分类： 转录组测序
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英文题目：Transcriptome sequencing and metabolite analysis reveals the role of delphinidin metabolism in flower colour in grape hyacinth
中文题目：转录组和代谢组解析风信子变色分子机制
发表杂志：Journal of Experimental Botany
影响因子：5.830

研究背景

葡萄风信子（Muscari）是一种重要的观赏性球根植物，具有独特蓝色、花形和甜香。天然突变种白色风信子为探究某些潜在生化特征，特别是颜色相关的复杂代谢网络研究提供了机会。据报道，花青素是风信子花色的主要色素。蓝色花主要由飞燕草色素（Del）决定，红色花由花青色素（Cy）决定。花青素是植物科学中研究最多和最了解的化合物之一，然而，在不同植物中调控花青素分解代谢的分子机制还远远没有定论。
通过转录组和代谢组技术，不仅可以对转录水平进行研究，还可以对代谢产物进行比较分析，从而深入解析决定表型的分子调控机制。本研究首次使用转录组和代谢组联合分析，揭示与风信子花色素沉着相关的主要代谢途径，并且挖掘针对植物中色素沉积相关的关键基因。

材料与方法

1.转录组测序：白色和蓝色风信子花苞分别测序；
测序平台：北京百迈客生物科技有限公司Illumina HiSeq 2000。
2.代谢组检测：白色和蓝色风信子分别采用HPLC检测花色素和其他类黄酮物质，每个样品三个生物学重复。
3.qRT-PCR：对花色相关基因验证，每个样品两个生物学重复，三个技术重复。

技术路线

研究结果

1.风信子主要色素化合物定量分析
采用HPLC分别对蓝色和白色风信子中花青色素定量分析，结果显示蓝色风信子中含有飞燕草素（Del）和花青素（Cy）两种花青色素，白色风信子中没有检测到花青色素或其衍生物。 进一步研究表明，白色风信子中杨梅黄酮（myricetin ）和儿茶素（catechin ）的存在，表明花青素合成通路（ABP）下游作用的基因发生改变，如dihydroflavonol 4-reductase (DFR)，anthocyanidin synthase (ANS)，或anthocyanidin 3-O-glucosyltransferase（UFGT），导致花青素合成通路受阻。

图1 蓝色和白色花中花青素代谢过程通路

2.蓝花风信子花色相关基因检测
蓝色和白色风信子分别建库测序，分别得到2,031M和2,772M原始数据，原始数据经去冗余后组装后得到89,926条uni-transcripts，平均长度为633bp。通过KEGG通路注释，共有143个uni-transcripts注释到色素相关的三个代谢通路，类黄酮生物合成，花青素生物合成，黄酮和黄酮醇生物合成途径。

表1 蓝色风信子与花色素有关的候选基因

3.蓝色和白色风信子中与花青素相关的差异基因
通过将蓝色和白色风信子花青素颜色代谢相关关键基因比较分析，显示出了与一般研究相反的结果，即在白色风信子花中，大部分花青素合成相关的uni-transcripts表达丰度高于在蓝色花中的表达。进一步研究发现，在白色花瓣提取物中检测到大量的类黄酮化合物，其中许多与花青素共享相同的中间体或酶。这可能是花青素含量与葡萄风信子花色苷生物合成基因表达量不相关的主要原因。最后，选择花色相关基因qRT-PCR验证，验证测序结果的准确性。

图2 风信子花色发育相关的生理和代谢相关的数据示意图

4.白色风信子色泽形成的关键基因
在蓝色风信子中检测到与Del合成相关的部分同源序列的表达上调，在某些情况下，高出> 1000倍。结合HPLC分析结果，DFR可能是白色葡萄风信子中蓝色色素沉积（Del）消失的靶基因。另外，FLS和DFR在共同的二氢杨梅素底物之间的强烈竞争，可能部分地阻断Del的合成并引起其他类黄酮化合物，如杨梅素的产生，由此进一步消除白色风信子中蓝色色素沉积。

图3 白色风信子花朵中Del消除过程的模型

 5.白色风信子中红色Cy消失的原因
白色风信子花瓣中儿茶素（catechin ）和表儿茶素（epicatechin ）的存在，表明红色Cy一定存在于白色花中，即使只是很短的时间或很少的量，暗示着Cy色素丢失的复杂代谢机制。Cy合成上游反应中的通路的受阻以及下游反应中的多重分支变化过程，最终导致白花红色色素的消失。

图4 白色风信子花朵中Cy消除过程模型

小编寄语

1.本篇文章结合已发表的文章，采用靶向代谢组的技术，分析白色和蓝色风信子中与花青素合成相关差异代谢物，同时通过转录组解析花色素合成相关差异基因变化，最后转录组和代谢组揭示了白色风信子褪色分子机制。
2.本篇文章采用HPLC平台对已知代谢物进行定性和定量，随着代谢组学技术发展，现在更多的采用色谱和质谱（LC-MS和GC-MS）技术联用能够更全面和更准确定性和定量代谢物，同时结合生物信息分析技术，能够更高效的挖掘与表型相关的差异代谢物，将代谢物变化以精美的图形呈现。
3.在系统基因组时代，多组学分析已经成为大势所趋，研究同一物种不同表型，采用转录组和代谢组联合分析，先通过转录组技术找出差异基因，并对差异基因功能注释分析，再通过非靶向代谢组技术全扫差异代谢物，将差异基因和差异代谢物关联分析，辅助挖掘与表型差异相关的关键基因，最后，只需简单定量验证实验，即可轻松实现文章快速发表。

参考文献

Lou Q., Liu Y., Qi Y.,et al. Transcriptome sequencing and metabolite analysis reveals the role of delphinidin metabolism in flower colour in grape hyacinth.Journal of Experimental Botany. 2014, 65(12), 3157–3164 doi:10.1093/jxb/eru168.

转录调控事业部 苏静静 | 文案
吴戈宇 | 审核
图片来自网络，侵删

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