成功案例——转录组+代谢组联合分析揭示了紫茶花中苯类-苯丙烷色素和香...
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发布时间：2024-09-15 08:13
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时间：2024-09-23 21:27
代谢物是植物表型（功能）的物质基础，园艺植物包括水果、蔬菜、花卉等，具有丰富的颜色性状和品质性状，这些性状和功能的物质基础是研究的热点方向。华南农业大学园艺学院张凌云老师团队近期在《Frontiers in plant science》上发表关于代谢组和转录组的联合分析，揭示了茶树BP型色泽与香气的关系，确定了花青素运输相关途径中的基因表达谱。
苯类化合物，尤其是苯丙烷，是植物颜色和香气的主要来源，它们帮助植物吸引传粉动物或阻止外敌侵害。类苯和类苯丙烷（BPs），例如类黄酮，是一组次级代谢产物，来源于莽草酸途径中的两种芳香族氨基酸苯丙氨酸（Phe）和酪氨酸。
茶叶之所以成为一种受欢迎的非酒精饮料，其多样性和丰富的香气是两个原因。茶叶中的主要挥发性BPs为2-PE、Balc和MeSA，而AP和1-PE在茶花中是独特的。挥发性BPs和非挥发性BPs有一个共同的上游合成途径。它们都来源于苯丙氨酸，苯丙氨酸是由莽草酸途径产生的，苯丙氨酸分别进入苯丙氨酸代谢和合成途径。前者继续形成挥发性BPs，后者形成类黄酮，包括花青素。研究BP色素和香气的理想材料最好是含有尽可能多的花青素和挥发性BP。紫娟是一个特殊的茶树品种，有紫色的芽、茎和叶，但仍然缺乏AP和1-PE。此外，和其他茶叶品种一样，紫娟的花也是白色的，这意味着花青素的含量较低。然而在中国广东省白塘镇的茶园里找到了一份完美的材料，一种自然突变的品种（BT；C.sinensisvar.Baitang）有紫色的叶子和花。这个品种为研究BPs在茶树中的代谢以及BPs引起的色香味关系提供了更好的模型。
作者将茶花重新划分为三个阶段，即成熟花蕾（阶段1）、开花前（阶段2）和开花（阶段3）。此外，花香一般会在开花后大量释放，考虑到早期花青素的形成和香气的量，该研究选择了阶段2作为实验对象。
在这项研究中，为了研究挥发性和非挥发性BPs对紫色茶花的气味和颜色的作用，在白色（ZJ品种）和紫色（BT品种）茶花瓣中测定了BP型香气和花青素（图1），确定了生物合成和花青素运输相关途径中的基因表达谱，并分析了调节ZJ和BT之间气味和颜色变化可能的TFs。
实验材料与方法：在广东省白塘镇的茶园中培育了紫茶花BT和白花茶花ZJ。采摘第2阶段（开花前）的花朵，收集花瓣液氮速冻，-80℃保存。实验方法：百迈客转录组测序平台：Illumina HiSeq 2500，紫茶花BT和白花茶花ZJ各3各生物学重复。代谢组：GC-MS
主要结果与分析：挥发性苯类-苯丙烷类及相关基因分析。在白色和紫色茶花中，最丰富的挥发性苯化合物（BPs）是MeSA和AP、1-PE。在白色茶花中，MeSA是主要的挥发性BPs，相对于白色茶花，紫色茶花中的AP高出2倍。除MeSA外，其他常见挥发性BPs在紫色花朵中显著升高：1-PE、Bald和Balc分别为高出2,2.9,2.8倍；而在白花中没有检测到2-PE。总体上，紫茶花中的BPs发生了变化，其中苯丙烷类（AP、1-PE和2-PE）高于其他苯类（Bald、Balc和MeSA），而在正常的白色花朵中，则相反，这表明紫色茶花中苯丙烷类化合物的合成途径被促进。
非挥发性苯类-苯丙烷类及相关基因分析。在这两个品种的花瓣中共检测到20种花青素，其中5种花青素为苷元，分别为Pg、Cy、Dp、Pn和Pt。两种花色茶花中都有两到三种花色苷未检测到，即：白色茶花中的petunidin-3-O-(6’’-O-p-coumaroyl)glucoside-5-O-rhamnoside，cyanidin-3-O-(6’’-O-caffeoyl-2’’-O-xylosyl)glucosid和pelargonidin-3-O-glucoside ，以及紫色茶花中的cyanidin-3-O-(6’’-O-p-coumaroyl)rutinoside-5-O-glucoside 和cyanidin-3-O-caffeoylsophoroside（图3A）。这20种花青素的总含量紫色花瓣比白色花瓣高1.9倍。根据苷元类型，20种花色苷可分为2个Pg、11个Cy、1个Dp、2个Pn和4个Pt，其中Cy和Dp是主要的苷元（图3B）。
参与苯类-苯丙烷生物合成的转录因子。上述结果表明，在紫色花朵中，最具特征的挥发性和非挥发性BPs分别为AP和DpG。计算了Ps和TFs之间的皮尔逊相关系数，发现这两个茶叶品种之间存在显著差异。AP和DpG的14个TF的相关系数大于0.95（表1）。他们属于AP2/ERF、bZIP、EMP、GATA、HS、MYB、NAC、TCP和WRKY家族，在紫色花种分别高出1.6–6.7倍，其中MYB、AP2/ERF、bZIP、TCP和GATA的表达水平最高。
总结：研究发现在BT紫色花瓣中，BP型香气随着BP型颜色的出现而增加。AP和DpG大量累积，是主要的挥发性和非挥发性BPs，此外莽草酸途径中的结构基因和挥发性BPs的合成得到了促进。类黄酮合成途径的大多数基因被下调，并且流出被引导积累Dp。许多TF参与调节紫色及其相关香气。该研究结果揭示了茶树BP型色泽与香气的关系，为了进一步阐明调控机制，未来需要对相关基因的功能进行更多的鉴定。
