2020新鲜出炉第一篇！1区-Horticulture Research 安徽省农科院研究员研究石榴内外种皮差异的机制

转录组+代谢组探索石榴种子内外种皮差异的机制

期刊 ：Horticulture Research

IF ：3.854

发表时间 ：2020.1

石榴（Punica granatum L.）是一种古老的最受欢迎的水果，具有丰富的营养，药用价值和装饰功能。石榴的食用性在很大程度上取决于在外种皮的大小，内种皮的硬度，这也极大地影响了消费者的接受度。大多数消费者对软种子石榴的偏爱加速了软种子的育种和以及内部软种皮形成的机理研究。种皮的发育是对于发育可育的种子很重要。内种皮和外种皮的明显形态特征可能是细胞代谢物差异积累的结果。石榴籽可食用的外种皮富含营养成分，例如糖，有机酸和花青素，而内种皮含有更多的木质素，纤维素和半纤维素。内种皮和外种皮细胞成分例如蛋白质，核酸，信号分子和细胞器之间的分布不均匀可能会调节细胞形状、结构和功能。从这个意义上说，对内种皮和外种皮中代谢物检测对于理解石榴中种皮的发育具有重要的意义。

在这项研究中，对两个品种的石榴种子内外种皮的不同发育时期进行代谢组学的检测，以期鉴定参与种皮发育过程中的代谢物，同时对这些组织部位中的转录组进行检测，以期从基因水平上诠释石榴内外种皮形成的机制，为软籽石榴的育种提供理论支持。

1、两个品种种子代谢组检测及分析

在两个石榴品种中一共检测出535种代谢物，使用主成分分析进行分析表明：①在PC1和PC2中对于石榴种皮及品种的差异具有~51%的解释度；②内外种皮的差异要大于品种之间的差异（图1a），对差异代谢物进行分析表明：①在140DAF内种皮组中，大笨籽品种中含量升高的代谢物的数目多于突尼斯；②在外种皮所有的发育时期中，大笨籽品种中含量升高的代谢物数目均多于突尼斯品种（图1b）。 总的来说，在大笨籽品种中，随着种子的发育，外种皮中的代谢物含量产生积累。

通过韦恩图筛选出两个品种里内外种皮中共有的差异代谢物74种，对这些代谢物进行KEGG注释，注释结果主要富集在苯丙烷合成通路中黄酮和黄酮醇的合成（图1d）；同时为了研究两个品种内种皮的差异，一共筛选出84种（图1e）差异代谢物，KEGG注释结果发现这些代谢物主要富集在氨基酸合成、ABC转运子等通路上（图1f）

图1. 代谢物PCA及差异代谢物富集分析

2、两个石榴品种内外种皮代谢物及基因相关分析

在本研究中，两种石榴种皮中木质素单体主要是S单体和G单体，而在大笨籽品种中会积累更多的芥子醇（S单体），S单体是大笨籽品种中的主要木质素单体（图2a），在两个品种中石榴种子中的木质素单体在内种皮中积累参与了内种皮中木质素大分子的合成，而在外种皮汇总木质素单体会形成糖苷化合物从而直接储存在外种皮中。

为了解木质素单体的调控机制，对石榴的基因组中46个编码ABC转运子的基因和基因编码的蛋白之间的相关性进行分析，其中36个基因参与木质素单体的合成，对两个品种种皮中这些基因进行分析表明有4个基因（ Pgr008023, Pgr008163, Pgr009460, Pgr025550 ）编码的蛋白定位于膜上，并且特异性表达在内种皮上（图2b）；而对石榴中参与木质素大分子合成的基因进行分析筛选得到14个酶，结合代谢物与该酶相关的基因进行分析表明： ① Pgr011171.1 与大笨籽内种皮中芥子醇的具有很强的相关性（图2c），因此该基因可以作为后续研究的候选基因；②内种皮中积累松柏醇与 Pgr022328.1, Pgr013634.1,Pgr006318.1, Pgr006319.1, Pgr011171.1 息息相关 。

图2. 两个石榴品种内外种皮代谢物及基因相关分析

3、两个石榴品种内外种皮中纤维素和半纤维素积累以及相关表达基因的分析

在石榴种皮中总共检测到21种糖、糖酸、糖醇，结果表明（表1）：①葡糖酸和木糖酸是内种皮中的主要糖酸单体；②大笨籽品种内种皮中主要积累D-( + )-glucono-1,5-lactone,D-glucuronic acid, D-xylonic acid, D-mannitol，而在突尼斯内种皮中则主要积累D-fructose 6-phosphate, Dglucose 6-phosphate, trehalose 6-phosphate。对参与纤维素和半纤维素合成酶相关的基因进行分析表明在大笨籽和突尼斯中大多数基因具有相同的表达模式，且这些基因在内种皮上的表达量高于外种皮，同时对参与木质素、纤维素、半纤维素相关的转录因子和合成基因进行相关性分析表明 Pgr017424 （编码NAC66）参与纤维素和半纤维素的合成 (图3)。

表1. 石榴种皮中糖、糖酸、糖醇含量分析

图3. 纤维素等途径相关转录因子与合成基因相关性网络图

4、两个石榴品种种皮中黄酮物质和基因的差异分析

对石榴种子中类黄酮进行分析表明在内种皮中主要积累的是儿茶素和表儿茶素以及原花青素，在外种皮中主要的花青素是ucoside, delphinidin 3-O-glucoside, pelargonidin 3-Obeta-D-glucoside, cyanidin 3,5-O-diglucoside, pelargonidin 3,5-diglucoside（图4a），并且在大笨籽中原花青素的含量要高于突尼斯中（图4b）。同时对与黄酮相关的基因进行相关性分析，结果表明儿茶素和表儿茶素的含量与编码ANS（ Pgr007776.1 ）和DFR（ Pgr010025.1 ）具有很强的相关性（图4c）。

图4. 黄酮物质和基因的差异分析