海南大学热带作物学院/海南大学三亚南繁研究院罗杰教授团队近日在Cell Press期刊Trends in Plant Science发表题为“Plant metabolic gene clusters in the multi-omics era”的综述论文，总结了多组学快速发展的时代下，植物代谢基因簇的发现和发展历程，并阐述了发掘和解析植物代谢基因簇的常用策略和方法，同时也介绍了植物代谢基因簇的自然变异与演化情况。
植物合成了大量的功能性小分子代谢物，它们不仅在植物抵御生物和非生物胁迫过程中具有重要的功能，也为人类提供了大量具有药理和其它工业性质的化合物资源。植物代谢基因簇是指一组植物基因组中紧密相连的非同源基因，它们负责编码同一代谢途径中多个步骤过程中的合成酶。植物的基因组重复序列多、结构复杂、大小不一，使得长久以来挖掘植物次生代谢物多样性的分子进化机制进展缓慢。随着测序技术的发展，我们可以通过多组学的研究方法，系统解析和研究植物代谢基因簇，进而以功能代谢组为桥梁解析复杂性状的调控网络，为作物重要性状改良提供了代谢组学辅助育种的新手段。
发掘植物代谢基因簇的策略
作者举例发掘代谢基因簇常用策略，利用高质量基因组与代谢组和转录组学分析，鉴定植物代谢基因簇在基因组的位置及排列顺序。同时结合软件预测分析，初步筛选出一些可能的候选代谢基因簇。
主要植物代谢基因簇产物的类别及其功能
目前，次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、类萜、甾体及其甙、生物碱七类。而共有约30多个植物代谢基因簇的代谢途径被解析。
从目前已经报道的研究结果来看，代谢基因簇在双子叶和单子叶植物的不同种类次生代谢物合成途径中广泛存在。这种功能相关基因紧凑分布的现象改变了传统观念中植物代谢物合成途径编码基因在基因组中分散分布的认识。
两种不同的酚胺基因簇赋予水稻广谱抗病性
有意思的是，作者通过对检测的代谢组数据进行全基因组关联分析(GWAS)，鉴定到两个酚胺基因簇，分别排列在9号染色体上和10号染色体上，并且它们都与水稻的抗病性有关。
植物代谢基因簇的自然变异与演化
水稻蓖麻烯二萜代谢基因簇DGC7，是由一个1个萜烯合酶(OsTPS28)和2个细胞色素P450氧化酶(OsCYP71Z2和CYP71Z21)组成。DGC7的泛基因组数据表明，与野生稻和籼稻群体相比，完整的DGC7在水稻粳稻群体中高度富集。此外，Fst和π研究结果进一步揭示了DGC7位于基因组的选择区。以上结果表明，DGC7在水稻的驯化过程中可能受到了某种选择。
结论与展望
随着越来越多的基因簇及其特征被揭示，也将进一步为生物信息学开发相应算法和预测程序提供宝贵的基础数据。该综述从植物代谢基因簇的发现和发展历程、结构特点、预测和寻找方法、功能鉴定、调控及演化模式等方面系统地阐述植物代谢基因簇的研究进展。
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论文作者介绍
罗杰
教授
罗杰，海南大学教授，博士生导师，长期从事作物营养品质调控及改良研究，获国家杰出青年科学基金资助，主持国家自然科学基金重点项目、“863”重点项目、“973”课题等。在细胞、自然遗传学、自然植物、自然通讯、美国科学院院刊等国际顶级期刊发表系列高水平研究论文，为作物品质调控特别是营养品质改良提供了新的基因和手段。
▌论文标题：
Plant metabolic gene clusters in the multi-omics era
▌论文网址：
https://www.cell.com/trends/plantsc-ience/fulltext/S1360-1385(22)00055-3
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.tplants.2022.03.002
转自：植物生物技术Pbj
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