玫瑰茄转录组测序及花青素合成相关基因表达分析

来源:用户上传      作者:练冬梅 赖正锋 姚运法

　　 摘要：以玫瑰茄（Hibiscus sabdariffa Linnaeus）花瓣和花萼为研究对象，采用Illumina HiseqTM 2500高通量测序技术，对花瓣和花萼进行转录组测序及花青素合成相关基因差异表达分析。结果表明，花瓣和花萼共获得13.94 Gb有效数据（clean data），Q30碱基百分比均达到93.0%以上;共获得1 399个差异表达基因（DEGs），包括65个上调基因，1 334个下调基因，且功能注释的基因有1 176个;筛选出了与花青素合成相关结构基因CHI、FLS、ANR、CHI在花萼中表达显著，FLS、ANR在花瓣中表达显著。本研究丰富了花青素相关研究，可为阐明玫瑰茄花青素合成机制提供理论依据。
　　 关键词：玫瑰茄;花瓣;花萼;转录组;花青素;差异表达基因
　　 中图分类号： Q786;S681.901  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）06-0041-05
　　玫瑰茄（Hibiscus sabdariffa L.）为锦葵科木槿属一年生草本植物，别称洛神花（roselle、gongura）、芙蓉茄、山茄子、红果梅、苏丹茶、美丽纳等。原产西非至南亚，广泛分布于全球热带和亚热带地区，玫瑰茄在台湾、广西、广东、福建和云南等南部地区均有栽培。玫瑰茄2004年被卫生部和卫计委列入新食品原料名单[1]，是一种药食两用的植物。玫瑰茄花重要部位花瓣（亮黄色）和花萼（紫红色）具有药用功能，均是具有重要开发价值的器官，富含花青素、黄酮、多酚酸、有机酸等营养成分，花瓣部位主要用于开发花茶，而花萼部位利用率最高，已广泛用于制作玫瑰茄酱[2]、饮料[3]、酸奶[4]、果酒[5]等，在食品工业中被用作着色、调味添加剂;花萼具有利尿、抗氧化、抗癌、降血压、降血脂和降血糖等保健功能[6-9]，在玫瑰茄保健品开发方面具有巨大潜力。当前，国内对玫瑰茄研究主要集中在栽培技术、化学成分及功效分析、玫瑰茄花青素及玫瑰茄产品加工技术上，但其理论基础研究还很薄弱，例如玫瑰茄花青素合成相关代谢途径的研究尚属空白。
　　 花青素是构成植物颜色的主要水溶性色素之一，属于类黄酮，主要以糖苷的形式存在于植物液泡中[10]，迄今从自然界分离和鉴定出的花青素苷多达600种，主要从矢车菊素苷元（cyanidin）、飞燕草素苷元（delphinidin）、天竺葵素苷元（pelargonidin）、芍药花素苷元（peonidin）、矮牵牛素苷元（petunidin）、锦葵素苷元（malvidin）等6种花青素苷元衍生而来[11]。花青素苷合成始于苯丙氨酸，途经多步酶促反应，主要由上游基因（CHS、CHI、F3H、F3′H和F3′5′H等）和下游基因（DFR、ANS、GT、AT和MT等）参与表达。研究表明，植物花青素兼具营养、药理以及基因工程中改良花色等作用[12-14]。近年来，已有许多生物通过高通量转录组测序技术完成了全转录功能基因组测序[15-16]。关于花青素合成相关基因在其他植物中也有相关研究[17-18]。玫瑰茄分子遗传学与功能基因组学研究较落后，众多玫瑰茄农艺性状的分子调控机制仍不清楚，关联转录组学是一种鉴定调控目标性状候选基因的新方法。本研究利用Illumina HiseqTM 2500高通量测序技术对玫瑰茄花瓣、花萼进行转录组测序，根据转录组数据及其花青素合成代谢途径相关基因分析，探讨玫瑰茄花瓣、花萼花青素合成机制和相关差异表达基因，以期为后续玫瑰茄相关研究提供理论参考。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　 玫瑰茄为福建省漳州市漳浦县种植品种，种植地点位于福建省农业科学院亚热带农业研究所试验农场，2017年6月15日种植，8月25日开始采集样品。采集标准：分别采集同一株玫瑰茄的花蕾（开花前一天09：00采集）10朵，共3株，将花蕾的花瓣和花萼分离后进行混合，立即用液氮速冻，置于-70 ℃超低温冰箱保存备用。
　　1.2 试驗方法
　　1.2.1 高通量测序及数据组装 采用PureLink Plant RNAReagent Kit试剂盒提取玫瑰茄花瓣、花萼的总RNA。分别采用Nanodrop、Qubit 2.0、Aglient 2100技术检测RNA样品的纯度、浓度和完整性，构建cDNA文库，再使用Q-PCR方法对文库的有效浓度进行准确定量，以保证文库质量。库检合格后，用Illumina HiseqTM 2500进行高通量测序，获得原始数据，数据过滤后去除其中的接头序列及低质量读序（reads），获得高质量的有效数据（clean data），用Trinity软件对clean data进行组装，组装成为转录本序列（transcripts），将不同样品组装结果中多个可变剪接的transcripts聚类到一个基因，得到单基因序列（unigene）库。
　　1.2.2 差异基因的功能注释 使用BLAST软件将Unigene与NR、Swiss-Prot、GO、COG、KOG、NOG、KEGG、Pfam等8个数据库进行比对（E值≤10-5），获得Unigene的注释信息。
　　1.2.3 花青素合成相关差异基因分析 利用上述数据库对玫瑰茄花瓣、花萼花青素合成进行检索，分析花青素合成相关基因在KEGG数据库功能注释及代谢路径。按照FPKM（每千个碱基的转录每百万映射读取的片段）法计算差异基因的表达量，如果倍数变化（log2 Fold change）>0，认为是上调表达，反之，便认为是下调表达。
　　2 结果与分析
　　2.1 数据组装及分析
　　 玫瑰茄花瓣和花萼经高通量测序和质量控制，共获得13.94 Gb clean data，其中花瓣clean data为7.29 Gb，花萼clean data为6.65 Gb，其Q30碱基百分比均达到93.0%以上，表明测序结果可靠，可用于后续的分析。对组装结果进行统计（表1），总共产生72 029条单基因序列和148 309条转录本序列，N50（对一条染色体进行测序，将测序得到的reads进行拼接，当拼接的序列长度达到染色体长度的一半时，叫做N50长度）分别为1 010、1 274 bp，组装完整性较高;其中长度区间位于 200～300 bp的Unigene数量最多，为24 697条，占34.29%。 　　2.2 Unigene功能注释
　　 为获得Unigene的功能注释信息，通过NR、Swiss-Prot、KEGG、COG、KOG、NOG、GO、Pfam等8个数据库进行注释分析（表2），在72 029条Unigene中，共获得44 887条（62.32%）Unigene的注释。以上8个数据库比对分析中，分别获得44 274（61.47%）、27 510（38.19%）、15 908（22.09%）、10 438（14.49%）、23 790（33.03%）、40 386（56.07%）、20 981（29.04%）、25 191条（34.97%）Unigene功能注释。
　　2.3 差异表达基因（DEGs）分析
　　通过对玫瑰茄花瓣和花萼差异基因的表达分析，共获得1 399个DEGs，包括65个上调基因，1 334 个下调基因;将DEGs单基因序列分别注释到COG、GO、KEGG、KOG、Pfam、Swiss-Prot、NOG、NR等8个数据库中，共获得1 176条基因功能注释，其中COG数据库267条，GO数据库526条，KEGG数据库285条，KOG数据库562条，Pfam数据库853条，Swiss-Prot数据库773条，NOG数据库1 066条，NR数据库1 165条，其中NR数据库注释比最高，达99.06%。
　　2.3.1 GO功能注释 对玫瑰茄花瓣和花萼的DEGs进行GO功能注释，共分为三大类，分别为生物过程（biological process）、细胞组分（cellular component）和分子功能（molecular function）。GO分类统计显示，526条DEGs被归到40个功能小类（表3）。生物学过程中DEGs在单一生物过程、细胞过程和代谢过程3个功能小类中分布数量最多;细胞组分中DEGs在细胞、细胞成分和膜结构3个功能小类中分布数量最多;分子功能中DEGs在催化活性和结合活性2个功能小类中分布数量最多。
　　2.3.2 COG功能注释 在玫瑰茄花瓣和花萼的转录本中，将注释到COG数据库的267条DEGs进行直系同源分类，并获得21个功能分类（图1），差异基因注释主要集中在R（一般性功能预测）、T（信号转导机制）、K（转录）和L（复制、重组和修复）中。
　　2.3.3 KEGG功能注释 将DEGs通过KEGG数据库比对（表4），有283个DEGs得到注释，分别富集在64条代谢通路，其中涉及较多的是淀粉和蔗糖代谢（38个）、戊糖和葡萄糖醛酸互相转化（35个）、植物病原体相互作用（24个）、甘油磷脂代谢（11个）、胞吞作用（11个）和苯丙素生物合成（10个）等。本研究着重选择与花青素合成密切相关的代谢通路[类黄酮生物合成（5个）]，并找到与花青素代谢相关的差异基因。
　　2.4 花青素合成相关基因差异性分析
　　 通过对玫瑰茄花瓣和花萼转录组测序结果进行功能注释、功能分类及代谢途径分析发现（表5），花青素合成途径中，查尔酮-黄烷酮异构酶（chalcone isomaerase，CHI）基因在玫瑰茄花萼中具有显著表达优势，上调表达4.9倍，黄酮醇合成酶（flavonol synthase，FLS）、花青素还原酶（anthocyanidin reductase，ANR）基因则在玫瑰茄花瓣中具有显著表达优势。这些差异表达基因参与着玫瑰茄花瓣和和花萼的花青素合成代谢途径，影响着玫瑰茄花青素的合成。
　　3 讨论
　　 本研究通过Illumina HiSeqTM 2500高通量测序技术构建玫瑰茄花瓣和花萼转录组数据库，比较分析花瓣和花萼数据，发现花青素合成相關代谢途径中差异表达的基因。
　　 玫瑰茄花瓣、花萼中花青素代谢表现：p-香豆酰-辅酶A（p-coumaroyl-CoA）和3分子丙二 醛- 辅酶A （3×Malnoyl-CoA）， 在查尔酮合成酶（chalcone synthase，CHS）催化下，生成查尔酮（chalcone），查尔酮又在CHI作用下形成柚皮素（naringenin，NAR），此过程花萼中CHI基因表达比花瓣显著，将大量查尔酮转化成花青素合成代谢所必需的NAR;玫瑰茄花瓣、花萼中NAR在黄烷 酮-3-羟基化酶 （flavanone 3-hydroxylase，F3H）催化下产生二氢山奈酚（dihydokaempferol，DHK），DHK分别在类黄 酮-3′-羟基化酶（flavonoid-3′-hydroxylase，F3′H）和类黄酮-3′5′-羟基化酶（flavonoid-3′5′-hydroxylase，F3′5′H）作用下生成二氢槲皮素（dihydroquercetin，DHQ）和二氢杨梅素（dihydromyricetin，DHM），DHK、DHQ和DHM在二氢黄酮醇-4-还原酶（dihydroflavonol 4-reductase，DFR）作用下分别生成无色天竺葵苷元（leucopelargonidin）、无色矢车菊苷元（leucocyanidin）和无色飞燕草素苷元（leucodelphinidin），而后分别在花青素苷合成酶（anthocyanin synthase，ANS）作用下生成有色的天竺葵苷元（pelargonidin）、矢车菊苷元（cyanidin）和飞燕草素苷元（delphinidin），各种花青素苷元分别在葡萄糖基转移酶（glycosyl transferases，GT）等作用下，生成稳定的花青素苷。此过程中玫瑰茄花瓣中FLS和ANR基因显著表达，进入黄酮醇代谢途径和原花青素代谢途径，说明FLS、ANR可能通过底物竞争方式影响花青素合成，而玫瑰茄花萼CHI上调表达，FLS和ANR下调表达，有利于花青素合成。本研究丰富了花青素相关研究，可为阐明玫瑰茄花青素合成机制提供理论依据。
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