转录组与代谢组联合分析揭示大豆GmERD15c参与盐胁迫下类黄酮的生物合成
韩乐乐，宋文迪，边嘉珅，李阳，杨双胜，陈紫怡，李晓薇
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0373
大豆（Glycine max［L.］Merr.）作为重要的经济油料作物，被广泛用于食品、饲料和工业产品中，在粮油需求方面，我国是第一大豆进口国。现阶段全球约有25%-33%的灌溉土地受到次生盐碱的影响，并随着化学肥料的施用和淡水资源的短缺将呈逐年增加趋势。当土壤盐分过高时，会导致大豆、玉米、小麦等主要作物生长发育的停滞和产量的减少。
黄酮类化合物是一类广泛存在于植物中的芳香族化合物，具有抗氧化、抗菌、抗衰老等生物活性。黄酮类化合物的合成主要有苯丙氨酸途径和桂皮酸途径。所涉及的苯丙氨酸解氨酶、查尔酮合成酶、黄酮醇合成酶等在植物中高度保守，表明类黄酮化合物含量受植物内在遗传机制的调控。黄酮类化合物的含量也受干旱、盐害、紫外线等非生物胁迫的影响。
ERD（early responsive to dehydration）家族蛋白在真核生物中高度保守，均含有PAE1，PAM2两个保守结构域。在拟南芥中，现已对16个ERD基因进行了注释，这些基因被命名为AtERD1-AtERD16，它们编码的蛋白具有不同的功能。前期研究发现ERD可以调控植物中多种代谢物的合成，增加植物抗逆性。但目前有关ERD15耐盐分子调控机制的深入了解较少，尤其是次生代谢物方面。
本文现已在知网上线，欢迎下载阅读！
本文主要包括以下几部分内容：
2.1 大豆GmERD15c的组织表达及盐胁迫下在根中的诱导
2.2 盐胁迫下转GmERD15c基因大豆类黄酮合成通路的代谢物变化
2.3 盐胁迫下转GmERD15c基因大豆中类黄酮相关基因表达的调控
2.4 转录组与代谢组联合分析得知GmERD15c参与类黄酮合成
3 讨论
类黄酮化合物不仅受植物生长发育的调控，还受干旱、紫外线、盐等环境因素的影响。在这些非生物胁迫下，会产生大量的活性氧，对植物造成损伤。类黄酮化合物作为一种抗氧化剂，可以清除活性氧，减轻植物细胞的损伤。类黄酮是植物中苯丙烷途径的产物。苯丙烷途径的前三个步骤被称为一般苯丙烷途径，它们产生的中间产物可以进一步转化为类黄酮、木质素，花青素等下游代谢物。其中咖啡酰奎宁酸（CQA）是由对香豆酰奎宁酸在奎宁酸羟基肉桂酰转移酶（HQT）的作用下生成，具有帮助植物抵御非生物胁迫的作用。本研究中HQT的两个基因和对香豆酰奎宁酸含量在盐胁迫下均有变化，表明GmERD15c作为转录因子可能调控HQT的表达来增加植物中对香豆酰奎宁酸含量，进而影响绿原酸的合成来抵御非生物胁迫。
查尔酮合酶（CHS）是一种聚酮合酶，是类黄酮生物合成途径中的关键酶。它的表达与类黄酮含量密切相关。在本研究中，CHS在转基因大豆中表现出较高的转录水平，与槲皮素含量呈正相关，与儿茶素、二氢山奈酚含量呈负相关。这些结果表明GmERD15c与类黄酮合成途径是密切相关且复杂的。二氢黄酮醇由黄烷酮在黄烷酮 -3- 羟化酶（F3H）催化生成，而F3H是二氢黄酮醇合成的关键酶。F3H的过表达导致烟草和酵母中二氢山奈酚的产生。而在盐胁迫下转基因大豆中F3H表达下调并且二氢山奈酚含量降低，推断GmERD15c可能负向调控F3H的转录进而影响二氢山奈酚含量的降低。槲皮素拥有消除大多数胁迫产生氧化胁迫的特性使植物减少伤害，并且槲皮素能够与脱落酸协同进一步赋予其抗胁迫能力。槲皮素属于黄酮醇，在盐胁迫下，转基因大豆中的槲皮素含量是类黄酮代谢物中最高的一个，表明GmERD15c的过表达能够增加槲皮素的含量，进而提高植物应对氧化胁迫的能力，减少逆境带来的损害。儿茶素属于黄烷醇类，在干旱胁迫下诱导茶树儿茶素的生物合成，提高了茶树的活性氧清除能力，增强了其耐旱性。但是在转GmERD15c大豆中情况相反，推测可能是DFR和FLS竞争共同的二氢黄酮醇底物，DFR和FLS相互抑制转录。这导致儿茶素含量减少，槲皮素含量增多。
在大豆中，GmMYB100通过抑制CHS的表达来负调控类黄酮的生物合成。在盐胁迫下，黄酮类化合物的含量在紫薯的根和叶之间积累差异，提高了盐胁迫下植物的抗氧化能力和渗透调节能力。然而，部分植物的类黄酮含量在盐胁迫下显著降低。以上研究说明，盐胁迫对植物类黄酮合成的影响是非常复杂的。综上所述，大豆GmERD15c可能通过提高CHS，HQT表达，降低F3H表达，影响类黄酮化合物，使得对香豆酰奎宁酸含量、槲皮素含量升高，而二氢山奈酚、儿茶素含量降低，进而提高大豆的耐盐性。
盐胁迫下，大豆GmERD15c基因与根中类黄酮合成途径相关代谢物和酶基因紧密关联，表明GmERD15c可能通过参与类黄酮合成途径进而提高大豆耐盐性。
推荐阅读：
亮点文章 | 大豆细胞质雄性不育系及其恢复系的比较转录组分析
欢迎订阅：
1. 各地邮局订阅：邮发代号18-92
2. 科学出版社期刊发行部：电话 010-64017032；010-64017539
3. 网上购买：扫描下方二维码或在淘宝、微店搜店铺名称“中科期刊”可直接订阅
投稿、转载信息发布及合作等事宜请联系:010-82109925/82109903
官方唯一投稿系统：http://biotech.aiijournal.com
长按关注：生物技术通报
