前言

在植物中，花的氣味在吸引傳粉者、阻止病原體和寄生蟲以及響應(yīng)生物和非生物脅迫方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外，花香是觀賞植物的重要商業(yè)性狀，對(duì)食品、飲料、香水、化妝品和制藥行業(yè)的質(zhì)量也具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

花香由揮發(fā)性有機(jī)化合物的混合物組成，揮發(fā)性有機(jī)物具有親脂性，分子量低，熔點(diǎn)高。迄今為止，已鑒定出1700多種花的揮發(fā)性有機(jī)物，可分為萜類、苯丙類/苯類、脂肪酸衍生物和氨基酸衍生物。在過去的十年中，大量關(guān)于花揮發(fā)性有機(jī)物的研究提高了作者對(duì)其功能、生物合成和調(diào)控的理解。目前，對(duì)花香的研究主要集中在常見的觀賞植物上，如玫瑰、蘭花和郁金香。然而，不同植物的花香中揮發(fā)性有機(jī)物的成分和豐度差異很大。

忍冬屬刺葉科，是一種重要的中藥植物。粳花（LJF）因其藥用和甜味特性被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、飲料和食品中。人們對(duì)LJF的藥理活性的研究已經(jīng)付出了大量的努力。然而，花香的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚。

2022年9月，河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李建軍課題組在《Frontiers in Plant Science》期刊（IF:6.627）發(fā)表了題為“Integrated volatile ?metabolomic and ?transcriptomic analysis ?provides insights into the ?regulation of floral scents ?between two contrasting ?varieties of ?Lonicera japonica”的研究成果，本研究采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)兩種不同品種粳花（LJF）在香氣最強(qiáng)期的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行了鑒定。此外，還通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)譜與代謝組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，以闡明LJF的花氣味的調(diào)控機(jī)制。選擇候選基因進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR（qRT-PCR）進(jìn)行驗(yàn)證。這些發(fā)現(xiàn)為LJF的花氣味的代謝機(jī)制和分子基礎(chǔ)提供了新的信息。

研究思路

圖1 | 代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)工作流程概述

研究結(jié)論

1.兩個(gè)品種的代謝組分析

為了解可能導(dǎo)致這兩個(gè)品種的LJF香氣差異的原因，作者使用HS-SPME結(jié)合GC-MS代謝組學(xué)來鑒定LJF在銀階段（香氣最強(qiáng)的階段）的‘Yujin 2’和‘Fengjin 1’。對(duì)不同QC樣品的總離子電流進(jìn)行重疊分析，發(fā)現(xiàn)氣相色譜-質(zhì)譜分析具有良好的儀器穩(wěn)定性（圖2A）。Pearson的相關(guān)分析顯示，“Yujin2”和“鳳金1”樣本之間的相關(guān)性較弱，而重復(fù)樣本內(nèi)的相關(guān)性較強(qiáng)（圖2B）。主成分分析還表明，兩個(gè)品種的VOC譜是分離的，生物學(xué)上的重復(fù)相同品種被緊密地分組（圖2C)。這些結(jié)果表明，代謝組數(shù)據(jù)具有較高的可重復(fù)性，便于進(jìn)一步分析，且兩個(gè)品種的VOC譜不同。

圖2 | 代謝組學(xué)分析概述

通過GC-MS代謝組學(xué)研究表明，兩個(gè)不同品種之間的LJFs的揮發(fā)性有機(jī)物水平有很大的差異。共鑒定出153個(gè)數(shù)據(jù)庫，其中增加41個(gè)，減少112個(gè)（圖3A）。Yujin2誘導(dǎo)的dav多為萜類和酯類。然而，‘Yujin2’中碳?xì)浠衔?、醛類、鹵代烴等dav的含量下降（圖3B）。為了評(píng)估dav的積累模式，作者進(jìn)行了層次聚類分析，結(jié)果顯示，dav被分為兩個(gè)聚類（圖3C）。此外，利用KEGG數(shù)據(jù)庫對(duì)這些DAVs進(jìn)行了功能注釋，以進(jìn)一步了解DAVs的生物合成機(jī)制(圖3D）。

圖3 | ‘Yujin 2’和‘Fengjin 1’LJF樣品中差異積累揮發(fā)物（DAVs）的表征

2.兩個(gè)忍冬品種ljf的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析

PCA和Pearson相關(guān)分析顯示，LJF的轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)是相同品種的，共鑒定出9523個(gè)基因，‘Yujin2’與‘Fengjin 1’相比，其中4715個(gè)基因上調(diào)，4808個(gè)基因下調(diào)(圖4C）。通過對(duì)DEGs進(jìn)行層次聚類分析，并將DEGs分為兩個(gè)聚類(圖4D）。從生物學(xué)過程來看，上調(diào)的DEGs主要參與細(xì)胞壁組織、果膠分解代謝過程、花粉管生長的調(diào)控、pH的調(diào)控、碳水化合物代謝過程等。在下調(diào)的DEGs中，大部分在調(diào)節(jié)防御反應(yīng)、極性核融合、光合作用、谷胱甘肽代謝過程等方面富集(圖4E)。值得注意的是，與萜類和多酮類代謝相關(guān)的油菜素類內(nèi)酯生物合成、單萜類生物合成和類胡蘿卜素生物合成顯著富集（圖4F）。

圖4 | ‘Yujin2’和‘Fengjin 1’LJF樣本差異表達(dá)基因（DEGs）特征

為進(jìn)一步研究LJF花香中與VOC產(chǎn)生相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，利用這些差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)建了轉(zhuǎn)錄因子和花香味相關(guān)基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(圖5)。

圖5 | 一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（TFs）和花的氣味相關(guān)基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

3.LJF中VOC積累的綜合揮發(fā)性代謝組和轉(zhuǎn)錄組分析

為了獲得可能參與LJF VOC生物合成的候選基因，作者通過相關(guān)分析整合了轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和VOC譜分析數(shù)據(jù)(圖6A)?？偣灿?2個(gè)DAVs對(duì)DEGs有較高的校正，包括香葉醇、和反香葉酰香葉醇等。通過KEGG分析，將“Yujin2”和“鳳金1”之間的deg和DAVs整合到與VOC相關(guān)的通路中生物合成，包括倍半萜和三萜生物合成、萜類主干生物合成、類固醇生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成、色氨酸代謝、單萜生物合成和二萜生物合成（圖6B）。

圖6 |?LJF中VOC積累的綜合揮發(fā)性代謝組和轉(zhuǎn)錄組分析

4.LJF中萜類生物合成相關(guān)基因的特性研究

運(yùn)用qRT-PCR驗(yàn)證參與萜類生物合成的候選基因的表達(dá)模式(圖7）。結(jié)果表明，與‘Fengjin 1’相比，‘Yujin2’中有7個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，而1個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，這與轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示的趨勢相似。這些被驗(yàn)證的基因包括DXS，1-脫氧-d-木黃糖-5-磷酸還原異構(gòu)酶（DXR）和香葉基香葉酰二磷酸合酶（GGPPS），參與2-c-甲基赤蘚糖醇4-磷酸（MEP）途徑，以及四個(gè)參與甲戊酸（MVA）途徑的四個(gè)基因，包括HMGCS、HMGCR、MVK和AFS1。

圖7 | 基于實(shí)時(shí)熒光定量PCR的萜類生物合成途徑相關(guān)候選基因的表達(dá)分析

研究結(jié)論

(1) 調(diào)控TFs（MYB、WRKY和LFY）介導(dǎo)VOC生物合成途徑相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄；

(2) MEP途徑中TES和GGPPS的激活，包括-松果醇和香葉醇；

(3) 促進(jìn)MVA途徑中的HMGCS、HMGCR、MVK、FPS和AFS1；

(4) 上調(diào)三萜生物合成途徑中的SQE1和LUS和幾個(gè)參與植物甾醇生物合成的基因；

(5) 下調(diào)苯類化合物的生物合成和積累；

(6) 色氨酸和鄰氨酸甲酯的生物合成途徑升高；

(7) 上調(diào)脂肪酸衍生物生物合成途徑的基因，促進(jìn)揮發(fā)性C9和C6醛、醇類和酯的積累。

小鹿推薦

本研究培育了一個(gè)優(yōu)良品種的粳稻，并運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組+代謝組學(xué)聯(lián)合數(shù)據(jù)的綜合分析得到萜類化合物、倍半萜、色氨酸及其衍生物和脂肪酸衍生物是“Yujin2”比“鳳金1”香氣更強(qiáng)的主要原因。此外，運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR對(duì)參與萜類生物合成途徑的幾個(gè)基因進(jìn)行了表征。這些結(jié)果為了解LJF中花香的代謝機(jī)制和分子基礎(chǔ)提供了見解，并為進(jìn)一步篩選與花香調(diào)控相關(guān)的基因提供研究基礎(chǔ)，此研究將有助于培育品質(zhì)優(yōu)良、更香的觀賞和功能性飲料和化妝品品種提供思路。

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