多組學(xué)研究在植物領(lǐng)域中的應用—品質(zhì)性狀篇

為表征樹(shù)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(kāi)的S1-S5共5個(gè)發(fā)育階段對兩個(gè)品種的花瓣組織進(jìn)行了取樣，用于測定花瓣顏色指數，在“海黃”中發(fā)現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(gè)開(kāi)花過(guò)程中沒(méi)有觀(guān)察到L *的顯著(zhù)變化。在S1到S5階段，“肉芙蓉”中b *顯著(zhù)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(shù)測定了花瓣中的黃酮含量，“海黃”中靶向黃酮類(lèi)化合物在S1至S3階段顯著(zhù)增加，然后在S4和S5略微下降。在S3-S5開(kāi)花后期階段，THC的含量顯著(zhù)高于其他黃酮類(lèi)化合物。Ap和Km在五個(gè)開(kāi)花階段都有相似的黃酮含量。在整個(gè)開(kāi)花過(guò)程中，“海黃”中沒(méi)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(shuō)明Pn3G可能有助于紫紅色著(zhù)色。與“海黃”相比，THC、Is、Ap含量在前4個(gè)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(méi)有明顯的變化，推測這些組分可能對于紫紅色著(zhù)色沒(méi)有顯著(zhù)影響。

全長(cháng)轉錄組分析結果顯示，“海黃”黃酮類(lèi)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(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這有助于黃色著(zhù)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(lèi)途徑，以促進(jìn)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“海黃”中PsDFRs和PsUFGTs表達水平顯著(zhù)下調，PsDFR和PsUFGT在花青素合成中起關(guān)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分析顯示調節黃酮類(lèi)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是調節植物黃酮類(lèi)生物合成的關(guān)鍵轉錄因子TFs。該研究鑒定了幾個(gè)差異表達的MYB和bHLH轉錄因子，每一個(gè)都與牡丹黃酮類(lèi)的產(chǎn)生有關(guān)。其中，PsMYB4被鑒定為具有bHLH相互作用位點(diǎn)的負黃酮類(lèi)調節劑，這意味著(zhù)它們可能形成一個(gè)復雜的負調控網(wǎng)絡(luò )。研究發(fā)現PsMYB111通過(guò)單獨調節PsFLS促進(jìn)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(zhù)色。

亞細胞定位分析與轉基因實(shí)驗結果進(jìn)一步驗證了上述基因的關(guān)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(guò)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(zhù)增加，而Pg3G、Pn3G等花青素含量顯著(zhù)降低，證實(shí)了其在黃色牡丹花著(zhù)色中的作用。此外，在GhMYB1a過(guò)表達的轉基因煙草株系中，NtCHS、NtF3H和NtFLS的表達顯著(zhù)上調，GhMYB1a顯著(zhù)激活了非洲菊GhDFR和GhMYB10的NtCHS和NtFLS啟動(dòng)子。同樣，PsMYB111對PsCHS和PsFLS啟動(dòng)子，尤其是PsFLS有顯著(zhù)的激活作用。

牡丹黃色素沉淀調控機制

多組學(xué)研究在植物領(lǐng)域中的應用案例2、多組學(xué)聯(lián)合解析突尼斯軟籽石榴揮發(fā)性風(fēng)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：轉錄組學(xué)+非靶代謝組（GC-MS）+生理指標測定

Doi：10.1016/j.foodres.2022.111304

實(shí)驗設計

實(shí)驗材料：分別采集來(lái)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(huì )理市(S_DHT)和攀枝花市(S_PTN)以及河南滎陽(yáng)市(H_HYT)共7個(gè)不同產(chǎn)區的石榴。

實(shí)驗方法：取果肉進(jìn)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(shù)路線(xiàn)

研究?jì)热?/b>

風(fēng)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(guò)程中很容易失去新鮮度，但目前對風(fēng)味相關(guān)化合物的生物合成還知之甚少。

該研究對中國7個(gè)地區突尼斯石榴的代謝組和轉錄組、風(fēng)味相關(guān)屬性和揮發(fā)性化合物進(jìn)行了研究。7個(gè)不同種植區的石榴，糖、有機酸和維生素c含量存在顯著(zhù)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(gè)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(zhù)富集。WGCNA分析結果表明42個(gè)候選風(fēng)味相關(guān)差異表達基因和9個(gè)轉錄因子主要位于3個(gè)關(guān)鍵模塊中。己烷酸是一種重要的代謝物，與38個(gè)差異表達基因顯著(zhù)相關(guān)。本研究構建了復雜的調控網(wǎng)絡(luò )，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bZIP56、bZIP56、bZIP20、WRKY24和bHLH9在石榴果皮的風(fēng)味代謝調控中起重要作用。

該研究為理解石榴果皮風(fēng)味生物合成和調控網(wǎng)絡(luò )的差異提供了新的見(jiàn)解。對于突尼斯軟籽石榴，生長(cháng)區環(huán)境因素對不同生長(cháng)階段風(fēng)味品質(zhì)調控的干預機制有待進(jìn)一步探討。

代謝+轉錄組解析石榴果風(fēng)味調控機制

多組學(xué)研究在植物領(lǐng)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(lèi)-苯丙烷色素和香氣的關(guān)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(shí)驗設計

實(shí)驗材料：在廣東省白塘鎮的茶園中培育了紫茶花BT和白花茶花ZJ

實(shí)驗方法：采摘第2階段（開(kāi)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?jì)热?/b>

山茶花的花通常是白色的，葉片是紫色的，研究發(fā)現了一種特殊的品種，葉子和花都是紫色的，而研究者通常關(guān)注顏色形成的機制，而忽略了香氣的變化。紫茶樹(shù)含有更多的花青素，屬于黃酮類(lèi)化合物。同時(shí)，由莽草酸途徑衍生的苯丙氨酸（Phe）是黃酮類(lèi)化合物和揮發(fā)性苯類(lèi)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(guān)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(jìn)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(zhù)升高。誘導揮發(fā)性BPs生物合成相關(guān)的結構基因，在整個(gè)類(lèi)黃酮生物合成途徑下調，不同的是，類(lèi)黃酮F3’?H和類(lèi)黃酮F3’?5’?H通過(guò)高表達，將碳通量轉移到飛燕草素，然后通過(guò)增加青銅-1（BZ1）（UDP-葡萄糖：類(lèi)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(guān)的轉錄因子（TFs），研究它們與差異表達的結構基因的相關(guān)性。結果顯示MYB、AP2/ERF、bZIP、TCP、GATA等基因顯著(zhù)表達，并專(zhuān)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)現了紫茶樹(shù)中揮發(fā)性BPs的促進(jìn)作用，擴展了我們對BPs型顏色與香氣關(guān)系的理解。

 

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