葡萄果实发育成熟过程中根系限制对酚类代谢产物影响的转录学分析

葡萄果实发育成熟过程中根系限制对酚类代谢产物影响的转录学分析

导读

本研究从转录组和代谢组水平研究根限制（RR）对葡萄不同发育阶段主要酚类代谢产物及相关基因的表达水平。超高效液相色谱-高分辨质谱鉴定出7种酚酸类化合物，3种二苯乙烯类化合物，9种黄酮醇类化合物，10种花青素类化合物和24种原花青素类化合物。RR处理显著促进了酚酸、反式白藜芦醇、黄酮醇和花青素的生物合成，并影响了原花青素的含量，其含量在发育前期升高，后期降低。根据苯丙氨酸氨裂合酶，反肉桂酸4-单加氧酶，4-香豆酸酯-CoA连接酶，莽草酸O-羟基肉桂酰基转移酶，查尔酮合酶，查尔酮异构酶，二苯乙烯合酶，类黄酮3'，5'-羟化酶，花色素苷3的功能基因推断O-葡萄糖基转移酶以及转录因子MYBA1，MYBA2，MYBA3和MYBA22在RR处理调节的变化中起关键作用。

实验设计

本研究设置对照组和RR组两个分组，两组采用相同的施肥策略和浇水方式。分别在五个不同的发育时期取样：S1期，花后15天（DAFB）；S2期，28 DAFB；S3，42 DAFB；S4期转色期，53 DAFB；S5期完全成熟，74 DAFB。每个处理，在每个取样时间，从至少5株植物中随机采摘10串无胁迫的葡萄浆果，每组三次重复。对所采样本分别进行转录组和代谢组测序，分析RR处理下表达显著变化的基因和代谢物质，以及对响应RR处理的代谢路径的研究。

结果

1 苯丙烷途径中的差异基因表达

将测序数据与葡萄参考基因组比对后检测到29971个表达的基因。酚类化合物由苯丙氨酸通过类苯丙烷途径产生，是葡萄浆果中重要的次生代谢物。两组在生长过程中共有29个编码10种酶的基因显著差异表达。莽草酸O-羟基肉桂酰基转移酶基因在S1期上调，其他差异表达基因均在前期下调，后期上调。

2 苯丙烷途径中的化合物

为了将基因表达模式与酚类化合物图谱进行匹配，利用UPLC-HRMS对两组在整个生长过程中的代谢物进行了检测和定量。共鉴定了53种苯丙烷途径中涉及的酚类化合物的性质如表1所示。根据其结构和性质将其分为酚酸类、二苯乙烯类、黄酮醇类、花色苷类和黄烷醇类五大类。

表1葡萄浆果中酚类化合物检测的色谱和质谱参数

酚酸。酚酸是一类小分子化合物，可分为两大类：羟基肉桂酸(香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、酒石酸香豆酯、酒石酸咖啡酯等)，羟基苯甲酸(对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸、原儿茶酸、没食子酸等)。本研究在葡萄浆果中检测到七种酚酸类化合物及其衍生物（图1A）肉桂酸葡萄糖苷的含量在前三个时期呈下降趋势，然后逐渐升高，直至成熟。RR处理显著促进了肉桂酸葡萄糖苷的积累。在整个生长过程中，两组的其他酚酸均呈下降趋势。RR处理使阿魏酸、反式对铜绿酸和顺式对铜绿酸的含量在前期略有增加，但在后期略有下降。

二苯乙烯。二苯乙烯类化合物存在于葡萄浆果的果皮中，可被生物和非生物胁迫诱导。本研究中RR处理对葡萄浆果二苯乙烯含量的影响如图1B所示。吡啶类化合物是一种主要的二苯乙烯类化合物，苦皮苷浓度在S3期降至最低，然后缓慢上升至成熟期，并在S1期被RR处理降低。反式白藜芦醇和顺式白藜芦醇则在发育后期积累。成熟时，RR处理的反式白藜芦醇含量(19μg/g干重)明显高于对照(8μg/g干重)。RR处理显著促进反式白藜芦醇的积累，但对顺式白藜芦醇含量影响不大。

黄酮醇。黄酮醇是一类黄酮类化合物，对葡萄浆果的口感、品质和营养起着至关重要的作用。本研究检测到9种黄酮醇化合物，分别是槲皮素、山奈酚、杨梅素及其衍生物（图1C）。RR处理显著降低了成熟期山奈酚的含量，但促进了不同发育阶段其他化合物的积累。在成熟期，RR处理对杨梅素-3-葡萄糖醛酸(18.1倍)、杨梅素(9.2倍)、山奈酚-3-葡萄糖苷(6.4倍)、杨梅素-3-葡萄糖苷(6.1倍)和槲皮素-3-葡萄糖苷(5.5倍)等物质的影响较大。

花青素。花青素是一种黄酮类化合物，在浆果皮中合成影响葡萄浆果的颜色。花青素的积累通常受环境因素如紫外线照射、温度和水分亏缺的调节。本研究共检测到10种花色苷，并根据花色苷的不同将其分为5类（图1D）。这些花色苷在对照样品中含量很低，而在RR处理样品中含量很高。

黃烷醇。黄烷醇是葡萄浆果中含量丰富的黄酮类化合物。黄烷醇从开花期到转色期合成，它主要影响食物和饮料的苦味、香气和涩味。葡萄中黄烷醇含量最高的是儿茶素，幼龄浆果中的黄烷醇含量超过10000μg/g干重，然后逐渐减少，直至成熟。RR处理不仅显著降低了各发育阶段的儿茶素和表儿茶素含量，而且促进了儿茶素和表儿茶素与没食子酸酯的聚合。另一方面，RR处理显著提高了幼浆期的总原花青素含量，降低了成熟期的总原花青素含量（图1E）。

原花青素。原花青素是一组由黄醇单元组成的聚合物，它通过类黄酮的生物合成途径合成并在成熟过程中减少。本研究从样品中鉴定出19种原花青素化合物，发现原花青素B1是葡萄浆果中含量最丰富的原花青素（图2）。

图1 RR处理对葡萄果实发育成熟过程中酚类物质含量的影响。A酚酸B二苯乙烯C黄酮醇D花青素E黄

烷醇。

图2 RR处理对葡萄果实发育成熟过程中原花青素含量的影响。

3 转录组和代谢组与苯丙烷路径的整合

本研究利用转录组和代谢组联合分析苯丙烷途径中在RR处理下的代谢变化（图3）。在许多水果的发育和成熟过程中，苯丙烷途径产生的酚类化合物在植物生长以及植物与环境胁迫的相互作用中起着关键作用，这些化合物具有从苯丙氨酸到香豆酰CoA的相同合成途径。葡萄浆果酚酸及其衍生物是由苯丙烷代谢的一个分支合成的。本研究发现，在S1期，阿魏酸和顺式柠檬酸含量的增加与HCT编码基因的表达上调相关性较高。说明HCT酶在胁迫下调节酚酸的生物合成起着关键作用。另一方面，PAL、CYP73A和4CL也调节酚酸的生物合成，而编码这些酶的基因表达与酚酸含量呈负相关。研究人员推测这些酶在酚酸的生物合成中起负调控作用，或者酚酸可能是挥发物和其他酚类代谢物生物合成的前体。

二苯乙烯类化合物通过苯丙烷途径分支出来的途径形成。该途径涉及四种酶：PAL、CYP73A、4CL和二苯乙烯合成酶（STS）。二苯乙烯家族包含几种通过修饰反式白藜芦醇合成的化合物。反式白藜芦醇通常在葡萄果实成熟期间积累，并可由生物和非生物胁迫诱导。葡萄的二苯乙烯含量与PAL、CYP73A、4CL和STS基因的表达高度相关。在本研究中，五个编码PAL的基因在RR处理下表达下调。编码STS的两个与苦皮苷生物合成的基因在浆果发育早期下调。在RR处理下，PAL编码基因的上调和4CL基因表达上调与反式白藜芦醇含量增加呈高度正相关。RR处