標題：Transcriptomic and metabolomic landscape of quinoa during seed germination.

期刊：BMC Plant Biology ?(IF =4.215)

時間：2022.05

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研究背景

藜麥（Chenopodium quinoa）雙子葉植物，因其高營養(yǎng)價值與優(yōu)秀的抗逆性成為當今世界范圍內的新興作物。種子的萌發(fā)過程是一個重要的多重生理過程，藜麥種子的萌發(fā)網(wǎng)絡調控在很大程度上是未知的。?

實驗樣本

為了更好地了解生理變化，作者對藜麥干種子進行了種子發(fā)芽試驗，從藜麥干種子到幼苗的過渡過程中分五個階段取樣進行研究。

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研究內容

01.藜麥種子萌發(fā)過程中的動態(tài)變化

作者為了確定參與調節(jié)藜麥種子萌發(fā)到幼苗階段過渡的關鍵基因，首先對干燥種子（階段?I）、吸漲種子（階段?II）、胚根萌發(fā)（階段?III）、下胚軸伸長（階段?IV）和子葉擴展（階段V）這五個階段的樣本進行了RNA-seq?分析。轉錄組數(shù)據(jù)獲得了超過?35,000?個表達的轉錄本，主成分分析（PCA）顯示了?II?階段和?III?階段之間比于五個階段的整體分布有部分重疊，其次通過統(tǒng)計學差異分析篩選差異表達基因（DEGs），結合維恩圖展示任意兩個相鄰階段之間鑒定的DEGs，表明各階段之間的特異性?？梢钥闯龇N子萌發(fā)的不同階段之間所鑒定出的數(shù)千個上調或下調的基因表明每個階段間的特異性，而階段?II?與階段?III?中僅鑒定出少量的?DEG，結合PCA結果表明這兩個階段相似性較高。

為了更好地探索從藜麥干種子到幼苗過程中代謝水平上的動態(tài)變化，作者接下來對五個不同階段的樣品進行了代謝組學分析。主成分分析（PCA）顯示了不同階段之間的分離情況，表明在種子萌發(fā)過渡期間發(fā)生了代謝變化。結合維恩圖展示了任何兩個相鄰階段之間的差異代謝物情況，表明了各階段之間的特異性。

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02.植物激素信號在藜麥種子早期萌發(fā)中起重要作用

作者在統(tǒng)計學分析得到對應比較組差異指標的基礎上通過KEGG富集分析注釋進一步了解藜麥種子萌發(fā)過程中的全局表達模式，藜麥種子萌發(fā)不同階段鑒定的DEGs的KEGG分析表明在藜麥種子萌發(fā)的快速過渡期間出現(xiàn)了多個階段的特定過程。

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進一步具體分析發(fā)現(xiàn)，在干燥種子開始發(fā)芽的第一階段的KEGG分析中，“植物激素信號轉導”條目顯著富集，隨后是“淀粉和蔗糖代謝”等其他通路，脫落酸（ABA）在植物種子萌發(fā)調控中起重要作用已有充分證明，因此作者首先通過ELISA分析了發(fā)芽藜麥種子中ABA的含量，結果表明干燥種子（第一階段）的ABA水平最高，并且在隨后的發(fā)芽階段顯著下降，表明ABA可能在抑制種子萌發(fā)方面發(fā)揮作用。結合已有研究使用熱圖分析來查看參與?ABA?代謝的?DEG?的轉錄模式，CqABA1、CqNCED5和CqNCED6基因在干種子中顯示出比發(fā)芽種子更高的表達水平（其中CqABA1和CqNCED5的轉錄水平的增加是在種子萌發(fā)的最后階段觀察到）。CqCYP707A1在干燥種子中表達水平較低，但在后期增加，推測可能有助于種子萌發(fā)過程中?ABA?含量的降低。隨后通過qRT-PCR進一步驗證了?CqABA1（AUR62001926）和CqCYP707A1（AUR62030408?）的轉錄水平。CqABA1的下調和CqCYP707A1的上調導致藜麥早期萌發(fā)過程中ABA含量的降低。最后，作者鑒定了編碼?ABA?信號核心成分的?DEG，編碼?ABA?受體的CqPYL?、編碼?PP2C?蛋白磷酸酶的CqHAI?/?CqAHG1和編碼?SnRK2?蛋白激酶的?CqSnRK2?。CqPYLs的相對低轉錄水平和CqPP2C的高水平表明?ABA?信號通路在干燥種子中趨于沉默。除ABA作者還分析了與其他植物激素相關的DEG，包括赤霉素（GA）、生長素和細胞分裂素。相關基因的上下調結果表明，在藜麥種子萌發(fā)過程中，需要ABA和GA信號及其與其他激素信號的潛在整體配合。

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03.藜麥發(fā)芽過程中的營養(yǎng)和能量代謝被激活

休眠狀態(tài)下種子中的代謝活動很弱或是沉默，直到打破休眠并開始種子發(fā)芽。一旦萌發(fā)被激活，包括淀粉、蔗糖、蛋白質和脂質在內的儲備在萌發(fā)過程中被調動以使種子得以過渡為幼苗。在藜麥種子萌發(fā)的早期階段可能發(fā)生淀粉和蔗糖代謝以提供營養(yǎng)和能量。為了確定促進種子發(fā)芽的重要基因，對淀粉和蔗糖代謝途徑中的主要成分進行搜索。鑒定到編碼?α-?和?β-?淀粉酶的CqAMY1和CqBAM3基因在種子萌發(fā)后顯著增加，表明它們分別在引導淀粉轉化為葡萄糖和麥芽糖中的作用。將蔗糖降解為葡萄糖和果糖的三種轉化酶候選物也表現(xiàn)出相似的情況，編碼蔗糖－質子同向轉運體的CqSUT轉錄水平上調，因為蔗糖參與其他正常能量供應的過程和功能，表明蔗糖的輸出在種子萌發(fā)開始時也被激活。通過?qRT-PCR?分析進一步證實了?CqBAM3?(?AUR62007199?)?、CqINVB?(?AUR62041914?)、CqFRK4?(?AUR62023862?)?和CqSUT1?(?AUR62004667?）轉錄水平的增加與組學表達數(shù)據(jù)一致，整體結果表明，在藜麥種子萌發(fā)的早期階段，淀粉和蔗糖代謝提供了主要能量。

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04.細胞壁的重塑和修飾在種子萌發(fā)過程中十分重要

通過GO分析進一步研究藜麥種子萌發(fā)過程中發(fā)生的分子動力學，細胞壁重構相關過程包括生物過程組中的“葡聚糖代謝過程”和“細胞葡聚糖代謝過程”，以及分子功能組中的“木葡聚糖－木葡糖基轉移酶活性”和“轉移酶活性”，以及細胞成分組中的“細胞壁”顯著富集。植物細胞壁由復雜的基質組成，包括纖維素、葡聚糖、半纖維素和果膠，它們提供了細胞和組織的機械性能。此外，初生壁控制細胞生長并有助于其高碳固定的能量代謝，因此細胞壁通過降解、重組和修飾進行再循環(huán)在種子萌發(fā)等快速生長期間十分重要。

為了更好地驗證藜麥種子萌發(fā)過程中細胞壁重塑的分子調控，作者檢查了參與多個過程的?DEG，包括在原代細胞壁降解中起作用的基因。有已被表征為擬南芥中參與木葡聚糖降解相關酶，同時與果膠降解相關的DEG?，包括編碼果膠甲基酯酶?(?PME?)、果膠甲基酯酶抑制劑?(?PMEI?)?和果膠裂解酶?(?PEL?)?的基因均在階段?II后立即顯著上調。此外，與細胞木葡聚糖代謝相關的基因，如木葡聚糖水解酶、木葡聚糖內轉糖基酶和木葡聚糖在胚根出現(xiàn)的間隔內高表達，催化半纖維素中木葡聚糖鏈的重塑和動員，削弱纖維素微纖維，促進自由基突出。?編碼UDP－糖基轉移酶（CqUGTs）的基因，通過以核苷酸糖作為單糖供體催化糖苷鍵的形成，促進細胞壁多糖的合成，在胚根出現(xiàn)的間隔內也顯著富集。轉錄組的結果表明，細胞壁重塑過程非?；钴S，有助于早期種子萌發(fā)的快速轉變。

代謝組學分析顯示細胞壁糖在種子萌發(fā)過程中增加，例如巖藻糖、半乳糖和木糖。這些代謝物的動態(tài)變化表明，細胞壁重塑途徑的激活不僅加速了細胞壁的構建，而且還參與了與能量代謝和多種初級和次級代謝相關的代謝循環(huán).

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05.下胚軸伸長階段后，光合作用過程被高度激活

聚類和?KEGG?富集分析表明，“光合作用蛋白”、“光合作用－天線蛋白”、“光合作用”和“光合生物中的固碳”等通路條目的富集情況在胚根出現(xiàn)（階段?III）到下胚軸伸長（階段?IV）直至在最后的子葉消耗階段均有。

在卡爾文循環(huán)反應中被注釋為功能成分的?DEG?在最后階段表現(xiàn)出高度表達表明隨后的藜麥生長不僅取決于儲存儲備物質的動員，還取決于光合作用。然而，參與該過程的大多數(shù)基因的轉錄水平在?III?期和?IV?期之間表現(xiàn)出顯著差異，表明光合作用的激活可能發(fā)生在緊隨胚根出現(xiàn)的階段。作者選取了6個參與光合作用的基因進行qRT-PCR分析，這些基因在幼苗期與之前的階段相比顯著增加，表明光合作用對藜麥發(fā)芽后幼苗的生長起關鍵作用。

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06.氨基酸的動態(tài)代謝隨著種子萌發(fā)的完成而發(fā)生

最后作者對于各階段下的氨基酸動態(tài)代謝聚類發(fā)現(xiàn)，賴氨酸和組氨酸在下胚軸伸長階段顯著積累。此外，大多數(shù)其他氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸，在子葉擴張階段顯著增加，這是在幼苗快速發(fā)育過程中蛋白質生物合成所必需的。GABA作為一種非蛋白質氨基酸，廣泛參與信號轉導或調控途徑，在植物的非脅迫和脅迫條件下發(fā)揮多種功能。作者分析了?GABA?的含量，發(fā)現(xiàn)它在最終階段顯著積累，而在早期階段沒有差異。然后分析了與?GABA?代謝相關的?DEG，結果表明，GABA可能在藜麥發(fā)芽和育苗過渡中發(fā)揮重要作用。

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總結

?作者從藜麥干種子到幼苗的過渡過程中分五個階段進行了轉錄組學研究。結合代謝組分析，發(fā)現(xiàn)種子代謝在胚根伸長過程中隨著多種植物激素（尤其是脫落酸）和其他營養(yǎng)物質的顯著改變而改變。細胞壁重構是藜麥種子萌發(fā)早期的另一個主要活動過程。光合作用在最后階段完全激活，促進氨基酸和蛋白質的生物合成，使幼苗生長。多組學分析揭示了藜麥種子萌發(fā)過程中代謝途徑和表型的全面變化。