转录组、广靶代谢组测序及分析揭秘水稻最佳收割时期

2026年2月，贵州大学赵全志教授团队在期刊Food Chemistry上发表了一篇题为“Metabolomics and transcriptomics analyses reveal quality differences in forage-grain ratoon rice under varying mowing stages”的研究论文。该研究结合转录组与代谢组分析，系统探究了四个不同修剪阶段淀粉与蛋白质合成代谢的特征，以阐明各阶段品质差异背后的理论基础。深入理解品质形成的机制将有助于提升优质RR水稻的栽培水平。百迈客生物为该研究提供了广靶代谢组测序及分析服务！

研究背景

高产量和卓越的烹饪品质是水稻育种的两大核心目标。饲料谷物再生稻（FG-RR）是一种用于生产饲料和优质水稻的栽培模式，其产量受不同修剪阶段的影响。这些修剪阶段不仅影响饲料产量，还会影响轮作季期间养分的利用效率。先前研究已表明，在乳熟期（MS）进行修剪可获得更高的RR产量和更优质的水稻。

材料方法

实验材料

品种：桃优香占（籼型杂交再生稻）

4个刈割处理：抽穗期HS、乳熟期MS、蜡熟期WS、完熟期FRS

取样时期

花后20d籽粒：用于转录组、广靶代谢组测序

成熟籽粒：用于品质、结构、理化指标测定

品质与理化测定

加工品质：出糙率、精米率、整精米率

营养指标：直链淀粉、粗蛋白、脂肪含量

食味品质：质构特性（硬度、弹性、黏聚性等）

微观结构：SEM淀粉形态、支链淀粉链长分布、分子量分布

组学技术

转录组：Illumina NovaSeq 6000，筛选DEGs（|log2FC|≥1、padjust<0.01）

广靶代谢组：UPLC-ESI-MS/MS，筛选差异代谢物（VIP>1、p<0.05）

研究结果

转录组谱分析

主成分分析（PCA）和聚类热图分析显示各处理组间的基因表达模式存在显著差异。热休克蛋白基因OsHSP24.1在WS阶段表达量最高，其次为MS阶段；其表达受ABA和干旱条件影响。与生长素转运密切相关的膜蛋白OsCLIP在FRS阶段表达最高，其次为HS阶段。这一发现表明不同的割草阶段可能改变谷物灌浆过程中的激素调控网络。不同修剪阶段成对GSEA分析显示：与另外三个修剪阶段相比，FRS阶段在碳代谢、卡尔文循环介导的碳固定、光合作用、苯丙烷类化合物生物合成以及角质层、皮脂酸和蜡质生物合成途径中均呈现显著富集。

代谢组谱分析

代谢组分析，共准确鉴定出780种代谢物，包括氨基酸、糖类、醇类、黄酮类化合物、萜类化合物、有机酸、生物碱及脂质。与FRS相比，HS、MS和WS中的差异代谢物在氨酰-tRNA生物合成、氨基酸代谢及ABC转运蛋白通路中显著富集；而与HS和MS相比，WS中的差异代谢物在苯丙烷类生物合成、氨基酸代谢及柠檬酸循环代谢途径中显著富集。这种富集现象可能与WS和FRS中观察到的高储存蛋白含量密切相关。

通过整合转录组学与代谢组学分析揭示不同修剪阶段对FG-RR植株淀粉合成影响的分子机制

在四个采割阶段中，FRS组的蔗糖、果糖-6-磷酸、葡萄糖-6-磷酸及尿苷二磷酸葡萄糖含量均达到最高水平。AGP酶活性在FRS组中最高，其次是WS组。参与直链淀粉合成的主要基因OsGBSSI以及与GBSSI直接相互作用的蛋白质OsGBP的表达水平，在FRS组和WS组中均显著高于HS组和MS组。此外，还发现与糖酵解相关的代谢物水平及基因转录水平在FRS和WS组中均显著高于HS组和MS组。这些代谢物包括1,6-二磷酸果糖、磷酸烯醇式丙酮酸；相关基因则涵盖焦磷酸-果糖-6-磷酸-1-磷酸转移酶、果糖二磷酸醛缩酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶等。这些糖酵解相关基因的上调直接影响了淀粉合成途径中的底物供应。

通过整合转录组学与代谢组学分析揭示不同修剪阶段对FG-RR中蛋白质合成影响的分子机制

FRS时期谷蛋白和醇溶蛋白的转录水平较高；然而从成熟期（MS）到FRS期间，这些蛋白质的转录后加工修饰程度逐渐增强，这归因于蛋白质二硫键异构酶（PDIL1;1、PDIL2;3）、小GTP酶基因（OsRab5a）以及液泡加工酶（OsVPE1）的转录水平升高。氨基酸谱分析表明，WS和FRS品种中大多数氨基酸的含量均高于HS和MS品种。这可能归因于糖酵解和三羧酸循环途径的上调激活，这些途径为氨基酸合成提供了额外底物。

利用WGCNA技术鉴定与水稻产量及理化特性相关的功能模块及枢纽基因

筛选出与穗粒率显著相关的模块基因后进行GO富集分析，结果显示其主要富集于核仁和核质中。KEGG富集分析表明，该富集现象主要集中在内质网中的蛋白质加工过程及氨基酸生物合成途径。显著相关的模块基因与MS和FRS组间的差异表达基因交叉分析鉴定出蛋白互作网络中的五个核心基因：Os04g0107900、Os09g0482600、Os03g0293000、Os07g0509800和Os05g0303000。

GO富集分析显示，DNA代谢、核酸代谢以及前体代谢物与能量生成等生物过程均呈现显著富集现象。KEGG通路分析则表明碳代谢、辅因子生物合成及氨基酸生物合成通路存在明显富集。WS组与FRS组中这些代谢物的水平显著高于HS组和MS组，包括21种氨基酸及其衍生物以及三种三羧酸（TCA）循环中间产物。氨基酸代谢增强可能导致储存蛋白合成增加，从而导致水稻品质下降。

研究总结

不同的收割阶段显著影响了FG-RR品种品质性状的发育。与其他收割阶段相比，MS收割阶段能产出更优的加工品质指标（如糙米率、碾米率、粒米率），并具有最佳的直链淀粉和蛋白质含量；同时MS收割阶段的PKV值、BDV值及糊化温度均更高，SBV值最低，表明其糊化品质更佳。MS收割阶段制备的FG-RR成品口感更佳，表现为硬度、咀嚼感和粘性降低，而弹性增强。在WS和FRS收割阶段，GBSSI基因的转录上调提高了AAC值；而支链淀粉AVECL的缩短则源于OsBEIIb和OsISA1基因的转录上调。

此外，糖酵解途径、氨基酸合成途径以及与贮藏蛋白加工修饰相关的基因表达均显著增强，从而提升了FG-RR的蛋白质含量。总体而言，在MS收割阶段，籽粒灌浆期直链淀粉合成与蛋白质合成活性的降低有助于提高大米品质，但这些结论仍需在不同地区和品种中进一步验证。研究结果表明，通过MS收割阶段进行收割可实现FG-RR品种的最佳产量。

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