中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (15): 3053-3070.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.15.011
陈晓涓1(), 王海菊1, 王富敏1, 雍清青1, 黄顺满1, 屈燕1,2,3(
)
收稿日期:
2023-12-29
接受日期:
2024-04-22
出版日期:
2024-08-05
发布日期:
2024-08-05
通信作者:
联系方式:
陈晓涓,E-mail:359911018@qq.com。
基金资助:
CHEN XiaoJuan1(), WANG HaiJu1, WANG FuMin1, YONG QingQing1, HUANG ShunMan1, QU Yan1,2,3(
)
Received:
2023-12-29
Accepted:
2024-04-22
Published:
2024-08-05
Online:
2024-08-05
摘要:
【目的】黄酮类化合物具有抗炎、抗癌、抑菌等多种功效,是全缘叶绿绒蒿的主要药用成分之一。通过分析全缘叶绿绒蒿不同部位的空间代谢组与转录组信息,挖掘调控黄酮类化合物合成的关键基因,为研究全缘叶绿绒蒿类黄酮合成机制提供理论参考,并为提高类黄酮含量遗传育种奠定分子基础。【方法】以全缘叶绿绒蒿的根、茎、叶和花瓣为材料,对不同部位进行转录组测序,并通过空间代谢组数据分析黄酮类化合物在不同部位中的分布情况,利用加权基因共表达网络分析(WGCNA)鉴定出与黄酮类化合物合成密切相关的关键模块和关键基因。另外,挑选12个基因进行qRT-PCR,验证转录组数据的可靠性。【结果】全缘叶绿绒蒿中黄酮类化合物在不同部位呈现差异积累,花瓣是黄酮类化合物积累的主要部位,同时明确了8种主要黄酮类化合物。转录组测序共获得20 085个表达基因,仅在花中表达的基因有286个,是仅在其他部位中表达基因数量的3.6-4.2倍。利用WGCNA对过滤后的高表达差异基因进行划分,共获得14个共表达模块,确定了关键模块MEturquoise和MEgreen与8个主要黄酮类化合物显著相关(P<0.05)。KEGG分析发现这两个模块基因主要在代谢相关的通路中富集,在黄酮类化合物合成相关通路上也有基因富集,两个模块分别包含了18个和6个与黄酮类化合物合成相关的基因,并从模块中筛选到14个核心结构基因(5个CHS、2个HIDH、2个CCoAOMT以及FLS、CYP75B1、CHI、HCT和CYP73A)和1个转录因子HB2,这些基因多在花瓣或是茎中高表达。qRT-PCR所测基因表达变化趋势与转录组基本一致,表明利用该转录组数据所得出的分析结果可信。【结论】全缘叶绿绒蒿黄酮类化合物积累和基因表达在不同器官间具有显著差异,联合分析筛选到与黄酮类化合物积累密切相关的14个核心结构基因和1个转录因子,这些基因可能在调控全缘叶绿绒蒿不同器官黄酮类化合物的合成和差异积累过程中起到关键作用。
陈晓涓, 王海菊, 王富敏, 雍清青, 黄顺满, 屈燕. 基于WGCNA鉴定全缘叶绿绒蒿类黄酮合成途径关键基因[J]. 中国农业科学, 2024, 57(15): 3053-3070.
CHEN XiaoJuan, WANG HaiJu, WANG FuMin, YONG QingQing, HUANG ShunMan, QU Yan. Identification of Key Genes in the Flavonoid Synthesis Pathway of Meconopsis integrifolia Based on WGCNA[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(15): 3053-3070.
表1
qRT-PCR验证引物"
基因/基因ID Gene/Gene ID | 上游引物 Forward primer sequence (5′-3′) | 下游引物 Reverse primer sequence (5′-3′) |
---|---|---|
CHS5 | GATCATCGGAGCAGACCCTG | ACCAGGATGAGCGATCCAGA |
CHS8 | TCATCGGAGCAGACCCTGAT | TACAGTGGAGTGGGCTTTGG |
CYP75B1 | TACAGTGGAGTGGGCTTTGG | GGAAGGGAAAGTGGCGTTGA |
FLS | GTTGCCGCTCGAAGAAAAGG | CTCCTCGTTTGCTTCCCTGT |
CCoAOMT1 | CAGCAATCGACGTTAGTCGG | CGATGCCACCAACTCTCAAC |
HIDH1 | GGCAGCGTTAAACTGGGTTC | TTCAGGGTTAGTTCCGGCTC |
HB2 | CTTCTCGGAGCGGTGGTAAT | ACTTGGTCCTTGCCCTTCTG |
HCT3 | CTGATGGAGCGTCTGGTCTC | AGTGTGTTGAGCTGGTCTCG |
QYY_transcript_10050 | TGACGCACAAATTGCATCCG | TCACAACAGCATCTCCGTCC |
QYY_transcript_10042 | CAGGTCGTTTTGGTGTGACG | CTTTGCCCTGGGATTGACCT |
QYY_transcript_10301 | TGACGGAAGCACTCAGGATG | CTCCACAGCAGCCTTTGTTG |
QYY_transcript_10319 | TGGCCAAGACATTTGAGGGT | GACACCTCCAACTACGGCAT |
GAPDH | TTCCGTGTTCCTACCGTTGA | TCCCTTCATCTTACCCTCGG |
表2
全缘叶绿绒蒿转录组测序质量信息表"
样品 Sample | 原始序列 Raw reads | 过滤序列 Clean reads | 过滤碱基 Clean base (G) | 错误率 Error rate (%) | Q30 (%) | GC含量 GC content (%) |
---|---|---|---|---|---|---|
QYY1-P | 48823172 | 47635926 | 7.15 | 0.03 | 92.59 | 41.23 |
QYY2-P | 46197126 | 44753484 | 6.71 | 0.03 | 92.39 | 41.18 |
QYY3-P | 48061136 | 46960540 | 7.04 | 0.03 | 92.97 | 41.03 |
QYY1-R | 47342122 | 45955834 | 6.89 | 0.03 | 92.82 | 41.81 |
QYY2-R | 46427954 | 45210284 | 6.78 | 0.03 | 93.45 | 41.65 |
QYY3-R | 47136742 | 45743182 | 6.86 | 0.03 | 93.42 | 42.13 |
QYY1-S | 47689492 | 46405540 | 6.96 | 0.03 | 93.03 | 41.98 |
QYY2-S | 47008018 | 45681508 | 6.85 | 0.03 | 92.3 | 41.62 |
QYY3-S | 48115292 | 46505116 | 6.98 | 0.03 | 93.61 | 41.83 |
QYY1-L | 43879048 | 42694332 | 6.4 | 0.03 | 93.92 | 42.89 |
QYY2-L | 47482914 | 46435172 | 6.97 | 0.03 | 93.46 | 42.1 |
QYY3-L | 47789072 | 46216224 | 6.93 | 0.03 | 93.27 | 42.7 |
总计 Total | 565952088 | 550197142 | 82.52 | - | - | - |
表4
模块MEturquoise和MEgreen内的黄酮类化合物合成相关结构基因"
模块 Module | 基因 Gene | 基因 Gene ID | 基因 Gene | 基因 Gene ID | |
---|---|---|---|---|---|
MEturquoise | CHS1 | QYY_transcript_7862 | CYP75B1 | QYY_transcript_13636 | |
CHS2 | QYY_transcript_16509 | HCT1 | QYY_transcript_16740 | ||
CHS3 | QYY_transcript_17459 | FLS | QYY_transcript_21239 | ||
CHS4 | QYY_transcript_24260 | CCoAOMT1 | QYY_transcript_23710 | ||
CHS5 | QYY_transcript_18432 | HIDH1 | QYY_transcript_21081 | ||
CHS6 | QYY_transcript_19383 | HIDH2 | QYY_transcript_20408 | ||
CHS7 | QYY_transcript_17766 | HIDH3 | QYY_transcript_21805 | ||
CHS8 | QYY_transcript_18116 | F3H | QYY_transcript_19623 | ||
CHS9 | QYY_transcript_20289 | CHI1 | QYY_transcript_23390 | ||
MEgreen | CHI2 | QYY_transcript_21688 | CCoAOMT2 | QYY_transcript_22442 | |
HCT2 | QYY_transcript_16576 | CCoAOMT3 | QYY_transcript_21971 | ||
HCT3 | QYY_transcript_17410 | CYP73A | QYY_transcript_12639 |
表5
非类黄酮合成通路内的核心基因功能注释"
核心基因 Hub gene | 核心基因在拟南芥的 同源基因 Hub gene in A. thaliana | 基因功能 Gene function |
---|---|---|
QYY_transcript_8026 | AT2G34410.2 | 编码已知参与新型隐球菌多糖O-乙酰化的蛋白质Cas1p的同源物。该蛋白质在高尔基体中表达,并参与次生壁生物合成过程中木聚糖的乙酰化 Encodes a homolog of the protein Cas1p known to be involved in polysaccharide O-acetylation in Cryptococcus neoformans. The protein is expressed in the Golgi and is involved in the acetylation of xylan during secondary wall biosynthesis |
QYY_transcript_7230 | AT5G03760.1 | 编码农杆菌介导的植物遗传转化所需的β-甘露聚糖合酶涉及细菌和宿主植物之间的复杂相互作用。3' UTR参与转录调控,该基因在根的伸长区表达 Encodes a beta-mannan synthase that is required for agrobacterium-mediated plant genetic transformation involves a complex interaction between the bacterium and the host plant. 3' UTR is involved in transcriptional regulation and the gene is expressed in the elongation zone of the root |
QYY_transcript_22662 | AT4G05530.1 | 编码短链脱氢酶/还原酶(SDR)酶家族的过氧化物酶体成员。IBR1功能的丧失导致对吲哚-3-丁酸的抗性增加,而不影响植物对IAA、NAA和2,4-D的反应。该酶可能负责催化IBA向IAA的β氧化样转化中的脱氢步骤 Encodes a peroxisomal member of the short-chain dehydrogenase/reductase (SDR) family of enzymes. Loss of IBR1 function causes increased resistance to indole-3-butyric acid without affecting plant responses to IAA, NAA, and 2,4-D. This enzyme may be responsible for catalyzing a dehydrogenation step in the beta- oxidation-like conversion of IBA to IAA |
QYY_transcript_20137 | AT4G24330.1 | 假设性蛋白质(DUF1682) Hypothetical protein (DUF1682); (source:Araport11) |
QYY_transcript_21126 | AT5G17770.1 | 编码NADH:细胞色素(Cyt)b5还原酶,该酶对NADH对重组Cyt b5(AtB5-A)的还原具有严格的特异性,而当NADPH用作电子供体时,未观察到Cyt b5还原 Encodes NADH:cytochrome (Cyt) b5 reductase that displayed strict specificity to NADH for the reduction of a recombinant Cyt b5 (AtB5-A), whereas no Cyt b5 reduction was observed when NADPH was used as the electron donor |
QYY_transcript_7030 | - | - |
表6
两个关键模块内的关键转录因子"
模块 Module | 基因 Gene | 基因ID Gene ID | 转录因子家族 Transcription factor family | 功能 Function |
---|---|---|---|---|
MEturquoise | COL13 | QYY_transcript_15942 | C2C2-CO-like | 拟南芥:与HY5和COL3形成HY5-COL3-COL13模块调控拟南芥下胚轴的伸长[ A. thaliana: COL13 forms a HY5-COL3-COL13 module with HY5 and COL3 to regulate the elongation of hypocotyls in A. thaliana |
COL5-1 | QYY_transcript_19756 | C2C2-CO-like | 拟南芥:过表达COL5可诱导短日照生长拟南芥开花[ A. thaliana: Overexpression of COL5 can induce short-day growth of A. thaliana | |
COL5-2 | QYY_transcript_20889 | C2C2-CO-like | 拟南芥:过表达COL5可诱导短日照生长拟南芥开花[ A. thaliana: Overexpression of COL5 can induce short-day growth of A. thaliana | |
HB2 | QYY_transcript_18216 | HB-HD-ZIP | 拟南芥:负向调控茶树花青素合成酶基因CsANS,同时AtHB2可能与AtPAP1在结合AtTTG1上存在竞争,进而影响AtPAP1参与的类黄酮合成[ A. thaliana: AtHB2 negatively regulates the tea tree anthocyanin synthetase gene CsANS, and AtHB2 may compete with AtPAP1 for binding to AtTTG1, which in turn affects the flavonoid synthesis involved in AtPAP1 | |
MYBH | QYY_transcript_19945 | MYB-related | 拟南芥:通过增强生长素积累来调节下胚轴伸长[ A. thaliana: MYBH regulates hypocotyl elongation by enhancing auxin accumulation | |
NAC22 | QYY_transcript_20070 | NAC | 水稻:提高对干旱和盐害的耐性[ O. Sativa: Increased tolerance to drought and salinity | |
BBX19 | QYY_transcript_22992 | DBB | 拟南芥:BBX19与PRR相互作用以协调昼夜节律[ A. thaliana: BBX19 interacts with PRR to harmonize circadian rhythms | |
ARF6 | QYY_transcript_3258 | B3-ARF | 拟南芥:ARF6与ARF8共同促进茉莉酸的产生和花的成熟[ A. thaliana: ARF6 and ARF8 work together to promote the production of jasmonic acid and the maturation of flowers | |
PRR95 | QYY_transcript_6993 | Pseudo ARR-B | 水稻:作为转录抑制因子负调控编码叶绿体定位的Mg2+转运蛋白的OsMGT3的节律表达[ O. sativa: As a transcriptional repressor, it negatively regulates the rhythmic expression of OsMGT3, which encodes a chloroplast-localized Mg2+ transporter | |
ZHD1 | QYY_transcript_15114 | zf-HD | 水稻:过表达OsZHD1可诱导水稻叶片轴向卷曲和下垂[ O. sativa: Overexpression of OsZHD1 induces axial curling and drooping of rice leaves | |
- | QYY_transcript_20217 | 其他Others | 未知功能 Unknown features | |
MEgreen | HB13 | QYY_transcript_20535 | HB-HD-ZIP | 拟南芥:参与生物和非生物抗性途径[ A. thaliana: Involved in biotic and abiotic resistance pathways |
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