BMC Plant Biology | 转录组学和代谢组学分析中草药广西地不容球茎发育过程中的调控机制

文章标题：Integrated metabolomic and transcriptomic analyses provide insights into regulation mechanisms during bulbous stem development in the Chinese medicinal herb plant, Stephania kwangsiensis

期刊名称：BMC Plant Biology

研究部位：中草药广西地不容

研究方法：显微切片、转录组学、代谢组学等

01 研究背景

2024年4月，广西农业职业技术大学在国际学术期刊BMC Plant Biology发表一项最要研究成果，题为：Integrated metabolomic and transcriptomic analyses provide insights into regulation mechanisms during bulbous stem development in the Chinese medicinal herb plant, Stephania kwangsiensis。研究通过代谢组和转录组分析揭示广西地不容球茎发育过程中碳流向从苯丙素生物合成途径向生物碱合成以及脂质和淀粉储存，并且苯丙素生物合成的减少是由于参与酪氨酸代谢的代谢物减少引起的。

广西地不容（Stephania kwangsiensis）是防己科一种著名的中草药，以球茎入药。广西地不容的球茎起源于下胚轴，迄今为止，还没有关于广西地不容球茎生长发育的报道。

02 实验材料

实验中使用的种子来自河池（中国广西），植物生长在温室中。种子以1:1的体积比播种在泥炭土和蛭石中，并在室温下培养以保持基质湿润。取样前未添加任何营养物质或肥料。在三个表型不同的下胚轴发育期采集幼苗。S1T：当种子发芽20天后，幼苗生长到5–10厘米的高度，并且从上胚轴发育而来的植物基部没有膨胀时，作者收集了离地面约2厘米的一部分幼苗。S2T：当种子发芽三个月后，幼苗生长到50–80厘米的高度，并且从上胚轴发育的植物基部的生长进入快速膨胀期时，作者收集了离地面约2厘米的膨胀部分。S3T：球茎选自健康、无病虫害、生长5年的野生植物。采集球茎中心进行实验。取样过程在无菌环境中进行，样品在液氮中快速冷冻并储存在–80°C条件下。

1、显微观察

S1T、S2T和S3T球茎。

2、代谢组实验

S1T、S2T和S3T球茎，每个时期三个生物学重复，进行代谢组检测。

3、转录组实验

S1T、S2T和S3T球茎，每个时期三个生物学重复，进行转录组检测。

4、q-PCR验证

03 研究结果

1.显微表型观察——广西地不容的不同生长期表型差异分析

球茎是广西地不容主要的药效部位，在不同的生长阶段有几种表型(图1)。在未膨大期(S1T)茎不膨大，细胞形状相对规则且呈多边形，没有淀粉粒。在快速膨大期(S2T)，细胞主要为不规则，有小淀粉颗粒。在稳定膨大期(S3T)，薄壁组织细胞壁加厚和细胞间隙增大，大颗粒淀粉的数量逐渐增加。

图1-广西地不容不同生长时期植株及切片分析

2.代谢组分析——与生长期相关的代谢组学变化

为了继续研究广西地不容在不同生长时期的代谢组差异。作者进行了UPLC-MS/MS代谢组分析。共检测到1068种代谢物，包括生物碱类216种，脂质161种，酚酸类132种，氨基酸类128种，类黄酮102种，有机酸类83种，核苷酸类69种，萜类34种，木脂素和香豆素类29种，其他成分114种等。这些结果表明，生物碱类、脂质和酚酸类成分是广西地不容生长过程的主要代谢产物。

PCA分析显示样本在3个生长时期之间代谢物差异显著。聚类热图显示9个样本分为3个主要簇，重复之间聚集在一起，代谢物在S3T中积累更丰富(图2)。为了探究广西地不容在这3个时期的代谢物差异，以VIP≥1且|log2FC|≥1为筛选差异代谢物参数，在S1T和S2T的比较中获得了472种DAMs，在S2T和S3T的比较中获得了552种DAMs(图2)；其中共有DAMs 247种，结果表明不同生长时期的DAMs存在差异(图2)。KEGG富集分析显示，差异代谢物主要富集在植物激素信号转导、异喹啉生物碱生物合成以及戊糖和葡萄糖醛酸相互转化途径，与S3T相比，S2T中的多种DAMs上调（图2）。与S2T相比，S1T中多个上调的DAMs显著富集在氨酰-tRNA生物合成、次级代谢物的生物合成和氨基酸的生物合成途径上（图2）。这些结果表明，广西地不容早期发育的代谢途径主要与生长有关，在后期发育的代谢途径主要与次生代谢有关。

图2-广西地不容不同生长期的代谢组学分析

3.转录组分析——广西地不容不同生长时期的基因表达变化

为了继续广西地不容不同生长时期的基因的调控机制，作者进行了RNA-seq分析。重PCA分析显示不同时期基因表达表现出显著差异。以|log2FC|≥1和Padj<0.05为差异基因筛选条件，在S1T和S2T的比较中，共鉴定出6196个差异表达基因(DEGs)；在S2T和S3T的比较中，共鉴定出15795个DEGs(图3)。为验证转录组结果的准确性，通过qRT-PCR对关键基因的表达进行了验证，结果表明转录组和qRT-PCR检测结果具有较高的一致性。

为了进一步的分析广西地不容不同生长时期DEGs参与的潜在生物学功能，作者进行了KEGG富集分析(图3)。结果表明， DEGs主要富集在苯丙素生物合成、芪类化合物、二芳基庚烷类、姜酚生物合成、异喹啉生物碱生物合成和酪氨酸代谢途径上(图3)。其中S1T和S2T组富集到了独有的类黄酮生物合成和植物激素信号转导途径；S2T和S3T组富集到了独有的戊糖和葡萄糖醛酸的相互转化和玉米素的生物合成途径。这些结果与代谢组学的结果一致。

图3-转录组数据分析

4.基因功能分析——广西地不容不同生长时期DEGs的时序分析

为了评估广西地不容发育过程中的基因表达模式，作者进行了K-means分析，DEGs主要聚为8 Profiles (图4)。这些结果表明显著表达的基因在发育过程中起着重要的作用。KEGG富集分析显示，Profile0和3共同富集在苯丙素生物合成途径，Profile0特异性富集在戊糖和葡萄糖醛酸的相互转化途径和异喹啉生物碱的生物合成途径。Profile4富集在剪接体途径，mRNA监视途径，RNA转运途径和植物昼夜节律途径。Profile7富集在真核生物核糖体生物合成途径 (图4)。这些结果表明异喹啉生物碱生物合成和苯丙素生物合成在发育过程中起着重要作用。

图4-差异基因功能分析

5.联合分析——广西地不容不同生长时期所涉及的关键通路分析

作者进一步对异喹啉生物碱生物合成和苯丙素生物合成中参与的基因和代谢物进行共注释(图5)。具有相似调控模式的基因和代谢物数量显著高于发生改变的基因和代谢物数量。并且对关键通路中的DEGs和DAMs进行了相关性分析，大多数DEGs和DAMs之间显示出显著的相关性。这些结果表明，DAMs和DEGs在不同发育时期表现出不同的调控趋势。

图5-存在于关键通路中的DEGs和DAMs

04 研究总结

本研究对广西地不容不同发育时期的球茎进行了代谢组和转录组分析。结果表明，大量的DAMs和DEGs参与了广西地不容球茎的发育，这些差异基因被富集植物信号转导、异喹啉生物碱生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸相互转化、苯丙素生物合成和酪氨酸代谢。作者认为在广西地不容球茎发育过程中，代谢更倾向于流向生物碱合成以及脂质和淀粉的储存，而不是苯丙素生物合成途径。苯丙素生物合成过程中木质素合成的下调可能会降低对球茎生长的抑制，从而促进球茎膨大。这些结果为广西地不容的育种、栽培和采收提供了实际指导。

百迈客中药代谢组

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研究方向