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杂粮分子育种团队在苦荞黄酮代谢调控网络研究方面取得新进展

苦荞是典型的“药食同源”杂粮作物,其黄酮类化合物含量丰富,也是可食用天然芦丁的重要来源,对保护肝脏免受损伤、氧化应激、血管疾病和预防癌症等具有积极作用,具有“降三高”,抗氧化功效,是典型的功能食品原料。目前针对芦丁代谢及其调控基因的研究多有报道,但从植株整体发育阶段黄酮代谢物变化及其复杂的动态调控机制仍有待进一步解析。

近日,山西农业大学杂粮分子育种团队在“Journal of Agricultural and Food Chemistry(SCI 1topIF=4.19) 上发表题为“Elucidation of the regulatory network of flavonoids biosynthesis by profiling the metabolome and transcriptome in Tartary buckwheat”的研究论文。该研究通过对苦荞品种“黑丰1号”6个组织进行转录组测序及黄酮靶向代谢组学分析,比较了不同组织代谢物及基因表达的差异性,并通过共表达网络分析,从空间角度解析了苦荞黄酮类化合物生物合成的调控网络,也为黄酮代谢调控候选基因的挖掘奠定了基础(图1)。

1 苦荞黄酮代谢调控网络的构建与候选基因功能验证

通过对六个组织黄酮代谢物的分析发现,在苦荞不同组织内共检测到147种黄酮类物质,其中绿色未成熟籽粒中黄酮类物质最多,达到140种;而在根中仅有92种。其中槲皮素、异槲皮素、芦丁、山奈酚、4,5,7-三羟黄烷酮等物质含量丰富(图2)。对苦荞类黄酮代谢途径map009417种关键代谢物相对含量进行分析,发现在苦荞黑色籽粒中黄酮含量最高的是异槲皮苷,而不是芦丁。因此,我们推测在苦荞黑色籽粒中可能存在一条芦丁降解成异槲皮苷的代谢途径(图3)。


2 苦荞不同组织黄酮类物质种类分布

3 苦荞关键代谢物类黄酮代谢途径map00941

随着黄酮代谢通路的深入解析,结合转录组数据及加权基因相关网络分析 (Weighted correlation network analysisWGCNA) 方法,构建了调控黄酮代谢的表达模块,筛选到了2 (MEblue MElightsteelblue) 模块与苦荞主要黄酮代谢物呈显著相关,例如在MEblue模块中的31个黄酮代谢途径结构基因与27个转录因子形成了共表达调控网络(图4A),同时也在MElightsteelblue模块中以FtCHS3FtCHIFtMYB31FtMYB14FtMYB15为关键基因构建了表达调控网络(图4B)。此外,通过构建过表达FtMYB31载体(调控黄酮代谢hub基因),苦荞发根农杆菌遗传转化验证基因功能,发现转基因材料芦丁含量显著增加。本研究提供了一个动态的黄酮类代谢谱和芦丁代谢相关的共表达网络,为苦荞芦丁代谢分子机制研究提供了有价值的候选基因。


4 类黄酮相关的共表达网络

杂粮分子育种团队侯思宇副教授为本文第一作者,孙朝霞教授为通讯作者;韩渊怀、李红英教授,刘龙龙研究员为试验的顺利开展提供了研究思路;研究生杜伟、郝彦蓉等完成了数据分析及部分实验;中国农业科学院周美亮研究员、张凯旋副研究员提供了研究支持;英国诺丁汉大学、山西农业大学特聘教授Donald Grierson对论文写作提供了帮助。本研究得到了国家重点研发计划 (2017YFE0117600),国家自然基金 (32070365) 等项目的支持。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.1c00190


 

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