Abstract
摘 要
2024年11月4日，浙江大学果实品质生物学孙崇德教授团队在Molecular Plant上发表了题为Genomic and metabolomic insights into the selection and differentiation of bioactive compounds in citrus的研究论文，对柑橘群体生物活性物质的自然变异方面提供了代谢组学和基因组学的新见解，为功能性柑橘品种的选育提供了参考依据。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.10.009
研究背景
柑橘既是鲜食水果也是重要的药食同源植物，陈皮、枳壳、化橘红等我国传统药材都以柑橘为主要材料。柑橘皮含有的生物活性物质种类和含量更加丰富，包括类黄酮、类胡萝卜素、酚酸、精油等，具有抗氧化、抗炎、抗癌、降血糖等多种生物活性和健康功能。但某些柑橘品种果皮中的香豆素因对肝脏CYP450 酶具有抑制作用，也存在引发他汀类药物代谢障碍的风险，即“西柚汁效应”。
柑橘是一个庞大的家族，宽皮柑橘、柚、甜橙、葡萄柚、柠檬等在生活中常见的水果，都是这个大家族中的成员，而这些成员的生物活性物质组成特点各异，活性和功效也各不相同。那么在柑橘的日常消费以及品种选育方面，出于药用功效和健康的考虑，哪些品种才是最优选呢？目前，对于不同柑橘类群的生物活性物质和功效差异还缺乏系统解析，重要营养表型背后的遗传基础也值得深入的研究。
研究内容
该研究收集了299份柑橘材料，涵盖了柑橘属的绝大部分类群以及金柑属、枳属类群，基于群体重测序数据进行了系统发育和群体结构分析，将柑橘群体分为G-O（其它类群）、G-C-1（纯种香橼群）、G-C-2（香橼杂交种群）、G-P-1（纯种柚群）、G-P-2（柚杂交种群）、G- M（宽皮柑橘群）和G-S（甜橙群）七个组。针对生物活性物质最丰富的部分——果皮油胞层的广泛靶向代谢组学分析，揭示了柑橘祖先群体宽皮柑橘、柚和香橼对苯丙烷通路的生物活性物质（主要是类黄酮和香豆素）的选择偏好，即香橼和柚相关的群体多积累香豆素，而宽皮柑橘相关群体多积累类黄酮。在柚和宽皮柑橘的选择分化区间定位到较多参与类黄酮和香豆素合成的关键基因，并发现了其中部分基因在两群体间显著的差异表达。其中，C2'H2、FNS2、FNS3和CYP82D92的启动子区主要分化为两种单倍型hap1/hap2，而hap1与高基因表达和高物质含量密切相关。因此，研究团队推测，群体分化导致了通路多个关键基因的启动子区变异，从而导致的表达水平差异可能是生物活性物质差异积累的重要基础。
图1. 柑橘材料的系统进化分析以及油胞层的代谢组学分析
图2. 柑橘群体类黄酮/香豆素积累差异的遗传基础探究
研究团队以收集的材料中检测到的3858种代谢物含量为表型，进行了全基因组关联分析（mGWAS），定位了58,293个显著SNP位点，挖掘了多个与香豆素和类黄酮合成的关键基因，并通过体外酶活验证和柑橘同源瞬时过表达验证了多个基因的功能。其中C2'H基因Ciclev10018343m、Ciclev10017914m和Ciclev10015700m被证实具备催化香豆素骨架合成的能力；CYP450家族成员Ciclev10025349m被证实具有对多种香豆素底物的5位羟化功能，有助于呋喃香豆素的合成；类黄酮UDP-糖基转移酶基因Ciclev10015105m和Ciclev10019927m能够对多种类黄酮底物的不同位点进行O-糖基化，bHLH转录因子Ciclev10019339m对类黄酮糖苷的含量存在正向调控作用。以上通过mGWAS挖掘的香豆素/类黄酮的不同单倍型与物质含量显著相关，且在不同柑橘群体中也占有不同比例，表明这些基因在不同群体中发生了选择，从而影响了相关物质的差异积累。
图3. 通过mGWAS筛选柑橘香豆素合成相关候选基因
最后，研究团队以柑橘的油胞层提取物为材料，对不同品种的抗氧化能力、癌细胞增殖抑制能力和CYP450酶抑制能力进行了多模型、多剂量、多品种生物活性评估，尤其选取了 10 个发病率最高的癌种开展了增殖抑制研究，所涉及的生物活性研究数据多达45,000个数据点，以此筛选出具有较强生物活性的柑橘类群和优质种质资源。活性评价结果与代谢物含量的相关性分析揭示了类黄酮糖苷与抗氧化水平的高相关性、PMFs与抗癌能力的高相关性，以及香豆素与CYP450酶抑制能力的高相关性，并针对每种特定生物活性挖掘了相关性最高的10种标志性代谢物。柑橘群体生物活性的变异路线图表明，宽皮柑橘相关的群体如栽培宽皮橘、甜橙、橘橙等继承了较高的抗氧化水平和抗癌能力，是药用柑橘的理想种质资源；而柚的杂交后代如酸橙、葡萄柚、橘柚等继承了较高的CYP450酶抑制能力，可能存在药物代谢抑制风险。
图4. 柑橘群体生物活性变异路线图
总之，通过对柑橘群体生物活性物质变异的遗传解析和关键基因挖掘，联合分析生物活性和柑橘进化路线间的关联，将助于人们科学利用柑橘资源、富集活性物质，对功能性柑橘的品种选择和设计育种也提供了有价值的参考。
长按或扫描二维码
订阅 Molecular Plant 和 Plant Communications
的最新文章邮件推送
Mol Plant
微信号｜Mol Plant2019
www.cell.com/molecular-plant/home
点击“阅读原文”查看论文内容。
