梁婉凤，曾菁菁，胡若群，曹佳玉，郑涛，李銮，仇明月，梁晓英，陈莹
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0408
近日，《生物技术通报》在线发表了题为《转录组与代谢组分析不同生长时期金线莲类胡萝卜素的积累》的研究报告。本研究通过代谢组学解析金线莲不同生长时期中类胡萝卜素组分与含量的差异，对其差异代谢物的合成和动态积累进行深入分析，通过转录组学挖掘类胡萝卜素合成的关键差异基因及转录因子，从基因表达的角度分析金线莲类胡萝卜素成分积累的调控方式，为金线莲植物活性成分的形成机制分析提供理论参考。
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类胡萝卜素的积累是类胡萝卜素生物合成和代谢过程的共同结果，这两个过程受到多个基因的表达水平调节。在本研究中，通过代谢组学分析，在3个不同生长时期金线莲叶片中共鉴定到41种类胡萝卜素化合物，经过筛选发现了23种差异代谢物，其中S10生长时期积累的种类及含量最多，而在S3时期时最少。这与在不同生长时期的茶花中结果一致，证明植物大多都是通过生长积累类胡萝卜素。在芒果果实中也有类似报道，玉米黄质变化是类胡萝卜素显著积累的主要原因。在毛蕊花达到半熟和全熟阶段中，玉米黄质也是不断合成。在菊花中，紫黄质、叶黄素和β- 胡萝卜素含量随着生长都在上升。由此推测，金线莲通过不断生长从而积累类胡萝卜素，其中、玉米黄质、叶黄素和卡洛黄素含量较高，可能是代谢过程中类胡萝卜素总含量增加的主要积累物质，而脱落酸葡萄糖酯、三苯甲内酯ABC环和脱落酸醛变化最多，可能是金线莲叶片在S3到S10过程中合成类胡萝卜素的重要差异代谢物。
不同生长时期金线莲叶片中共鉴定到21个差异酶基因，其中主要变化的有PDS等5种，其中CCD8和CYP97C1都表现出下调的趋势，其余则相反，其中CYP97C1和ZEP两个酶基因与各个代谢物的相关性最强，可能是影响不同生长时期金线莲叶片中类胡萝卜素差异代谢的关键基因。类胡萝卜素经类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCDs）催化可生成结构多样的脱辅基类胡萝卜素，一些脱辅基类胡萝卜素还表现出对多种疾病的预防和治疗功效，具有广泛的应用价值。在金线莲不同生长时期中，CYP97C1表现为持续下调，这与CYP97C1基因的功能丧失与橙色胡萝卜中的α- 胡萝卜素高含量有关的研究结果相似，推测CYP97C1是通过负反馈的方式调节类胡萝卜素的积累，这与研究中随着金线莲的生长CYP97C1降低，而叶黄素积累增加的结果是一致的。玉米黄质环氧酶（ZEP）是类胡萝卜素组成的主要贡献者，种子发育过程中ZEP基因表达的自然变化被认为是拟南芥种子中类胡萝卜素组成和最终含量微调的潜在机制。本研究中PDS和crtISO参与调控合成通路上游，CCD8参与调控合成通路中游的玉米黄质，而CYP97C1和ZEP则主要调控下游不同分支上的叶黄素和卡洛黄素、新黄质，它们联合起来对金线莲的不同时期类胡萝卜素积累产生影响。将选取的8条关键酶基因进行RT-qPCR实验验证，结果也能证明测序结果是可靠的。
在转录因子预测中，4种差异酶基因和ERF等5条转录因子密切相关，且一种酶基因通常和多条转录因子相关。在植物和藻类中，大部分调节因子可参与类胡萝卜素代谢的调节。研究表明MYB可以改变质体的数量和活性水平，正向调节各种类胡萝卜素的生物合成。ERF转录因子为植物特有的一类转录因子家族，不仅参与植物的各项生命活动和逆境胁迫，还可以调节植物激素的生物合成，在香蕉、苹果和枇杷中都有明显表现。对黄桃的组学研究表明，C2H2、bZIP的表达模式与类胡萝卜素的积累模式密切相关，表明它们在类胡萝卜素合成中的关键作用。因此，推测在金线莲中，主要是通过对ERF、MYB调控了CYP97C1、crtISO，而C2H2、WRKY和bZIP辅助调控类胡萝卜素合成过程中的其他的关键酶基因，从而在类胡萝卜素化合物差异积累过程中发挥着重要作用。
不同生长时期ERF、MYB、C2H2、WRKY和bZIP等5种转录因子参与金线莲类胡萝卜素合成调控，与CYP97C1、CCD8、NCED、ZEP、PDS关键酶基因关联明显，类胡萝卜素通路代谢物也呈现差异效果，尤其是脱落酸醛、玉米黄质、脱落酸葡萄糖酯、羟基氯巴坦葡萄糖苷、叶黄素和卡洛黄素等代谢物。
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