品质性状研究利器：植物多组学解决方案

生物过程往往具有复杂性和整体性，单一组学难以全面解析复杂生理过程的分子调控机制，而多组学关联分析可实现“因”和“果”两个层面同时研究生物学问题。在中心法则中，RNA处于重要的中央枢纽地位，连接基因与蛋白，同样转录组也可以作为多种组学的桥梁，与多种组学进行关联分析。转录组反映将要发生的，蛋白组反映赖以发生的，代谢组学反映已经发生的，而ATAC反映可能发生的，基于此，可以从多组学角度出发探究从外在表型到内在机理的分子调控网络。

植物品质性状是指与植物直接相关的各种表型特征，这些特征对植物的经济价值、营养价值和使用价值有着重要影响。品质性状通常包括外观特征（如大小、形状、颜色）、感官特性（如口感、香气、味道）、营养成分（如蛋白质、脂肪、糖分、维生素含量）以及功能性成分（如抗氧化物质、生物碱）等。在农业生产和园艺研究中，品质性状与产量性状同等重要，是植物育种和种质挖掘的主要目标之一。不同植物类型会关注不同的品质性状，例如，水果作物可能更注重口感和甜度，而园艺植物则可能更关注色泽和香气。随着人们对高品质植物产品需求的增加，对植物品质性状的研究和改良变得越来越重要，多组学方法为全面深入地研究植物品质性状提供了有力基础，推动了从传统经验育种到精准分子设计育种的转变，不仅有助于解析复杂品质性状的形成机制，还为培育高品质、多功能的新型植物品种提供了科学依据和理论参考。

以下带来四篇利用多组学手段解析植物品质性状（色泽、风味及形状等）调控机理的高分文章解读，希望能给老师后续的研究提供思路。

基于转录代谢蛋白多组学解析菠萝果实成熟过程中花青素参与果皮变色的分子机制

文章题目：Unveiling the molecular mechanism involving anthocyanins in pineapple peel discoloration during fruit maturation

发表期刊：Food Chemistry（IF=8.5）

发表时间：2023.6

实验设计：

分别选取菠萝品种“冰糖红”开花前30天及开花后30、60、90和120天的果实，平行于外侧萼平面切开0.2~0.5 mm的果皮组织样本，开花后60、90、120天后的果实用于转录组测序和蛋白组检测，开花后60天及120天后用于代谢组检测。

研究概述：

菠萝作为典型热带水果，因其独特的香气和甜味而广受喜爱。果皮颜色是影响水果美学和经济价值的关键因素。在许多菠萝品种中，果皮颜色会随果实发育时期延长而变化。本研究综合运用转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多种组学技术，探究了菠萝果皮颜色变化背后的分子机制。

研究结果显示，在果实成熟过程中，菠萝果皮的颜色从红色逐渐变为黄色，伴随着花青素含量的显著下降，类胡萝卜素和叶绿素含量逐渐增加；转录组测序分析发现与花青素生物合成相关的基因表达显著下调，并通过蛋白组检测分析得到多个与花青素生物合成直接相关的差异表达蛋白。代谢组学分析进一步验证了花青素含量的变化，并鉴定了多个植物内源性激素的显著差异代谢物。通过整合转录组、蛋白质组和代谢组的数据，发现花青素生物合成途径中的关键基因和蛋白表达下调与花青素含量下降紧密相关。此外，研究还发现植物激素信号转导途径在果皮颜色变化中起到重要调控作用。进一步通过构建基因和代谢调控网络确定了多个可能与果皮颜色变化相关的候选基因，其中转录因子AcMYB12和AcHOX21能够促进花青素生物合成相关基因的表达，进而影响花青素的积累。

基于多组学解析不同南瓜砧木嫁接影响甜瓜果实发育过程中风味变化的机制

文章题目：Integrated multi-omics analysis provides molecular insights into flavor variation in melons grafted onto two different pumpkin rootstocks during fruit development

发表期刊：Horticultural Plant Journal（IF=5.7）

发表时间：2024.7

实验设计： 

以玉娘品种为接穗，甜砧1号和思壮12号为砧木，在两叶期使用打孔插入法进行嫁接，嫁接后每组种植40株，开花当天在雌花子房喷施膨大剂诱导坐果，随后收集嫁接品种与非嫁接品种四个发育阶段（授粉后10、20、30和40天，分别代表果实坐果、生长、成熟和完熟阶段）的果实，用于转录组测序和代谢组检测。

研究概述：

独特的口感和香气是甜瓜的关键风味特征。甜瓜主要以南瓜作为砧木进行嫁接，尽管围绕南瓜砧木嫁接与甜瓜果实产量和品质已经有一些研究，但主要集中在薄皮甜瓜上，针对厚皮甜瓜的嫁接研究较少，而且对果实品质的影响机制尚不明晰。

本研究比较两种砧木嫁接的甜瓜，通过转录组测序分析鉴定出大量与与碳水化合物、氨基酸、脂质和苯丙烷类代谢途径相关的基因和代谢物在甜瓜风味形成中起关键作用。代谢组分析发现与思壮12号嫁接甜瓜相比，甜砧1号嫁接甜瓜通过上调糖相关基因和诱导代谢物积累改善了甜瓜果实风味，同时降低了与苦味相关的氨基酸和基因表达，推测甜砧1号砧木嫁接甜瓜后品质提升的原因主要是由于糖和香气相关基因表达量的增加。本研究通过对不同南瓜砧木嫁接的甜瓜果实进行感官评价及转录代谢多组学测序，研究了南瓜砧木影响甜瓜果实风味的分子机制，对了解嫁接影响甜瓜果实风味品质具有重要意义。

转录组和蛋白质组整合分析鉴定与植物生长调节剂诱导葡萄果实涩味相关的新型调控基因

文章题目：Integrated Transcriptomic and Proteomic Analysis Identifies Novel Regulatory Genes Associated with Plant Growth Regulator-Induced Astringency in Grape Berries

发表期刊：Journal of Agricultural and Food Chemistry（IF=5.7）

发表时间：2024.2

实验设计： 

将9年生的夏黑品种葡萄树盛花期的花朵浸入水中和50mg/L赤霉素及3mg/L CPPU溶液中，2周后在幼果上进行第二次浸渍，从开花后3周至11周，每周按照不同处理随机收集50个葡萄浆果的果皮用于转录组测序和蛋白组检测；果实成熟后，随机采收300个浆果进行感官评价。

研究概述：

涩味会影响鲜食葡萄的感官特征和风味质量。本研究基于葡萄浆果的涩味感官属性及表型特征，探究了施用植物生长调节剂CPPU和赤霉素GA3后葡萄涩味物质形成和累积及其基因和蛋白的变化情况。研究结果表明，施用CPPU和GA3会提高葡萄涩味的感官评分和黄烷-3-醇/原花青素的浓度。通过转录组和蛋白质组的整合分析，确定了与生长调节剂处理相关的差异表达基因及蛋白质，包括有助于感官涩味变化的类黄酮生物合成的基因和蛋白质。在葡萄叶片中瞬时过表达候选涩味相关调控基因表明，VvWRKY71与VvMYBPA1和VvMYC1结合可促进原花青素的生物合成，而过表达VvNAC83则会减少原花青素的积累。本研究为了解植物生长调节剂诱导葡萄果实感官涩味形成的分子机制提供了新的视角。

多组学分析揭示胡杨异形叶的时空调控及其功能

文章题目：Multi-omics analysis reveals spatiotemporal regulation and function of heteromorphic leaves in Populus

发表期刊：Plant Physiology（IF=6.5）

发表时间：2023.5

实验设计： 

从树的底部开始每隔两米，分别采集胡杨4个树期和3个叶期的四种叶片大小逐渐增大的异形叶（线形叶Li、披针形叶La、卵形叶Ov、宽卵形叶Bo），3个生物学重复，进行形态观察和生理指标以及激素含量的测定，同时用于转录组测序和ATAC测序。

研究概述：

胡杨是一种能够在极端干旱环境中生存的树种，其叶片形态表现出显著的异形性，这种特性被认为有助于植物适应干旱环境。为了从分子层面了解胡杨异形叶在不同发育阶段和叶阶段的响应机制，本研究通过转录组、DNA甲基化和染色质可及性分析，探究了水分缺失对胡杨叶片基因表达和表观遗传学变化的影响。研究结果显示，在干旱胁迫条件下，胡杨叶片的栅栏组织与海绵组织的比例、气孔导度、水分利用效率和净光合速率均高于非胁迫条件。阔叶形态的叶片比窄叶形态含有更多的气孔，这可能与树冠顶部需要更多的蒸腾作用有关。

植物激素含量分析表明，ABA含量从下到上逐渐降低，表明胁迫相关激素与下部窄叶呈正相关；而发育相关激素IAA、GA水平随着树木发育成熟而上升，与上部阔叶呈正相关。转录组分析揭示异形叶在不同叶期和树期的功能分化，其中窄叶和阔叶的差异表达基因表现出显著的调控差异。ATAC测序分析显示阔叶中染色质可及性比窄叶更高，且阔叶中低甲基化可能增强染色质的可及性，进一步诱导基因表达。研究结果揭示了胡杨异形叶在形态、生理和分子水平上对干旱环境的适应机制，特别是在叶形变化和基因表达调控方面。这些发现为理解胡杨如何适应干旱环境提供了新的见解，并为未来的耐旱植物育种提供了宝贵的遗传资源。

参考文献：

Luan A, Zhang W, Yang M, et al. Unveiling the molecular mechanism involving anthocyanins in pineapple peel discoloration during fruit maturation[J]. Food Chemistry, 2023, 412: 135482. 

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.135482

Kaleem M M, Zhu P, Ateeq M, et al. Integrated multi-omics analysis provides molecular insights into flavor variation in melons grafted onto two different pumpkin rootstocks during fruit development[J]. Horticultural Plant Journal, 2024.

https://doi.org/10.1016/j.hpj.2024.02.008

Feng J, Zhang W, Wang W, et al. Integrated Transcriptomic and Proteomic Analysis Identifies Novel Regulatory Genes Associated with Plant Growth Regulator-Induced Astringency in Grape Berries[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2024, 72(8): 4433-4447.

https://doi.org/10.1021/acs.jafc.3c04408

Wu Z, Jiang Z, Li Z, et al. Multi-omics analysis reveals spatiotemporal regulation and function of heteromorphic leaves in Populus[J]. Plant Physiology, 2023, 192(1): 188-204.

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad063