2025-06-19
文章信息
文章題目：Multi-omics analysis unravels chemical roadmap and genetic basis for peach fruit aroma improvement
中文標題：多組學(xue)分析揭示(shi)了桃果實(shi)香氣改善(shan)的(de)化學(xue)路線圖(tu)和遺傳基礎
發表期刊：Cell Reports
影響因子：7.5
發表時間：2024年8月
涉及組學：轉(zhuan)錄組，GWAS，eQTL
摘 要
在(zai)桃子育種中，選擇有益健康且風味(wei)佳的(de)(de)(de)(de)水果至(zhi)關(guan)重要(yao)，但外觀與風味(wei)化學物(wu)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)遺(yi)傳(chuan)(chuan)互作仍是難(nan)題。本研究(jiu)通過分析(xi)184個(ge)種質(zhi)的(de)(de)(de)(de)揮發(fa)(fa)物(wu)，確定了(le)影響消(xiao)費者(zhe)偏好(hao)的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵揮發(fa)(fa)物(wu)，發(fa)(fa)現紅(hong)(hong)肉種質(zhi)中芳樟醇和Z-3-己(ji)(ji)烯基(ji)乙酸酯顯著減少(shao)。進一步鑒定出474個(ge)基(ji)因(yin)(yin)調控網絡(luo)（GRN），其(qi)中GRN05的(de)(de)(de)(de)NAC轉錄因(yin)(yin)子PpBL在(zai)調控紅(hong)(hong)肉和揮發(fa)(fa)物(wu)含(han)量方面發(fa)(fa)揮關(guan)鍵作用，其(qi)過表達會(hui)降(jiang)低PpNAC1（一種促進Z-3-乙酸己(ji)(ji)烯酯和芳樟醇合成的(de)(de)(de)(de)正調節(jie)因(yin)(yin)子）的(de)(de)(de)(de)表達。此外，還發(fa)(fa)現三種PpAAT串聯(lian)的(de)(de)(de)(de)單倍型與基(ji)因(yin)(yin)表達及酯含(han)量降(jiang)低顯著相(xiang)關(guan)，為(wei)提(ti)升水果質(zhi)量提(ti)供了(le)遺(yi)傳(chuan)(chuan)資(zi)源(yuan)。
前言
薔薇科（Rosaceae）在(zai)全球水果產(chan)量(liang)中占約(yue)20%，其中桃子作為重要成員，年(nian)產(chan)量(liang)超過(guo)2400萬噸，過(guo)去(qu)十(shi)年(nian)增長了20%。然(ran)而(er)，現代商業桃品種風味質(zhi)量(liang)的(de)下降(jiang)成為消(xiao)費者關注的(de)問題。大多(duo)水果品種為追求高(gao)產(chan)量(liang)和長保(bao)質(zhi)期，往往犧牲風味。近年(nian)來(lai)，高(gao)花青素含(han)量(liang)的(de)紅色品種受到關注，但其風味優(you)化面臨挑戰。
此(ci)外，桃(tao)子(zi)作為多年(nian)生木本植物，育(yu)種周期長(chang)，成本高，難以快速記錄表型。傳(chuan)統連(lian)鎖(suo)、關聯(lian)(lian)圖譜及全(quan)基因(yin)(yin)組關聯(lian)(lian)研究(jiu)（GWAS）雖用(yong)于解析(xi)水果性(xing)(xing)狀(zhuang)遺傳(chuan)基礎，但(dan)香氣分析(xi)因(yin)(yin)環境敏感性(xing)(xing)和低(di)濃度揮發物的挑戰，進展緩慢。目(mu)前關于水果顏色與(yu)香氣等品質性(xing)(xing)狀(zhuang)相互(hu)作用(yong)的研究(jiu)較少，而整合多組學(xue)分析(xi)（如GWAS、eQTL定位和分子(zi)分析(xi)）在理解風味與(yu)營養(yang)變化聯(lian)(lian)系方面仍需進一步(bu)探索(suo)。
研究思路
研究結果
1、消費者評估和代謝組分析顯示，紅肉桃中與風味相關的揮發物顯著損失
為了(le)改善(shan)桃子的(de)營養和風味，研(yan)究團隊(dui)通過消(xiao)費者(zhe)(zhe)評估，從33種(zhong)揮發物中鑒(jian)定了(le)11種(zhong)與喜好(hao)正相關的(de)揮發物，包括內(nei)酯(zhi)、酯(zhi)類和萜烯。然而，檢(jian)測發現紅肉(rou)(rou)桃品種(zhong)的(de)揮發物含(han)量普遍(bian)較低(di)，尤其是芳樟(zhang)醇和Z-3-乙酸(suan)己烯酯(zhi)的(de)含(han)量顯著下降(jiang)，分別降(jiang)低(di)了(le)96.3%和51.9%，這與消(xiao)費者(zhe)(zhe)對紅肉(rou)(rou)桃香氣偏(pian)好(hao)降(jiang)低(di)的(de)現象一(yi)致(zhi)。研(yan)究進一(yi)步通過雜交實(shi)驗和多組(zu)學分析，建立了(le)一(yi)個遺傳平臺，揭(jie)示了(le)紅肉(rou)(rou)與多數揮發物含(han)量呈負相關，并確定了(le)芳樟(zhang)醇和Z-3-乙酸(suan)己烯酯(zhi)是區(qu)分不(bu)同果肉(rou)(rou)顏(yan)色果實(shi)的(de)關鍵揮發物。
圖1 不同果(guo)色桃果(guo)實的揮(hui)發性分(fen)析
2、通過全基因組重測序揭示肉色和揮發物的遺傳位點
基(ji)于重(zhong)測序數(shu)據(ju)，PCA分析顯(xian)示(shi)兩個親本之(zhi)間遺傳(chuan)背(bei)景差(cha)異大(da)，后(hou)代存在顯(xian)著性差(cha)異。遺傳(chuan)力(li)分析顯(xian)示(shi)肉(rou)色(se)、芳樟(zhang)醇和Z-3-乙酸己烯酯表現(xian)高遺傳(chuan)力(li)，為(wei)GWAS分析提供了基(ji)礎。在染色(se)體Pp05上(shang)鑒定到(dao)一個與紅(hong)肉(rou)密切(qie)相關(guan)的(de)主(zhu)要基(ji)因(yin)座，該基(ji)因(yin)座附(fu)近的(de)NAC轉錄(lu)因(yin)子PpBL被發現(xian)是紅(hong)肉(rou)桃中(zhong)(zhong)花色(se)苷(gan)生物合(he)成的(de)調節因(yin)子。研究(jiu)發現(xian)hap2種(zhong)質(zhi)中(zhong)(zhong)PpBL的(de)表達(da)比hap1種(zhong)質(zhi)高263倍，且紅(hong)肉(rou)桃中(zhong)(zhong)存在一個位(wei)于PpBL基(ji)因(yin)上(shang)游(you)320 bp的(de)長末(mo)端重(zhong)復-反轉錄(lu)轉座子（LTR-RT），是導致(zhi)PpBL高表達(da)的(de)原(yuan)因(yin)。
圖2 桃果實(shi)中與果色和香(xiang)氣(qi)相關(guan)揮發(fa)物相關(guan)的遺傳位點
3、eQTL 圖譜鑒定 GRN05 與紅色果色和揮發性內容物的聯系
本研(yan)究通過在184個樣本的(de)(de)(de)CSFP群(qun)體中進行eQTL分(fen)析(xi)，發現了數(shu)萬個eQTL，其(qi)中約(yue)80%為(wei)(wei)順式eQTL，且在染(ran)色(se)體Pp05上發現了一(yi)個名(ming)為(wei)(wei)Red-fleshed.Pp05的(de)(de)(de)eQTL熱點(dian)，與紅(hong)肉(rou)、芳樟醇和Z-3-乙酸己烯(xi)酯相(xiang)關。基(ji)于GWAS和eQTL數(shu)據構建的(de)(de)(de)474個基(ji)因(yin)(yin)調(diao)控網絡（GRN）中，GRN05與紅(hong)肉(rou)和揮(hui)發物(wu)相(xiang)關。GO分(fen)析(xi)顯(xian)示(shi)，紅(hong)肉(rou)果(guo)實(shi)中上調(diao)的(de)(de)(de)基(ji)因(yin)(yin)與類黃酮代謝相(xiang)關，而(er)下調(diao)的(de)(de)(de)基(ji)因(yin)(yin)與脂(zhi)質和萜類代謝相(xiang)關。此外，GWAS和eQTL的(de)(de)(de)聯合分(fen)析(xi)顯(xian)著提高(gao)了表(biao)型解釋(shi)率(lv)，例(li)如(ru)芳樟醇（從13.3%提高(gao)到38.3%）和Z-3-乙酸己烯(xi)酯（從11.8%提高(gao)到26.9%）。這些結(jie)果(guo)表(biao)明eQTL分(fen)析(xi)為(wei)(wei)理解紅(hong)肉(rou)果(guo)實(shi)中揮(hui)發物(wu)減少的(de)(de)(de)分(fen)子機制提供了有力支持。
圖(tu)3 CSFP 和基因調控網絡的(de) eQTL 圖(tu)譜(pu)
4、串聯復制的 PpAAT 區域的序列變化與紅肉桃中 Z-3-己烯乙酸酯的丟失有關
研(yan)究通過GWAS在染色體Pp05上鑒(jian)定(ding)到(dao)一個與Z-3-乙酸(suan)己(ji)(ji)烯酯(zhi)相關的(de)遺傳位點(dian)，該(gai)位點(dian)包含(han)五個串聯的(de)醇酰基(ji)(ji)轉移酶（AAT）基(ji)(ji)因(yin)，其(qi)中PpAAT1表達水平(ping)最(zui)高。進一步研(yan)究發現PpAAT2和(he)PpAAT3也能利用Z-3-己(ji)(ji)烯醇合成Z-3-乙酸(suan)己(ji)(ji)烯酯(zhi)。eQTL分析顯(xian)示PpAAT1、PpAAT2和(he)PpAAT3均(jun)為順(shun)式調(diao)控基(ji)(ji)因(yin)，且啟動子(zi)(zi)區的(de)SNP（Pp05_1981473）顯(xian)著影響這些基(ji)(ji)因(yin)的(de)表達水平(ping)。紅(hong)肉(rou)桃中，PpAAT1的(de)hap2單倍型、PpAAT2和(he)PpAAT3的(de)表達水平(ping)顯(xian)著降低，與酯(zhi)含(han)量呈(cheng)正相關。這些變異(yi)（包括SNP、插入缺失和(he)結構變異(yi)）可能削弱了(le)PpNAC1轉錄因(yin)子(zi)(zi)對(dui)PpAAT1的(de)激活作用，并(bing)最(zui)終(zhong)導致(zhi)紅(hong)肉(rou)果實中Z-3-乙酸(suan)己(ji)(ji)烯酯(zhi)含(han)量降低。
圖4 串聯重(zhong)復的 PpAAT 與(yu) Z-3-乙酸己烯(xi)酯(zhi)含量的變化有(you)關
5、PpBL 和 PpNAC1 級聯調節參與芳樟醇合成的多個基因的表達
研(yan)究發現，紅肉桃果實中(zhong)(zhong)與芳樟(zhang)醇生(sheng)物合(he)成相關的(de)多個(ge)基(ji)(ji)因(yin)（如PpDXS1、PpDXR、PpMCT等）轉錄水平顯著降低。eQTL分析顯示這些基(ji)(ji)因(yin)受Red-fleshed.Pp05位點的(de)反式調控，其中(zhong)(zhong)PpBL在該位點的(de)表(biao)達因(yin)單(dan)倍型(xing)不同而存在顯著差異。此(ci)外，PpNAC1可激活(huo)MEP通路中(zhong)(zhong)的(de)多個(ge)基(ji)(ji)因(yin)表(biao)達，并(bing)在轉基(ji)(ji)因(yin)番茄(qie)中(zhong)(zhong)驗(yan)證(zheng)了其對芳樟(zhang)醇合(he)成的(de)調節(jie)作用。
圖(tu)5 GRN05 級聯反(fan)應中的(de)(de)轉錄(lu)因(yin)子調節(jie)參(can)與芳樟醇合成的(de)(de)多個基因(yin)的(de)(de)表(biao)達
6、揮發性合成的遺傳機制在商業栽培品種中是保守的
在其他不相關的(de)桃品(pin)種中(zhong)(zhong)(zhong)，研究團隊驗證了CSFP群體中(zhong)(zhong)(zhong)發現(xian)的(de)表(biao)型和(he)調控(kong)機(ji)制。結(jie)果顯(xian)示，紅肉品(pin)種中(zhong)(zhong)(zhong)芳樟(zhang)醇和(he)Z-3-乙酸己烯(xi)酯的(de)含量(liang)顯(xian)著低于白(bai)肉品(pin)種，與CSFP群體的(de)觀察一致。攜帶(dai)PpAAT1-hap2基因型的(de)紅肉桃果實(shi)(shi)中(zhong)(zhong)(zhong)Z-3-乙酸己烯(xi)酯水(shui)平顯(xian)著降低，表(biao)明PpAAT1的(de)hap1單倍(bei)型對提升果實(shi)(shi)香氣品(pin)質至關重(zhong)要。此外(wai)，紅肉品(pin)種中(zhong)(zhong)(zhong)PpBL和(he)PpMYB10.1的(de)轉錄水(shui)平高于白(bai)肉品(pin)種，而PpNAC1的(de)表(biao)達則相反，這進一步揭示了紅肉桃香氣相關基因的(de)調控(kong)模式，為培育香氣更強的(de)紅肉桃提供了重(zhong)要遺傳資源。
圖6 桃果(guo)實中紅果(guo)肉和香氣相(xiang)關揮(hui)發(fa)物的調控
總結
1.風味揮發物的損失與遺傳位點的鑒定：消費者評估(gu)和代(dai)謝組分析(xi)顯示，紅肉(rou)桃中與風味相關的揮發(fa)物顯著降低(di)，尤其是芳(fang)樟醇(chun)和Z-3-乙酸己烯酯。
2.eQTL分析與基因調控網絡的構建：基(ji)于GWAS和eQTL數據構建的基(ji)因調控網絡（GRN05）揭示了(le)紅肉(rou)與揮發(fa)物之(zhi)間(jian)的聯(lian)(lian)系，且聯(lian)(lian)合分析顯著提高(gao)了(le)表型解(jie)釋(shi)率。
3.關鍵基因和調控機制的驗證：PpBL和PpNAC1級(ji)聯調節多個參(can)與(yu)芳樟醇(chun)合成基因的(de)表(biao)達，進一步改善紅肉(rou)桃(tao)的(de)風味(wei)品質。
參考文獻：Cao X, Su Y, Zhao T, et al. Multi-omics analysis unravels chemical roadmap and genetic basis for peach fruit aroma improvement. Cell Rep. 2024, 43: 114623.
