Front Plant Sci | 植物科学顶刊,转录组+代谢组学揭示玫瑰花色的形成机制~

2022-11-16 09:08:57, 多层组学定制服务 上海欧易生物医学科技有限公司



前言


2022年9月,山东农业大学于云艳教授课题组,其中吴岐奎、于云艳为通讯作者在Frontiers in Plant Science期刊发表了题为 “Transcriptome and chemical analyses revealed the mechanism of flower color formation in Rosa rugosa ”(IF:6.627)的研究成果,通过转录组学代谢组学综合分析,研究了不同具有代表性花色的玫瑰花瓣的花青素类型,花青素含量以及相关基因表达的差别。在本研究中,作者分析了玫瑰花瓣中的花青素含量和类型,确定花青素生物合成的功能性结构基因,探索了花瓣中的代谢途径和颜色形成机制,这项研究为未来深入研究花色形成机制奠定了基础。


本篇发现了玫瑰花瓣中的两种主要花青素:矢车菊素Cy3G5G和芍药素Pn3G5G,这两种花青素的总含量决定了花瓣的颜色强度,Cy3G5G和Pn3G5G的比例决定了花瓣颜色的色调,保持Cy3G5G的高相对含量和高绝对含量可能是形成玫瑰红色花瓣的前提条件,矢车菊素支路是主要的代谢流。



中文标题:转录组和化学分析揭示了玫瑰花色的形成机制

研究对象:玫瑰

发表期刊:Frontiers in Plant Science

影响因子:6.627

发表时间:2022年9月23日

合作单位:山东农业大学林学院;山东省城乡景观示范工程技术研究中心;北京林业大学园林学院;山东农业大学园艺科学与工程学院

运用组学方法:代谢组学、转录组学


研究背景


玫瑰作为著名的观赏树种,培育新的花色有利于提高在景观方面的应用价值,然而玫瑰花色的作用机理还不清晰。矢车菊素(Cy3G5G)和芍药苷(Pn3G5G)是玫瑰主要的花青素。花青素的积累影响花瓣颜色,一般来说,天竺葵素和矢车菊素为花和果实提供红色素,芍药素对植物组织的紫红色有很大贡献,而飞燕草素、矮牵牛素和锦葵素则负责蓝紫色和紫红色。明确玫瑰中重要的花青素合成途径,找到调控这个生物合成途径的关键基因有利于解释玫瑰中花青素积累以及花瓣着色机制。


研究思路



研究方法


1. 研究材料

来自山东农业大学林业试验站的玫瑰种质资源圃的三种具有代表性花色的玫瑰品种的半开期花瓣。


2.技术路线

2.1. 对花瓣进行取样、汇集、和冷冻储存

2.2进行高效液相色谱质谱代谢组学分析以及转录组学分析

2.3实时荧光定量分析 


研究结果


1.代谢组学进行花青素类型和含量分析

三种玫瑰花瓣中共检测出37种花青素以及18种其他的类黄酮。品种7-23检测出了37种花青素,品种8-37检测出了33种,品种8-16检测出了32种。花青素的浓度在0-5863.44ug g-1,其中有17种微量花青素的含量低于1ug/g-1,这17种微量花青素在三个种质中都有。


在每个玫瑰种质中,有三个负责花青素合成的分流,即矢车菊素、天竺葵素和飞燕草素生物合成途径。矢车菊素和芍药素是供试种质花瓣中主要的花青素类型,矢车菊素生物合成分流可能是玫瑰花色形成的关键途径。


图1 | 三种玫瑰种质的花青素类型和含量分析


2.代谢组学定量分析:Cy3G5G和Pn3G5G的定量分析

随着Cy3G5G和Pn3G5G总含量的增加,不同种质的花瓣颜色逐渐变深,红花玫瑰种质花瓣中Cy3G5G和Pn3G5G的比例远高于其他红花种质。花青素(Cy3G5G)和芍药苷(Pn3G5G)是玫瑰主要的花青素。这两种花青素的总含量决定了花瓣的颜色强度,Cy3G5G和Pn3G5G的比例决定了花瓣颜色的色调,保持Cy3G5G的高相对含量和高绝对含量可能是形成玫瑰红色花瓣的前提条件。


图2 | 不同玫瑰种质的花青素HPLC色谱图


表1 | 玫瑰种质中Cy3G5G和Pn3G5G含量


3.转录组分析:RNA - seq数据的全局分析

为了进一步探索与花瓣颜色形成相关的关键基因,构建了9个c DNA文库,并将原始数据保存在NCBI序列阅读库( SRA ),登录号为SRR20883375 ~ SRR20883383。去除接头和低质量reads后平均得到49869442 ( 97.29 % )条clean reads,Q20、Q30碱基率百分比分别大于96.78 %和91.35 %。平均GC含量为45.90 %,总定位率为74.78 % ~ 85.22 %。


4.DEGs的GO和KEGG分析

为了探究与花青素积累相关的特异基因的动态表达模式,对不同种质的转录组图谱进行了比较。鉴定到的DEGs被分配到三个主要的GO功能类别),包括生物过程( BP ),细胞组分( CC )和分子功能( MF )。对于BP类别,丰度最高的3个子类别分别是"细胞酰胺代谢过程"、"酰胺生物合成过程"和"小分子代谢过程"。共有1706个DEGs被分配到112个KEGG通路,其中丰度最高的3个通路为"核糖体"、"碳代谢"和"辅因子生物合成"。此外,一些DEGs被映射到花青素苷生物合成相关的通路,如''苯丙素生物合成'',''苯丙氨酸代谢'',''类黄酮生物合成''。


图3 | 3个玫瑰种质的DEGs分布和注释分析


5.花青素苷生物合成相关基因的鉴定

在3个玫瑰种质中,共分析了来自编码13个酶的DEGs的36个结构基因。共发现173个差异表达转录因子,分别包括70个MYBs、29个WD40s和74个bHLHs。MYB、WD40和b HLH是调控花青苷合成的主要转录因子。


6.qRT-PCR验证分析

为了验证RNA - seq数据的可靠性,对16个DEGs进行了qRT - PCR。14个DEGs的表达模式与RNA - seq( R > 0.80)的结果显著相关。结果显示基因表达谱与RNA - seq数据具有较好的一致性,证明了本研究(附图1)产生的数据的可信性。


7.与颜色形成相关的关键结构基因分析

矢车菊素生物合成下游途径中的Rr AOMT是调控开花过程中花瓣颜色的一个极其重要的关键基因。Rr AOMT通过调控花瓣中Cy3G5G与Pn3G5G的比例,决定了玫瑰花瓣的颜色色调,即红色和粉红/紫色。


图4 | 花青素代谢合成途径和相关DEGs的时间变大模式概述


8.分析与 "颜色形成 "相关的关键TFs

相关性分析表明所有的13个TFs与RrAOMT之间都存在显著的相关性(图5D),表明这13个TFs与RrAOMT之间存在相关性, TFs ( TFs组A)通过控制Rr AOMT的表达进而调控Cy3G5G与Pn3G5G的比值来决定玫瑰花瓣颜色的形成。结果表明,21个转录因子与多个结构基因显著相关,其中12个转录因子与19个以上基因相关。12个转录因子( B组TFs)可能在调控矢车菊素生物合成上游途径中总花青素含量方面发挥重要作用。


三个TFs可能是决定玫瑰花瓣颜色的关键因子,具有多种功能,既可以通过调控上游途径中的结构基因促进总花色苷的生物合成,也可以通过控制花色苷生物合成下游途径中Rr AOMT的表达来调节Cy3G5G与Pn3G5G的比例。


图5 | 差异表达基因和代谢物之间的相关性分析


图6 | 差异表达基因和结构基因之间的相关性分析


9.六个不同花瓣颜色的Rugosa种质中四个关键基因的表达模式

Rr MYB108和Rr C1在粉花和紫花种质中的表达趋势与Rr AOMT和Rr MYB114相反,而在红花种质中与Rr AOMT一致,与Rr MYB114相反。


研究结论


在这项研究中,转录组学代谢组学被用来阐明野生玫瑰的花呈色机制。Cy3G5G和Pn3G5G在花瓣中花青素苷的比例很高,而Dp3G5G的比例很低,但在不同种质中存在差异。Cy3G5G和Pn3G5G含量的总和和比例分别决定花瓣的颜色强度和色调。参与矢车菊素生物合成上游途径的35个关键结构基因共表达,以调节总含量。下游途径的Cy3G5G和Pn3G5G以及Rr AOMT通过甲基化调控Cy3G5G和Pn3G5G的比例。3个候选转录因子,如RrMYB108、RrC1和RrMYB114,可能调节RrAOMT和其他多个结构基因的表达以控制野生玫瑰花瓣颜色。



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本研究运用转录组学+代谢组学的方法,首次全面解析了玫瑰尤其是红花种质的花色形成机制,并提供了一系列候选基因在观赏植物育种中的应用。

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原文链接:

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.1021521/full


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END

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