Comparative metabolomic and transcriptomic analysis reveals a coexpression network of the carotenoid metabolism pathway in the panicle of Setaria italica
- 作者
- Hui Li, Shangling Han, Yiqiong Huo, Guifang Ma, Zhaoxia Sun, Hongying Li, Siyu Hou, Yuanhuai Han
- 单位
- College of Agriculture, Institute of Agricultural Bioengineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi, China; Shanxi Key Laboratory of Germplasm Innovation and Molecular Breeding of Minor Crop, Taigu 030801, Shanxi, China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2022）
- DOI
- 10.1186/s12870-022-03467-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
谷子穗部类胡萝卜素代谢的分子调控机制和基因共表达网络尚不清楚。
研究策略
利用HPLC检测两个谷子品种三个穗发育阶段的类胡萝卜素种类与含量，结合RNA-seq转录组分析鉴定差异表达基因，通过Pearson相关分析和WGCNA构建类胡萝卜素代谢基因共表达网络，并用qRT-PCR验证关键基因表达。
核心内容
该研究整合代谢组与转录组分析，解析了谷子穗部发育过程中类胡萝卜素代谢的调控机制。作者利用HPLC检测两个品种三个穗发育阶段的类胡萝卜素含量，发现叶黄素和β-胡萝卜素为主要代谢物，其中DHD品种S1期两者含量最高，分别达11.474 μg/100mg和12.524 μg/100mg。结合RNA-seq共鉴定到54个类胡萝卜素代谢相关基因，通过Pearson相关分析和WGCNA构建了包含13个结构基因和25个转录因子的共表达网络，coral模块与叶黄素和β-胡萝卜素高度相关。关键基因关联分析显示SiZEP1/2与多种类胡萝卜素显著正相关（r=0.882~0.974），而SiCCD8b与除玉米黄质外的所有类胡萝卜素负相关（r=-0.903等），SiBCH1与β-胡萝卜素显著负相关（r=-0.818）。qRT-PCR验证发现SiDXS1在JG21中S1期表达为DHD的9.58倍，SiMADS8、SiSPL18等转录因子在DHD早期高表达。该网络预测了SiMADS8、SiSPL18等对靶基因的调控关系，为利用基因工程改良谷子类胡萝卜素含量提供了候选靶基因。
创新点
首次对谷子穗部发育过程进行类胡萝卜素代谢组与转录组整合分析；鉴定到54个类胡萝卜素代谢相关基因；构建了包含13个结构基因和25个转录因子的共表达网络，预测了SiMADS8、SiSPL18、SiSPT等转录因子对靶基因的调控。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Setaria italica（谷子） | MEP通路 | SiHDS | 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate synthase | 催化 | 在谷子穗部高表达，TPM值约60.3-60.4 |
| Setaria italica（谷子） | MVA通路 | SiHMGS3 | hydroxymethylglutaryl-CoA synthase | 催化 | MVA通路中表达最高，TPM值41.0-70.5 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素生物合成 | SiPDS | phytoene desaturase | 催化 | 类胡萝卜素合成通路中高表达，TPM值54.3-70.7 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素降解 | SiNCED1 | 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase | 催化 | 在穗部高表达，参与ABA合成 |
| Setaria italica（谷子） | MEP通路 | SiMCT | 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase | 催化 | 表达与叶黄素和β-胡萝卜素含量显著相关 |
| Setaria italica（谷子） | MVA通路 | SiAACT3 | acetoacetyl-CoA thiolase | 催化 | 表达与叶黄素和β-胡萝卜素含量显著正相关 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素生物合成 | SiPSY1 | phytoene synthase | 催化 | 与新黄质、叶黄素、β-胡萝卜素含量显著正相关，r=0.921,0.818,0.833 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素生物合成 | SiZEP1/2 | zeaxanthin epoxidase | 催化 | 与四种类胡萝卜素（除玉米黄质）显著正相关，r=0.882~0.974；SiZEP2表达量约为SiZEP1的72倍 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素降解 | SiCCD8c/8d | carotenoid cleavage dioxygenase | 催化 | 表达与叶黄素和β-胡萝卜素含量显著相关 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素生物合成调控 | SiMADS8 | MADS-box转录因子 | 调控 | 与SiMCT共表达，在DHD S1期表达比JG21高1.97倍 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素生物合成调控 | SiSPL18 | SBP-box转录因子 | 调控 | 与SiPSY1互作，在DHD中S1期表达是S3期的3.55倍 |
| Setaria italica（谷子） | 类胡萝卜素生物合成调控 | SiSPT | bHLH转录因子 | 调控 | 与SiZEP2存在潜在结合位点 |
关键发现
- 主要类胡萝卜素代谢物为叶黄素和β-胡萝卜素；DHD品种S1期叶黄素和β-胡萝卜素含量最高，分别为11.474 μg/100mg和12.524 μg/100mg；共鉴定到54个类胡萝卜素代谢相关基因；WGCNA中coral模块与叶黄素和β-胡萝卜素高度相关，包含13个结构基因；共表达网络识别出25个hub转录因子；SiZEP1/2与四种类胡萝卜素（除玉米黄质）显著正相关（r=0.882~0.974）；SiBCH1与β-胡萝卜素显著负相关（r=-0.818）；SiPSY1与新黄质、叶黄素、β-胡萝卜素含量显著正相关（r=0.921
- 818
- 833）；SiCCD8b与除玉米黄质外的所有类胡萝卜素负相关（r=-0.903, -0.811等）；qRT-PCR显示SiDXS1在JG21中S1期表达是DHD的9.58倍；在DHD中SiDXS1、SiPSY1、SiGGPPS7a/c的S1期表达分别比S3期高1.6、2.04、2.35、4.91倍；SiSPL18在DHD中S1期是S3期的3.55倍；SiMADS8在DHD S1期比JG21高1.97倍。
研究结论
通过代谢组与转录组整合分析，发现类胡萝卜素代谢相关差异表达基因与关键代谢物含量具有较强相关性，相关分析和WGCNA构建了类胡萝卜素代谢的基因调控网络，为后续利用基因工程改良谷子类胡萝卜素含量提供了候选靶基因。