集在一起，表明测序数据可靠。不同果实发育阶段的基因表达差异显著，但不同果肉颜色的基因表达差异不显著。这一结果表明，在果实发育过程中，大量基因的表达发生了改变，而只有少数基因与果肉颜色的差异有关。

2.光核桃果实发育过程中基因表达的变化

果核变硬到细胞增大时期（AvsB），分别在PMHF、PMHY和PMHR中检测到8080、7416和6976 个DEGs， 其中4079个DEGs在三个水果品种都存在。细胞增大到果实成熟时期（BvsC），分别在PMHF、PMHY和PMHR中鉴定出2357、5344和5559个DEGs，只有950 DEGs出现在3个品种。这说明不同品种果实在果核变硬和细胞增大阶段的分子机制是保守的，但不同品种果实成熟过程的分子机制有所不同。343个基因（KEGG富集到MAPK信号途径、淀粉和蔗糖代谢、类固醇生物合成、类胡萝卜素生物合成等途径），在从A到B和从B到C的发育过程中持续差异表达，证明他们是果实发育相关的主要基因。同时，3736个基因（KEGG富集到MAPK信号途径、氨基糖和核苷酸糖代谢、抗生素生物合成、淀粉和蔗糖代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢等途径）和607个基因（KEGG富集到植物激素、信号途径、MAPK信号途径、半胱氨酸和蛋氨酸代谢等相关的途径），分别与A到B和B到C的变化有关。在DEGs表中随机选取了5个基因，经qRT-PCR检测，果实发育3个阶段3个基因型的FPKM变化倍数与qRT-PCR获得的相对表达量有很高的相关性。

3. 果肉着色相关差异表达基因的鉴定

作者用三个品种成熟期果实两两对比，鉴定果肉相关的差异基因。PMHFvsPMHY中检测到4296个DEGs，包括2094个下调基因和2202个上调基因。PMHFvsPMHR之间得到了4523个DEGs，包括2387个下调基因和2136个上调基因。PMHRvsPMHY之间发现了少量的DEGs（2706），包括1142个下调基因和1564个上调基因。作者推断，从乳白色到血红色或黄色的变化可能比从黄色到血红色的变化需要更多的转录重组。接下来比较了PMHFvsPMHY、PMHFvsPMHR和PMHYvsPMHR中鉴定出的DEGs，寻找三种颜色变化过程的共有差异基因。成熟期3个品种之间563个基因在组成和表达上存在差异，他们可能是代表三个品种间差异的关键转录本，KEGG富集到植物激素信号转导、戊糖和葡萄糖醛酸相互转化、淀粉和蔗糖代谢、细胞色素P450对异种生物的代谢等途径。这些基因中只有6个参与类胡萝卜素合成，有很多基因参与苯丙酸-类黄酮合成，由此可见苯丙素类-类黄酮途径的结构基因是果肉颜色的主要调控因子。此外，分析调节类黄酮合成基因表达水平的转录因子家族（包括MYB、bHLH和WD40）结果显示有5个MYBs，3个bHLHs，没有WD40转录因子。在MYB调控因子中，4个基因（gene20317、gene9054、gene25173和gene22870）在彩色果肉（PMHR和PMHY）中的表达高于白色果肉PMHF，只有gene13863基因的表达趋势相反。对于bHLH转录因子，与PMHR和PMHY相比，PMHF中只有基因gene19413表达更高。

3.光核桃果肉代谢组学分析

广泛靶向代谢组学在光核桃3个发育时期检测到493种代谢物，PCA分析显示PMHF的代谢物与PMHR和PMHY有明显差异。PC1可以表示发育阶段之间的分离，而PC2可以观察到果实类型的分离，这些结果与3个品种之间的转录结果是一致的。

4.果肉着色过程中代谢物的差异变化分析

根据转录组的结果，果实成熟期是决定果实颜色的关键时期，作者研究了成熟期两两品种间的代谢物差异。PMHFvsPMHY共有117个差异代谢物，其中43个上调，74个下调。PMHFvsPMHR共检测到107个DAMs，其中50个下调，57个上调。PMHRvsPMHY中发现了89个DAMs，包括27个下调和62个上调的化合物。3个品种颜色变化过程共有40种差异代谢物，他们组成了3个品种间差异相关的关键代谢物。这些化合物中，25个关联到了苯丙素-类黄酮途径，还鉴定到有可能调控果实颜色的5个花青素。

5.果色相关的重要花青素和转录本的互作调控网络

进一步研究花青素在3个品种中的调控网络，对5种花青素在“关键代谢物”和“关键转录本”中含量变化进行相关性检验。结果表明，分别有183、328、213、228和159个转录本与Jur487、Jur861、Jur1147、Jur929和Jur80具有很强的相关性，代谢物Jur80、Jur929和Jur487比其他化合物相关性更高，也共享许多相似的转录本。调控网络强调了与花青素相关的主要转录本和每个品种对应的关键花青素。

总的来说，血色果肉可能是高含量的Jur80、Jur1147和Jur929的组合；黄色似乎是Jur80、Jur1147和Jur487适度积累的结果；而乳白色可能是由于Jur80的弱积累和高含量的Jur487和Jur861在光核桃果肉中形成的。

研究结论

本研究利用代谢组和转录组联合分析来研究光核桃果肉颜色的调控网络。通过分析3个品种果实在不同发育时期的转录水平，发现果肉主要在成熟期着色。进一步在3个品种中确定了563个与果实颜色和其它差异相关的基因。代谢组分析在3个品种中确定了40个差异代谢物，包括5个可能与果实颜色相关的花青素。基于花青素及其相关基因构建了调控网络，说明了它们生物合成的调控机制，为理解光核桃果实着色转录表达和代谢水平的相互作用提供了一个思路。

原文：https://doi.org/10.1186/s12870-019-2074-6