PBJ | 宁夏农林科学院曹有龙团队解析了枸杞代谢物景观图与类黄酮、甜菜碱和亚精胺的遗传基础

近日，宁夏农林科学院曹有龙团队与海南大学罗杰团队合作构建了307份枸杞资源的代谢物景观图，并成功解析了枸杞类黄酮，甜菜碱和亚精胺代谢物的遗传基础，为枸杞的品质改良提供了基因资源。相关成果在线发表在植物权威杂志Plant Biotechnology Journal上，文章标题为“Metabolite-based genome-wide association studies enable the dissection of the genetic bases of flavonoids, betaine and spermidine in wolfberry (Lycium)”。

宁夏枸杞（Lycium barbarum L.）是我国名贵药食两用植物资源。然而，其功效成分的遗传基础尚未明确。本研究组装了一个染色体水平的枸杞基因组，大小为1.77 Gb，Contig N50为50.55 Mb，预测了39,224个基因。基于该基因组，构建了307份重测序样本的全基因组变异图谱。同时，在307份资源中鉴定了563个注释代谢物，且能将宁夏枸杞和非宁夏枸杞区分开来，并发现宁夏枸杞的类黄酮、香豆素、生物碱和烟酸含量较非宁夏枸杞更高。采用mGWAS技术鉴定出156,164个SNP位点显著关联到340个代谢物上；进一步发现参与类黄酮代谢的3个关键基因，其中，LbUGT和LbCHS存在非同义突变，并受控于附近的MYB转录因子互作调控；此外，还鉴定到参与枸杞甜菜碱与亚精胺的生物合成关键基因LbSSADH和LbBEAT，并进行验证解析。本研究为枸杞功效物质开发利用与品质改良提供重要理论和应用价值。

研究团队首先利用PacBio HiFi测序和HiC测序组装了一个约1.77 Gb的高质量枸杞基因组（图1），Contig N50为50.55 Mb。BUSCO分析显示，基因组组装完整捕获了99.32%的核心真核基因（1614个），LTR组装指数值为13.07。Merqury结果显示QV值为62.20。预测了39,224个编码蛋白基因，编码序列长度为1119.80bp，每个基因4.82个外显子。这些基因中有90.12%能被Swiss-Prot, GenBank Nr, GO and KEGG 数据库注释到。

图1 宁杞1号的高质量参考基因组组装和注释

研究团队随后利用16个Lycium barbarum L.（宁夏枸杞，LB）、13个No Lycium barbarum L.（非宁夏枸杞，NLB）和278个其他枸杞种质资源。基于液相色谱-串联质谱广泛靶向代谢谱分析方法建立了MS2谱系标签（MS2T）库。得到了3,176个代谢物，其中包括563个已注释的代谢物。已注释的代谢物主要分为10个大类，包括黄酮类、生物碱、氨基酸衍生物、脂类和酚酸类等（图2A），共有2,405个代谢物，其变异系数超过50%。此外，发现超过45%的NLB组中的代谢物变异系数值大于100%，表明NLB枸杞中的代谢物含量差异较大（图2B）。进一步分析了LB和NLB枸杞之间的代谢物累积差异，在LB中，97种代谢物的累积量高于NLB，分别为黄酮类、香豆素、生物碱、烟酸和其他代谢物。这一发现为优质宁夏枸杞的品质形成提供了重要依据（图2D）。

图2 基于代谢谱的307份枸杞材料的自然变异分析

研究团队进一步对307份枸杞材料进行了深度为9.26×的重测序，采用线性混合模型（LMM）进行了mGWAS。Bonferroni阈值校正后（5.98E-08）；总共检测到156,164个与340种代谢物相对应的显著关联SNPs，其中，1517个显著关联基因座中的19, 219个独特的lead SNPs，且这些lead SNPs解释表型变异最高达38.5%，平均11.9%。在07号染色体上的SNP 07:130308545与O-hexosyl-tricetin-O-rhamnoside的含量显著相关（P=8.66E-13）（图3B），该基因座附近发现了一个UDP糖基转移酶基因（LbUGT）是O-hexosyl-tricetin-O- rhamnoside含量的候选基因。继续在LbUGT下游1Mb内发现了一个查尔酮合酶（LbCHS）基因和一个MYB转录因子（LbMYB）基因（图3 B）；qRT-PCR显示，在LB的5个发育阶段，LbUGT和LbMYB的表达水平均先增加后降低。这种相似变化趋势表明它们可能共同参与类黄酮代谢的调控（图3 J–L）；瞬时过表达LbCHS能显著提升O-hexosyl-tricetin-O- rhamnoside的含量（图3M）。酵母单杂交（Y1H）测定结果显示MYB蛋白可以直接与UGT和CHS的启动子结合（图3N和O）。随后还发现甜菜碱含量的候选基因LbSSADH (图4)，枸杞亚精胺含量的候选基因LbBEAT(图5)，并分别进行了功能研究。以上研究为枸杞功效物质合成调控分子机制解析提供了新的思路，同时本研究中鉴定到新代谢物与挖掘出重要基因在枸杞品质改良中具有重要的应用价值。

图3 结构和转录因子基因共同调节O-hexosyl-tricetin-O-rhamnoside代谢

图4 LbSSADH基因在甜菜碱代谢中的功能分析

图5 参与亚精胺代谢的候选基因的功能分析

宁夏农林科学院赵建华研究员、许语辉博士和李浩霞副研究员为论文的共同第一作者，宁夏农林科学院赵建华研究员、曹有龙研究员、海南大学罗杰教授为论文的共同通讯作者。武汉迈维代谢和艾德森生物也参与了相关研究。本研究得到了宁夏科技创新领军人才、宁夏重点研发计划、宁夏创新研究群体项目、国家自然科学基金、宁夏首批“揭榜挂帅”等项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14278

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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