研究背景
研究结果
本研究以云南农业大学自主选育的滇宇藜1号（黑色：B）和滇宇藜3号（黄色：Y）两个藜麦品种离体的叶片作为材料，磷处理分别为0 kg/hm2（低磷胁迫处理）和450.0 kg/hm2（正常对照）。对这两个品种在两个磷水平的显穗期叶片进行取样测定转录组和代谢组。
形态指标
研究表明，低磷胁迫处理下，两个品种的藜麦株高和叶片面积、地上鲜重和茎粗与对照组相比都减少了两倍左右（图1）。
图1.两品种在不同磷梯度条件下的几个重要形态指标。A 株高、B叶面积、C地上鲜重、D茎粗。每个条形表示三个独立重复的平均值。不同字母表示P处理在P<0.05处存在显著差异。
2.低磷胁迫后转录组学的变化
主成分分析（PCA）显示CB vs TB和CY vs TY组之间存在显着差异。使用DESeqs 软件鉴定了正常处理和低磷处理之间有14824个差异表达基因（DEGs）,其中在数据库中对共47，567个基因进行了功能注释。此外，1378（825上调和553下调）和8548（4259上调和4289下调）DEGs分别在CB vs TB（图2A）和CY vs TY（图2B）的成对比较中鉴定。结果表明，低磷胁迫处理能诱导显穗期藜麦叶片转录本发生显著变化。
图2. 差异基因的火山图谱。横坐标代表基因表达的倍数变化，纵坐标代表差异基因的显著性水平。红点代表上调的差异基因，绿点代表下调的差异基因，灰点代表非差异表达基因
3.低磷胁迫后代谢组学的变化
利用OPLS-DA模型的倍数变化和VIP值来筛选差异代谢物。维恩图说明了两组之间DAM的差异。2组共76种化合物，主要包括脂质、有机酸和黄酮类化合物等（图3A）。选择VIP＞1且|log2（Fold change）|≥ 1的代谢物进行差异分析，发现磷缺乏处理胁迫导致藜麦核苷酸类衍生物和脂质类代谢物显著上调，生物碱类物质显著下调（图3B）。
KEGG富集分析显示在CB与TB(图3C)和CY与TY(图3D)比较中差异表达的代谢途径主要富集在光合生物的碳循环、淀粉和蔗糖代谢、丙酮酸代谢、糖酵解、甘油磷脂代谢、亚麻酸代谢以及光合生物固碳作用等途径。
图3 A.维恩图，显示了两个不同组中的共享和唯一DEM。B. DEMs在两组间上下调数量. C.DEMs的KEGG富集分析CBvsTB组（C）和CY vs TY组（D）
4.代谢组-转录组联合分析
为了解藜麦显穗期叶片对磷缺乏胁迫下的响应，我们整合了转录组学数据和代谢组学数据进行分析。藜麦显穗期在磷缺乏条件下显著富集于淀粉与蔗糖途径、糖酵解、甘油磷脂代谢以及光合生物固碳作用等途径。表1列出了这四种途径中涉及的代谢物并通过Pearson相关性分析比较了转录组和代谢组数据。为这四种富集途径构建了基因-代谢物相关网络（图4）。淀粉与蔗糖途径中，D-葡萄糖-6-磷酸酯（D-glucose-6-phosphate）、D-葡萄糖-1-磷酸酯（D-glucose-1-phosphate）在磷缺乏处理条件下显著下调。甘油磷脂代谢途径中，磷酸胆碱（Phosphocholine）、磷酸乙醇胺显著下调。光合生物固碳作用途径中，D-果糖-6磷酸（D-Fructose 6-Phosphate）显著下调，而草酰乙酸（Oxaloacetic acid）显著上调(表1)。这些结果表明，与淀粉与蔗糖途径、糖酵解途径和甘油磷脂代谢途径、光合生物固碳作用途径相关的差异调控基因与相应的代谢物高度相关，表明它们在藜麦叶片对磷缺乏胁迫响应机制中具有重要意义。
表 1 缺磷处理下藜麦代谢物共定位分子通路及转录本数据与对照比较
图4.基因-代谢物相关网络，代表藜麦在磷缺乏胁迫下积极响应参与的 KEGG 通路中共富集的基因和代谢物。（A）淀粉与蔗糖代谢途径;（B）糖酵解途径;（C）甘油磷脂途径;（四）光合生物固碳作用途径。基因-代谢物对在网络内通过边缘连接。蓝色和黄色节点分别表示基因和代谢物。
5. 结论
本文分析了藜麦显穗期叶片在低磷条件下的形态、代谢组和转录组。低磷条件下对藜麦显穗期叶片有较大的影响，低磷处理条件下的藜麦地上部分鲜重、地上部分干重与对照组相比都有所减少，同时在本研究中共鉴定出14,824个基因和1788个代谢产物。确定的DEGs和DAMs通过相互作用不同地参与淀粉与糖代谢、甘油磷脂代谢、光合生物固碳作用、糖酵解代谢途径，来解释藜麦叶片在低磷处理条件下的响应机制。这些结果表明，藜麦的代谢产物和途径在藜麦对磷缺乏胁迫的响应中起着重要作用。本研究加深了藜麦对磷缺乏反应机理的认识，为适应低磷胁迫藜麦的分子设计育种提供了参考。
云南农业大学农学与生物技术学院覃鹏教授为该论文的共同通讯作者，硕士研究生张珊和博士研究生王倩朝为该论文共同第一作者，硕士研究生李寒雪等人也参与了该项工作。该项目得到云南省专家工作站（202205AF150001）的资助。
团队或作者（第一或者[和]通讯作者）简介
通讯作者：覃鹏，男，云南农业大学农学与生物技术学院教授，博士生导师。
研究方向：小麦/藜麦遗传育种与品质改良。
