分类: 转录组测序

 

组学在植物中的研究可以深入到农林畜牧,食品生产,生物医药,污染治理等各个方面,因此关于植物调控机制及其与环境间相互作用关系的研究,一直是组学研究的重点。

在中心法则中,RNA处于重要的中央枢纽地位,转录组作为生信科研中的“万金油”,几乎可以与所有的组学产品联合分析。转录组代表了基因表达的中间状态,可以反映诸如转录调控、转录后调控的机理;蛋白组代表生物体直接功能执行状态,可以反应转录本真实的表达情况;代谢组可以反映生物体表型的状态变化。利用多组学测序,我们可以对植物的生长发育机制、生理代谢调控、逆境胁迫响应、生物侵染反应、作物产品生产品质等方面进行深入全面的研究,精准锚定调控关键性状的调控因子,为后续实际应用提供坚实基础。

本次我们给大家带来三篇利用多组学工具助力植物品质性状(色泽、气味、味道等)调控机理研究的高分文章解读,希望能给老师后续的研究提供思路。

转录组+蛋白组

  • 转录组代表了基因表达的中间状态,可以反映诸如转录调控、转录后调控的机理。蛋白质是生物体直接的功能执行者,反映了生物体的状况。 转录组学和蛋白质组学联合分析能够真正观察到mRNA-蛋白质关联性,充分利用转录组和蛋白质组研究的差异性和互补性,对基因的表达水平进行全方位的衡量,以获得基因表达各个步骤表达和调控的全景图,发掘常规单个组学未能发现的新结果。全面探究生物体疾病机理、胁迫机制,精确研究重要基因的表达模式和调控机理。

转录组+代谢

  • 转录组的表达不能直接证明表型是否发生变化,但是表型性状的微小变化在代谢水平会呈指数放大,可以利用代谢组来反映表型的状态变化,但是单独代谢组检测,无法解释影响表型的基因机理。转录组+代谢组的多组学分析,可以同时实现从“因”和“果”两个层面来探究生物学问题,相互间进行验证,从海量的数据中筛选出关键基因、代谢物及代谢通路,深度解析生物系统的宏观发育过程,解释生物过程的复杂性和整体性,提高文章的水平。

品质性状研究方案流程图

多组学研究在植物领域中的应用案例1、全长转录组和代谢组联合分析揭示了牡丹花黄色色素沉着的调控机制

英文标题:Integrating full-length transcriptomics and metabolomics reveals the regulatory mechanisms underlying yellow pigmentation in tree peony (Paeonia suffruticosa Andr.)flowers

期刊:Horticulture Research

影响因子:7.291(2021年11月)

研究策略:全长转录组+靶向代谢组

Doi:10.1038/s41438-021-00666-0

实验设计

实验材料:黄花品种“海黄”和紫红色花品种“肉芙蓉”牡丹花瓣。

实验方法:分别选取五个不同开花阶段(S1:第1阶段,无色紧芽;S2:第2阶段,轻微着色的软芽;S3:第3阶段,最初开花;S4:第4阶段,半开花;S5:第5阶段,花药外露,完全开放并着色。);验证实验:qRT-PCR 、亚细胞定位、过表达、双荧光素酶系统。

测序策略:全长转录组测序(PB平台)+ 二代转录组测序 + 黄酮靶向代谢组学

 

技术路线

研究内容

为表征树牡丹花色发育情况,以黄花品种“海黄”和紫红花品种“肉芙蓉”为研究对象,在花蕾早期至盛开的S1-S5共5个发育阶段对两个品种的花瓣组织进行了取样,用于测定花瓣颜色指数,在“海黄”中发现L *(明度)值从S1到S5逐渐增加,这表示花瓣颜色明度升高。C *(色度)和b *(黄色)在S3达到峰值,随后在S4和S5下降,证明S3是颜色最黄的阶段。而“肉芙蓉”在整个开花过程中没有观察到L *的显著变化。在S1到S5阶段,“肉芙蓉”中b *显著低于“海黄”。同样,“肉芙蓉”中a *(红色)比“海黄”要高得多。

之后作者采用靶向代谢组技术测定了花瓣中的黄酮含量,“海黄”中靶向黄酮类化合物在S1至S3阶段显著增加,然后在S4和S5略微下降。在S3-S5开花后期阶段,THC的含量显著高于其他黄酮类化合物。Ap和Km在五个开花阶段都有相似的黄酮含量。在整个开花过程中,“海黄”中没有检测到花青素。相比之下,在“肉芙蓉”中检测到了三种花青素,其中主要是芍药素3-O-葡糖苷(Pn3G),在S5阶段达到最大水平,说明Pn3G可能有助于紫红色着色。与“海黄”相比,THC、Is、Ap含量在前4个阶段快速上升,在S5阶段下降,变化范围比花葵素3-O-葡糖苷(Pg3G)的变化范围相对较小。相反,Lu、Km、Qu、花青素3-O-葡糖苷(Cy3G)的含量没有明显的变化,推测这些组分可能对于紫红色着色没有显著影响。

全长转录组分析结果显示,“海黄”黄酮类生物合成基因在S2阶段比“肉芙蓉”表达水平高,分别为PsCHSs和PsCHIs,PsCHS在合成THCs中有重要作用,而PsCHI在黄酮合成过程中发挥关键作用,这有助于黄色着色,此外,注释为PsF3Hs的基因也有很高的转录水平。在这些基因中,PsFLS可以改变黄酮类途径,以促进黄酮醇的合成。“海黄”和“肉芙蓉”中这些表达的变化与“海黄”中高水平的THC、黄酮和黄酮醇一致。S2 vs S3阶段,发现“海黄”中PsDFRs和PsUFGTs表达水平显著下调,PsDFR和PsUFGT在花青素合成中起关键作用,如Cy3G,Pn3G和Pg3G的生物合成。因此,PsDFRs和PsUFGTs在“海黄”表达下调可以解释这种黄色花卉品种中缺乏花青素的产生。

TF分析显示调节黄酮类生物合成的TF基因都在具有黄色花的“海黄”品种中上调,MYB和bHLH是调节植物黄酮类生物合成的关键转录因子TFs。该研究鉴定了几个差异表达的MYB和bHLH转录因子,每一个都与牡丹黄酮类的产生有关。其中,PsMYB4被鉴定为具有bHLH相互作用位点的负黄酮类调节剂,这意味着它们可能形成一个复杂的负调控网络。研究发现PsMYB111通过单独调节PsFLS促进黄酮醇的积累。此外,PsMYB4和PsEGL3可能形成复合物负调控部分结构基因,而PsSPL9可能单独负调控PsDFR,抑制花青素的产生,降低蓝色着色。

亚细胞定位分析与转基因实验结果进一步验证了上述基因的关键作用:亚细胞定位分析显示PsMYB111定位于细胞核,表明PsMYB111可能在细胞核中发挥TF的作用。PsMYB111在烟草中的过表达使其花颜色由玫瑰红变为浅粉色。转基因烟草株系中Km、Qu等黄酮醇含量显著增加,而Pg3G、Pn3G等花青素含量显著降低,证实了其在黄色牡丹花着色中的作用。此外,在GhMYB1a过表达的转基因烟草株系中,NtCHS、NtF3H和NtFLS的表达显著上调,GhMYB1a显著激活了非洲菊GhDFR和GhMYB10的NtCHS和NtFLS启动子。同样,PsMYB111对PsCHS和PsFLS启动子,尤其是PsFLS有显著的激活作用。

牡丹黄色素沉淀调控机制

多组学研究在植物领域中的应用案例2、多组学联合解析突尼斯软籽石榴挥发性风味物质生物合成机制

英文标题:Transcription profile analysis for biosynthesis of flavor volatiles of Tunisian soft-seed pomegranate arils       

期刊(IF):Food Research International

影响因子:7.425(2022年4月)

研究策略:转录组学+非靶代谢组(GC-MS)+生理指标测定

Doi:10.1016/j.foodres.2022.111304

实验设计

实验材料:分别采集来自云南大理市(Y_DTN)、云南丽江市(Y_LTN)、云南建水县(Y_JTN)、云南曲靖市(Y_QTN)、四川会理市(S_DHT)和攀枝花市(S_PTN)以及河南荥阳市(H_HYT)共7个不同产区的石榴。

实验方法:取果肉进行转录组和代谢组测序。生理指标测定:pH值、有机酸、可溶性糖(TSS)、维生素C含量

测序策略:转录组(Illumina测序平台)+非靶代谢组(GC-MS)

技术路线

研究内容

风味是影响石榴及其产品感官的重要因素,在石榴的加工和贮藏过程中很容易失去新鲜度,但目前对风味相关化合物的生物合成还知之甚少。

该研究对中国7个地区突尼斯石榴的代谢组和转录组、风味相关属性和挥发性化合物进行了研究。7个不同种植区的石榴,糖、有机酸和维生素c含量存在显著差异。所有样品共鉴定了40种挥发性化合物,其中13种挥发性化合物。所有样品中有4种化合物含量较高,包括1-己醇、(Z)-3-己烯醇、α-松果醇和2,4-二叔丁基苯酚,是影响石榴香气品质的主要贡献因素。所有样品的5个差异积累代谢物,包括棕榈酸、辛酸、月桂酸、癸酸和肉豆蔻酸,在所有样品的脂肪酸生物合成中均显著富集。WGCNA分析结果表明42个候选风味相关差异表达基因和9个转录因子主要位于3个关键模块中。己烷酸是一种重要的代谢物,与38个差异表达基因显著相关。本研究构建了复杂的调控网络,以确定调控石榴中挥发性化合物代谢的结构基因和转录因子,发现bZIP56、bZIP56、bZIP20、WRKY24和bHLH9在石榴果皮的风味代谢调控中起重要作用。

该研究为理解石榴果皮风味生物合成和调控网络的差异提供了新的见解。对于突尼斯软籽石榴,生长区环境因素对不同生长阶段风味品质调控的干预机制有待进一步探讨。

代谢+转录组解析石榴果风味调控机制

多组学研究在植物领域中的应用案例3、代谢组+转录组联合分析揭示了紫茶花中苯类-苯丙烷色素和香气的关系

英文标题: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

影响因子:5.753(2021年11月)

Doi:10.3389/fpls.2021.762330

实验设计

实验材料:在广东省白塘镇的茶园中培育了紫茶花BT和白花茶花ZJ

实验方法:采摘第2阶段(开花前)的花朵,收集花瓣液氮速冻,-80℃保存。

测序策略:转录组(Illumina测序平台)+非靶代谢组(GC-MS)

主要研究内容

山茶花的花通常是白色的,叶片是紫色的,研究发现了一种特殊的品种,叶子和花都是紫色的,而研究者通常关注颜色形成的机制,而忽略了香气的变化。紫茶树含有更多的花青素,属于黄酮类化合物。同时,由莽草酸途径衍生的苯丙氨酸(Phe)是黄酮类化合物和挥发性苯类苯丙素(BPs)的前体。因此,目前尚不清楚BP的香气是否因紫色的出现而减弱。

本研究整合了白花(ZJ)和紫花(BT)的花瓣代谢组和转录组,揭示了颜色(花青素)和香气(挥发性BPs)之间的关系。结果表明,在紫色花瓣中,3-脱氧-d-阿拉伯七甲糖酸7-磷酸合酶(DAHPS)促进的上游莽草酸途径升高。在增加的花青素中,飞燕草素-3-O-葡萄糖苷(DpG)极高;苯甲醛、苯乙醇、苯醇(AP)也增强,AP显著升高。诱导挥发性BPs生物合成相关的结构基因,在整个类黄酮生物合成途径下调,不同的是,类黄酮F3 H和类黄酮F3 5 H通过高表达,将碳通量转移到飞燕草素,然后通过增加青铜-1(BZ1)(UDP-葡萄糖:类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶)与糖苷结合形成DpG。

选择与AP和DpG高度相关的转录因子(TFs),研究它们与差异表达的结构基因的相关性。结果显示MYB、AP2/ERF、bZIP、TCP、GATA等基因显著表达,并专注于Phe上游合成基因的调控(DAHPS;和AP(苯乙醛还原酶、短链脱氢酶/还原酶)、Dp(F3HF3 5 H)和DpG(BZ1)的合成,但抑制黄酮(黄酮醇合酶)和儿茶素(白花青素还原酶)的形成。这些结果发现了紫茶树中挥发性BPs的促进作用,扩展了我们对BPs型颜色与香气关系的理解。

 

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