代谢组+转录组 | 紫小麦花青素的合成途径有哪些？

花青素属类黄酮化合物，广泛存在于植物中，它具有抗氧化和抗衰老活性，被认为是具有生理功能的食物营养素。

紫小麦因富含酚类、黄酮类及花青素，具有卓越的抗氧化活性，目前紫小麦中已有数十种花青素成分被鉴定出来，然而对于发育过程中的紫小麦而言，花青素成分及其转化途径仍有待探究。 

近日，成都生物所王涛团队结合转录组学与代谢组学对紫小麦发育过程中的花青素组分特征及其生物合成的调控路径进行了探究，相关成果发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry上。

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研究设计

取ZNM168植株（富含类黄酮的紫小麦）5个不同发育阶段的籽粒（10、15、20、25、30 day after flowering,  DAF），每组3个重复进行黄酮代谢组及转录组分析，并分别通过靶向代谢组及RT-PCR进行定量验证。  

图1 紫小麦籽粒表型

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主要研究成果

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  代谢组学结果

黄酮代谢组共检测到223种类黄酮，有147种代谢物至少在两组别间存在表达差异，但仅有32种差异代谢物富集在已知生物合成途径中，而其中随着小麦籽粒发育，原花青素、儿茶素衍生物的含量逐渐降低，5种花青素随籽粒发育而累积，通过靶向代谢组对这5种花青素进行检测分析，发现花青素- 3-O-芸香苷随着时间推移大量积累，对紫小麦籽粒着色起重要作用。

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  转录组学结果

对差异基因DEGs（至少在两组别间存在表达差异）进行KEGG富集分析和基因功能注释，共鉴定到124个编码酶的DEG参与到类黄酮及花青素的生物合成途径中，包含9个Bronze-1基因（BZ1），在花青素生物合成途径中起重要作用，可通过与 ANS 结合催化无色花青素生成花青素-3-葡萄糖苷。

基于WGCNA构建基因共表达网络（图2），通过KEGG功能分析对网络中的hub基因进行筛选，发现TaBZ1 UniGene（TraesCS1D02G019200）作为编码花青素3-O-葡萄糖基转移酶的基因参与花青素合成。

图2 A. WGCNA基因共表达模块；B. 不同基因模块的网络分析

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  关联结果分析

对富集在ko00941（类黄酮生物合成途径）的27个结构基因及14种类黄酮代谢物进行相关性网络分析（图3），结合WGCNA，发现紫小麦籽粒发育过程中参与黄酮类生物合成途径中的两个关键基因TRIAE_CS42_2AL_TGACv1_096242_AA0318150 (IWGSC RefSeq v1.1: TraesCS2A01G527700)和TRIAE_CS42_6BS_TGACv1_513426_AA1641320 (IWGSC RefSeq v1.1: TraesCS6B01G006200)，分别属于CHS和ANS，通常CHS 催化黄酮类化合物生物合成的第一步，而ANS 是一种与花色素 3-O-葡萄糖基转移酶结合的双加氧酶，将无色花色素转化为花色素 3-葡萄糖苷。

图3  相关性网络分析

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  生物合成途径预测

研究结合ko00941和ko00942（花青素生物合成途径）及组学结果，对紫小麦籽粒发育过程中的花青素生物合成途径进行了推导（图4）。二氢黄酮先通过 DFR 催化转化为未修饰的无色花青素。然后，无色花青素通过ANS转化为有色花青素。最后两种有色花青素，花青素和花翠素，被 BZ1 催化产生五种花青素，花青素 3-O-葡萄糖苷、锦葵素 3-O-葡萄糖苷、花青素 3-O-芸香苷、花青素 3,5-O-二葡萄糖苷和天竺葵素。

图4 花青素合成途径推导

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总结

研究结合代谢组和转录组分析，揭示了紫小麦籽粒发育过程中花青素成分和相关基因的动态变化，同时结合多组学的网络分析及功能分析，对花青素生物合成的详细途径进行了推导，为紫小麦籽粒发育中花青素生物合成转化机制提供了新的信息。

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