2025-07-10
文章(zhang)信(xin)息(xi)
文章題目：Unraveling the regulatory network of barley grain metabolism through the integrative analysis of multiomics and mQTL
中文標題(ti)：通過多組學和mQTL的(de)(de)整(zheng)合分(fen)析揭示大麥籽粒(li)代謝的(de)(de)調控網(wang)絡(luo)
發(fa)表期刊：Nature Communications
影響(xiang)因子：15.7
發表時間(jian)：2025年7月
涉(she)及(ji)組學：轉錄組、代謝組和mQTL
摘 要
盡管大麥籽粒(li)(li)代(dai)(dai)謝(xie)物已有研究，但其發(fa)育(yu)過程中代(dai)(dai)謝(xie)物動態變化與基因(yin)表達調控機制仍(reng)不清(qing)楚。本研究利用華大麥6號與華艾11號六(liu)個發(fa)育(yu)階段的(de)(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)組和(he)(he)轉錄(lu)組數(shu)據(ju)(ju)，鑒定出(chu)986種(zhong)代(dai)(dai)謝(xie)物和(he)(he)18,868個共(gong)表達基因(yin)。在(zai)二者(zhe)衍生的(de)(de)(de)(de)DH群體(ti)中，檢測到1,057個mQTL與553種(zhong)代(dai)(dai)謝(xie)物相關，并整合(he)多(duo)組學數(shu)據(ju)(ju)構建了(le)籽粒(li)(li)代(dai)(dai)謝(xie)共(gong)表達調控網絡(luo)。進一步分析揭示(shi)了(le)類黃酮代(dai)(dai)謝(xie)途(tu)徑的(de)(de)(de)(de)關鍵轉錄(lu)因(yin)子和(he)(he)結構基因(yin)，明確了(le)HvC1-1和(he)(he)HvMYC-1調控籽粒(li)(li)顏(yan)色分化的(de)(de)(de)(de)機制。該研究系統揭示(shi)了(le)大麥籽粒(li)(li)發(fa)育(yu)的(de)(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)調控網絡(luo)，為(wei)營養(yang)品質改良和(he)(he)分子育(yu)種(zhong)提供了(le)重要資源。
前 言
大麥（Hordeum vulgare L.）作(zuo)為(wei)(wei)全球廣泛種(zhong)(zhong)植的谷類(lei)作(zuo)物，不(bu)僅可作(zuo)為(wei)(wei)食品和飼料，還在營養保健、釀造加工等方(fang)面(mian)發揮(hui)重要作(zuo)用(yong)，因此被譽為(wei)(wei)“多(duo)元化(hua)作(zuo)物”。近年來，隨著對(dui)其黃酮(tong)類(lei)化(hua)合物、維(wei)生(sheng)素(su)等生(sheng)理活性物質含量的關注(zhu)，大麥逐漸被視為(wei)(wei)具有保健和藥(yao)用(yong)價值的營養食品，尤其青(qing)稞(ke)的攝(she)入(ru)被認(ren)為(wei)(wei)有助于降低多(duo)種(zhong)(zhong)慢性疾(ji)病風險。
苯(ben)丙烷代謝途徑是植(zhi)物(wu)中重要(yao)的(de)次生代謝通(tong)路，其產物(wu)在植(zhi)物(wu)生長發(fa)育和環境互作(zuo)(zuo)中發(fa)揮關鍵(jian)作(zuo)(zuo)用。類黃酮的(de)生物(wu)合成起始于苯(ben)丙烷代謝途徑，受結構基因(yin)(yin)（如PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、UGT等）和調(diao)控(kong)基因(yin)(yin)（如MYB、bHLH、WD40等）共同(tong)調(diao)控(kong)。盡(jin)管該通(tong)路在水稻(dao)、擬南(nan)芥等模式植(zhi)物(wu)中已有較深(shen)入研究，但在大麥中仍缺乏(fa)系統性(xing)解析。
研究(jiu)內容
1、大麥籽粒發育過程中的代(dai)謝分析
采(cai)用HPLC-MS/MS技術在大麥(mai)(mai)籽(zi)粒中共(gong)檢測到986種代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)物(wu)，包括419種注(zhu)釋代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)物(wu)和567種未(wei)知代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)物(wu)，其中黃酮類化合(he)物(wu)最為豐富，占注(zhu)釋代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)物(wu)的21.48%。代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)物(wu)聚類與(yu)主成分(fen)(fen)分(fen)(fen)析（PCA）均將樣(yang)(yang)本(ben)清晰(xi)劃分(fen)(fen)為細(xi)胞分(fen)(fen)裂期（7–21 DPA）和胚乳發(fa)育(yu)期（28–42 DPA）兩(liang)個階(jie)(jie)段(duan)(duan)，且(qie)同(tong)一階(jie)(jie)段(duan)(duan)內(nei)樣(yang)(yang)本(ben)間代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)物(wu)含量(liang)高度相關，表(biao)現出明顯的階(jie)(jie)段(duan)(duan)特(te)異(yi)性。同(tong)時，轉錄組分(fen)(fen)析顯示，22,925個基因(yin)在籽(zi)粒發(fa)育(yu)過(guo)程中表(biao)達(da)，PCA和聚類分(fen)(fen)析同(tong)樣(yang)(yang)將樣(yang)(yang)本(ben)分(fen)(fen)為兩(liang)個發(fa)育(yu)階(jie)(jie)段(duan)(duan)，且(qie)基因(yin)表(biao)達(da)模式與(yu)代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)物(wu)積累(lei)趨勢(shi)一致(zhi)，進一步說明大麥(mai)(mai)籽(zi)粒發(fa)育(yu)過(guo)程中代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)與(yu)基因(yin)表(biao)達(da)均具有階(jie)(jie)段(duan)(duan)特(te)異(yi)性特(te)征(zheng)。
圖1 代謝組和轉錄組分析概要
2、大麥代謝組和基因表達在對應(ying)于不同發育階段的 9 個簇中共同調控
為揭示大麥(mai)籽(zi)(zi)粒發育(yu)過(guo)程中代謝物(wu)積累的(de)(de)動(dong)態變化，將986種代謝物(wu)分為9個簇(cu)（MC），其中簇(cu)7和(he)8包含最多代謝物(wu)，主要積累于(yu)早期（7 DPA），隨后(hou)逐漸消耗；而簇(cu)2和(he)6的(de)(de)代謝物(wu)則在(zai)(zai)胚乳(ru)發育(yu)階段（28 DPA后(hou)）開始積累，分別在(zai)(zai)42 DPA和(he)35 DPA達(da)(da)到峰(feng)值。類(lei)黃酮、氨基(ji)酸(suan)及其衍生(sheng)(sheng)物(wu)等活性物(wu)質(zhi)在(zai)(zai)各簇(cu)中呈現多樣的(de)(de)積累模式。進一(yi)步分析發現，18,868個基(ji)因(yin)的(de)(de)表達(da)(da)水平與代謝物(wu)積累高(gao)(gao)度相(xiang)關（r ≥ 0.8，p < 0.01），這些基(ji)因(yin)也被(bei)分為9個表達(da)(da)簇(cu)（GC），與MC高(gao)(gao)度一(yi)致。KEGG富(fu)集(ji)分析顯示，GC2中富(fu)集(ji)于(yu)氨基(ji)酸(suan)代謝通路，對(dui)應(ying)MC2中富(fu)集(ji)氨基(ji)酸(suan)及其衍生(sheng)(sheng)物(wu)；GC5中富(fu)集(ji)類(lei)黃酮和(he)苯丙烷合成通路，對(dui)應(ying)MC5中富(fu)集(ji)相(xiang)關代謝物(wu)。結果表明，大麥(mai)籽(zi)(zi)粒中基(ji)因(yin)表達(da)(da)與代謝物(wu)積累在(zai)(zai)發育(yu)過(guo)程中高(gao)(gao)度協(xie)同(tong)。
圖(tu)2 不同發育階段大麥(mai)籽粒(li)代謝物積累和(he)基因(yin)表達模式之(zhi)間的動態(tai)變化
3、mQTL 和共表(biao)達簇的聯(lian)合(he)分析，構建全(quan)球共表(biao)達調(diao)控網絡
在(zai)(zai)去殼大麥(mai)(mai)HB6與(yu)裸(luo)大麥(mai)(mai)HA11的籽粒發育過(guo)程中(zhong)，代(dai)(dai)(dai)謝物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)積累模式存在(zai)(zai)品(pin)種(zhong)差異：簇1、2、4、5、6和8中(zhong)的代(dai)(dai)(dai)謝物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)(zai)兩(liang)品(pin)種(zhong)中(zhong)趨勢一致但(dan)含量不同。這種(zhong)差異可(ke)能與(yu)調控基因的表達水平及功能變異有(you)關。為系統(tong)解析代(dai)(dai)(dai)謝物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)積累的遺傳基礎在(zai)(zai)HA11×HB6衍生的DH群體(ti)中(zhong)對1150種(zhong)代(dai)(dai)(dai)謝物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)（555種(zhong)已(yi)知）進行(xing)了mQTL分析，共(gong)鑒定出1057個(ge)mQTL，其(qi)中(zhong)510個(ge)與(yu)已(yi)知代(dai)(dai)(dai)謝物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)相(xiang)關，類(lei)(lei)(lei)黃酮類(lei)(lei)(lei)代(dai)(dai)(dai)謝物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)貢(gong)獻最多（164個(ge)），其(qi)次是(shi)氨基酸類(lei)(lei)(lei)（48個(ge)）和維生素類(lei)(lei)(lei)（19個(ge)），并(bing)將其(qi)與(yu)代(dai)(dai)(dai)謝共(gong)表達簇整合，構建(jian)了涵(han)蓋籽粒發育全過(guo)程的大麥(mai)(mai)代(dai)(dai)(dai)謝調控網絡（BMRN）。
圖3 鑒定的 mQTL 的染色體分布(bu)
4、大(da)麥籽粒發育過程中類黃酮(tong)生物(wu)合成(cheng)途徑的重建
利用構(gou)建的(de)大麥代(dai)謝(xie)調控網絡（BMRN）重(zhong)點解析了類黃酮代(dai)謝(xie)途徑的(de)調控機制。共鑒(jian)定出(chu)(chu)90種類黃酮代(dai)謝(xie)物(wu)及其在(zai)染(ran)色體上的(de)164個(ge)遺傳位點，其中(zhong)(zhong)超過90%為糖基(ji)化(hua)修飾產物(wu)。網絡中(zhong)(zhong)篩選出(chu)(chu)4個(ge)糖基(ji)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)酶基(ji)因(yin)（HvUGT-1至HvUGT-4）。此外，還鑒(jian)定到(dao)多(duo)個(ge)結(jie)構(gou)基(ji)因(yin)（如(ru)HvPAL-1、Hv4CL-1、HvCHS-1、HvCHI-1、HvFNS-1等）和2個(ge)R2R3-MYB轉(zhuan)(zhuan)錄因(yin)子（HvMYB-1和HvMYB-2），它們與類黃酮代(dai)謝(xie)物(wu)及結(jie)構(gou)基(ji)因(yin)共表(biao)(biao)達，并在(zai)胚乳發(fa)育(yu)階段(duan)高表(biao)(biao)達。
圖4 大麥中類黃酮(tong)生物合成(cheng)途徑(jing)重要基因(yin)的鑒定
5、NAC 轉錄因子的鑒定調節(jie)類黃(huang)酮(tong)代謝途徑
在共(gong)表(biao)(biao)(biao)達分(fen)析(xi)中(zhong)發現(xian)HvNAC-1與類黃(huang)(huang)酮代(dai)謝(xie)途(tu)徑高度相(xiang)關，并與HvMYB-1/2共(gong)享(xiang)多個共(gong)表(biao)(biao)(biao)達基因和代(dai)謝(xie)物。瞬時過表(biao)(biao)(biao)達HvNAC-1顯著提升(sheng)了Tricin O-鼠李糖苷等(deng)(deng)類黃(huang)(huang)酮代(dai)謝(xie)物的(de)積累，同時降低(di)了木犀(xi)草素O-丙(bing)二酰己糖苷等(deng)(deng)物質的(de)含量(liang)。亞(ya)細胞定(ding)位顯示HvNAC-1定(ding)位于細胞核。LUC和LCI實(shi)驗(yan)表(biao)(biao)(biao)明，HvNAC-1能激(ji)活類黃(huang)(huang)酮結構基因（如HvPAL-1、HvCHS-1、HvUGT-1等(deng)(deng)）的(de)表(biao)(biao)(biao)達，Y1H分(fen)析(xi)進一步證(zheng)實(shi)其通(tong)過CGT結合元件與這些基因啟動子結合。在HvNAC-1過表(biao)(biao)(biao)達大(da)麥株(zhu)系中(zhong)，葉片總類黃(huang)(huang)酮含量(liang)及(ji)關鍵酶基因表(biao)(biao)(biao)達顯著下降。綜上，HvNAC-1首次被(bei)證(zheng)實(shi)參與調控大(da)麥類黃(huang)(huang)酮代(dai)謝(xie)途(tu)徑。
圖5 鑒定(ding)調(diao)節類黃酮生物合成的 HvNAC-1
6、成熟大麥籽粒中類黃酮相(xiang)關 mQTL 和顏色相(xiang)關位點分析
在本(ben)(ben)研究中(zhong)，發現大麥(mai)DH群體(ti)及(ji)其親本(ben)(ben)在籽粒顏(yan)(yan)(yan)色(se)(se)上存在明顯(xian)分化。代(dai)(dai)謝(xie)組(zu)分析(xi)顯(xian)示，顏(yan)(yan)(yan)色(se)(se)較深(shen)的(de)4&5級品系中(zhong)富(fu)集(ji)了(le)15種與(yu)色(se)(se)度相關(guan)的(de)代(dai)(dai)謝(xie)物，主(zhu)要為類(lei)黃酮(tong)，且其積累高(gao)峰出(chu)(chu)現在籽粒發育(yu)中(zhong)后(hou)期(qi)（28–42 DPA）。QTL定(ding)位共(gong)鑒(jian)定(ding)出(chu)(chu)35個顏(yan)(yan)(yan)色(se)(se)相關(guan)QTL，主(zhu)要集(ji)中(zhong)在2H、3H、4H和7H染色(se)(se)體(ti)，并(bing)與(yu)類(lei)黃酮(tong)mQTL共(gong)定(ding)位形(xing)成3個熱點區域。此外，2H和7H熱點分別包含轉(zhuan)錄因子HvMYC-1和HvC1-1，二者在親本(ben)(ben)間啟(qi)動子區存在差異(yi)，且表(biao)達水平隨籽粒顏(yan)(yan)(yan)色(se)(se)加深(shen)而升高(gao)。愈(yu)傷組(zu)織轉(zhuan)化實(shi)驗顯(xian)示，過(guo)表(biao)達HvC1-1或HvMYC-1可誘導(dao)粉紅色(se)(se)表(biao)型(xing)，進一步證實(shi)其參與(yu)籽粒顏(yan)(yan)(yan)色(se)(se)形(xing)成。綜上，類(lei)黃酮(tong)代(dai)(dai)謝(xie)物積累與(yu)關(guan)鍵調(diao)控(kong)基(ji)因共(gong)同(tong)決定(ding)了(le)大麥(mai)籽粒顏(yan)(yan)(yan)色(se)(se)的(de)形(xing)成。
圖6 大麥(mai)DH群體中成熟籽粒(li)顏色相關基因的鑒定
總 結
本研究利用華大麥6號(hao)與(yu)華艾11號(hao)六(liu)個發育階段的代謝組(zu)和轉錄組(zu)數據，系統揭示了大麥籽粒發育過(guo)程中代謝物的動(dong)態(tai)變化規律。
整合多組學數據構建了(le)籽(zi)粒代謝共表達(da)調(diao)控網絡，明(ming)確了(le)類黃酮(tong)代謝途徑的關(guan)鍵轉(zhuan)錄因子（如(ru)HvC1-1和HvMYC-1）和結構基因，闡(chan)明(ming)了(le)籽(zi)粒顏色分化的調(diao)控機制。
全面(mian)解(jie)析了大麥籽(zi)粒發(fa)育的(de)代謝調(diao)控網絡(luo)，為營(ying)養品質改(gai)良和分子育種(zhong)提(ti)供了重要的(de)理論依據和基(ji)因資(zi)源。
參考文獻
Song R, Wang Y, Li Y, et al. Unraveling the regulatory network of barley grain metabolism through the integrative analysis of multiomics and mQTL. Nat Commun. 2025, 16:5544.
