科研 | 福建农林大学: 转录组和代谢组学分析揭示LED灯对草珊瑚幼苗形态特点和苯丙素类化合物积累的影响（国人佳作）

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编译：微科盟路芳芳，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。

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导读

草珊瑚是一种具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗肿瘤作用的常绿中草药。光照是影响药材生长和品质的主要因素之一。近年来，LED (Light Emission Diode, LED)技术被广泛应用于温室植物中。在本研究中，相对于白光LED灯(WL)，红光LED灯(RL)显著提高了植株高度，降低了茎直径和叶面积；而蓝光LED灯(BL)显著降低了草珊瑚的高度和叶面积。依据转录组分析，作者在BL vs RY、BY vs WY、RY vs WY、WGvs WY、WJ vs WG、WJ vs WY间的比较中(BY指BL下的叶组织，RY指RL下的叶组织，WY指BY对WL下的叶组织，WG指WL下的根组织，WJ指WL下的茎组织)，分别鉴定出861、378、47、10033、7917和6379个差异表达基因(DEGs)。研究鉴定到的46个基因均编码参与苯丙素生物合成的酶，例如苯丙氨酸解氨酶(PAL)、查尔酮合成酶(CHS)和黄酮醇合成酶(FLS)，研究也鉴定到53个基因分别编码R2R3-MYB蛋白和bHLH蛋白，包括其中一些与类黄酮生物合成有关的蛋白。基于代谢组学分析，本研究共鉴定到454种代谢物，在WY vs RY、WYvs BY和WY vs WG间的比较中，分别鉴定到44、87和296种差异化合物。在BY中，七叶亭、咖啡酸、异秦皮啶和秦皮啶的产量显著减少，而槲皮苷和山奈酚的产量显著上调，在RY中，隐绿原酸、肉桂酸和山奈酚的含量显著降低。此外，在WG中，代谢物(例如绿原酸、隐绿原酸和东莨菪素)的产量下降，而另一些代谢物(例如七叶亭、秦皮素、异秦皮素和秦皮素啶)的产量显著增加。这些结果揭示了在不同光照条件下，草珊瑚体内苯丙素类化合物积累模式的调控机制，从而为这种植物提供最佳的育种条件奠定了理论基础。

论文ID

原名：Transcriptomic and metabolomic profiling reveals the effect of LED light quality on morphological traits, and phenylpropanoid-derived compounds accumulation in Sarcandra glabra seedlings译名：转录组和代谢组学分析揭示LED灯光质对草珊瑚幼苗形态特点和苯丙素类化合物积累的影响
期刊：BMC Plant Biology
IF：4.215发表时间：2020.10通讯作者：郑郁善
通讯作者单位：福建农林大学

实验设计

实验结果

1.不同光质对草珊瑚幼苗生长的影响
在收获草珊瑚时(第60天)，相对于WL处理，RL和BL处理的叶面积显著降低(图1)；与WL相比，RL处理的株高较高，而BL处理的株高较低。第60天，WL和BL处理的植株茎直径显著大于RL处理的效果(图1)，图1为植物表型特征和相应特征的统计情况。作者进行了转录组的测序、从头组装与注释。转录组从15个cDNA文库中产生了10.25亿个原始读数，共产生了10.09亿个高质量的净读数，每个文库中产生了大约0.559-0.927亿个原始读数。来自七个公共数据库的功能注释结果显示，46.9%的单基因在至少一个数据库中被注释，而在所有数据库中只有3.0%的单基因被注释，33,626个单基因被分为三类功能组:生物过程、细胞成分和分子功能。图1 不同LED灯对草珊瑚叶面积、株高和茎直径的影响
a-c，第60天幼苗的叶面积、植物高度、茎直径；d-e，在不同LED灯下生长的草珊瑚幼苗，WL、RL、BL下的全株形态。最大值和最小值分别表示在箱型图的上端点和下端点，75%和25%的百分位数分别位于箱框内的上端和下端。*代表P< 0.05，**代表P< 0.01，***代表P<0.001，***代表P< 0.0001。WL:白光LED灯；RL:红光LED灯；BL:蓝光LED灯。 2. 代谢物分析
本研究基于从UPLC-MS/MS平台和自建数据库获得的结果，总共检测到454种代谢物，包括各种类别的木脂素和香豆素、类黄酮、酚酸等，它们中的大多数是苯丙素衍生的化合物，比如类黄酮(90)、酚酸(66)、木脂素、香豆素(11)和单宁(13)(表1)，其中，来自木脂素类和香豆素类的秦皮素、东莨菪苷、异秦皮素、秦皮素啶和七叶皂苷，以及来自酚酸类的迷迭香酸、迷迭香酰葡糖苷、绿原酸和七叶皂苷等，都是从草珊瑚样品中分离得到的。主成分分析(PCA)结果显示，在实验重复性较好的情况下，测试样本间存在显著差异(图2)。HCA展示了代谢图谱，并将所有样品中的代谢物划分为10个类别。与WY和RY相比，BY中大多数黄酮类化合物(如槲皮苷和山奈酚)的含量较高；此外，化学物质在根(WG)和叶(WY，RY和BY)之间的分布总体上有显著差异。叶组织中含有更丰富的化合物，如黄酮类化合物、酚酸类化合物和鞣质类化合物，而脂类、氨基酸和衍生物碱、有机酸、核苷酸、木脂素和香豆素类化合物以及萜类化合物在根组织中含量更高。各组代谢物比较分析的结果展示在表2和图3中。在WY vs RY、WY vs BY和WY vs WG中分别有44、87和296种不同的化合物产生(图3)。此外，与WY相比，RY中11种黄酮(如山奈酚)和6种酚酸(如隐绿原酸)显著下调(表2和图3)；其中，只有3种黄酮醇化合物(堪非醇、山奈酚和洋蓟素)被定位在与黄酮类化合物生物合成相关的KEGG途径中。在WY vs BY的对比中，40种黄酮类化合物、11种酚酸类化合物、2种木脂素和香豆素类化合物的积累存在显著差异(表2和图3)。此外，在类黄酮生物合成中，40种类黄酮中只有8种被检测到，其中6种在BY中增加了3.2-6.2倍，例如槲皮苷和山奈酚，然而，白薇苷和原儿茶醛的含量在BY中减少了约4.5倍。对于酚酸类化合物，七种代谢物含量下调，比如咖啡酸、七叶亭和芥子醛，而其他则增加了2.5到3.3倍。对于木脂素和香豆素类化合物，在BY中，瑞香素的产量减少了9.5倍，而氧前胡素增加了2.1倍。就WY组与WG组而言，129种苯丙素衍生的代谢物呈显著上调或下调趋势(表2和图3)。在WY组和WG组中，来源于类黄酮生物合成的化合物主要在WY而不是WG中积累(图2)。WG中一些香豆素(如马栗树皮甙、异秦皮素和秦皮素啶)含量较高，但WY中其他香豆素(滨蒿素和氧前胡素)和大部分酚酸类化合物的产量较高。此外，研究选择了主要活性成分，并比较了它们在WY、RY、BY和WG组织中的积累模式(图4)。相对于WY，七叶亭、咖啡酸、异秦皮啶、秦皮啶、富马酸和马来酸的产量显著降低(fold change≤0.5)，而槲皮苷和山奈酚的产量在BY中显著上调(fold change≥2)。此外，BY中隐绿原酸、肉桂酸、七叶皂苷和芦丁的产量增加了1.5倍；同时，与WY相比，芥子酸、七叶皂苷、落新妇苷、富马酸和马来酸的产量增加了1.3-1.7倍，而隐绿原酸、肉桂酸和山奈酚的含量在RY中显著降低(fold change≤0.5倍)。最后，与WY相比，绿原酸、隐绿原酸、肉桂酸、香豆酸、迷迭香酰葡萄糖苷、东茛菪碱、槲皮苷、山奈酚、落新妇苷、根皮素2’-O-葡萄糖苷、槲皮素和芦丁的产量显著降低(fold change≤0.5)，而芥子酸、七叶皂苷、七叶皂苷、七叶皂苷、异秦皮苷、秦皮苷、富马酸和马来酸的产量在WG中显著提高(fold change≥2)。表1 草珊瑚中检测到的代谢物类别
表2 不同组中已鉴定的苯丙素衍生代谢物的定量统计图2 草珊瑚的12个处理样品的主成分分析(PCA)和次成分分析(HCA)结果
a，在主成分分析图中，PC1 (61.25%方差)和PC2(12.8%方差)用于生成分数图。WY、RY、BY、WG和混合样品分别用绿色、紫色、粉色、棕色和蓝色标记，混合样品是质量控制样品，由所有样品的同等混合物制成；b，在HCA图中，所有鉴定的代谢物分为11类，每个彩色矩形代表特定的化合物含量。WY:白光LED下的叶片组织；WG:白光LED下的根组织；BY:蓝光LED灯下的叶片组织；红色发光二极管下的叶组织。图3 不同组中鉴定到的化合物的代谢组图谱
a-c，火山图展示了WY vs RY、WY vs BY和WYvs WG组中的所有差异化合物。d，小提琴图展示了在WY vsRY、WY vs BY和WY vs WG组中显著不同的苯丙素衍生化合物。假设VIP≥1，Log₂(Fold change)≥1或≤-1，则视为差异代谢产物。图4 24种主要活性代谢物相对浓度的热图
在上图中，不同的颜色代表不同的代谢物类别，代谢物名称列在底部。A，RY和WY相对含量的倍数变化；B，BY和WY相对含量的倍数变化；c，WG和WY相对含量的倍数变化。Foldchange≥2或≤0.5，视为差异代谢产物。 3. 参与苯丙素生物合成的候选基因
研究鉴定了46个候选基因，编码大多数参与类黄酮、香豆素和酚酸生物合成的酶(表3，图5)；此外，还发现了5个与迷迭香酸生物合成相关的基因。类黄酮、酚酸和大多数香豆素的生物合成来源于核心的类苯丙酸途径，该途径由PAL、C4H和4CL酶催化的三个关键步骤组成。本研究鉴定了4个PAL基因、4个4CL基因和1个C4H基因，其中PAL基因(Cluster-22，883.50216)、4CL基因(Cluster22，883.47381)、C4H基因(Cluster-22，883.50271)与其他成员相比表达水平最高，在BY和RY中表达水平较高。绿原酸途径中，作者共发现了5个编码羟基肉桂酰基转移酶的基因，基因(Cluster-22，883.48487)的表达水平远高于其他成员，与其他样品相比，该基因(Cluster-22，883.21708)仅在WG中高度表达。东莨菪内酯生物合成来源于一种关键前体，即阿魏酸辅酶a，由3-氧甲基转移酶(COMT)和4CL在咖啡酸上的酶促反应产生，或由咖啡酰辅酶a、3-氧甲基转移酶(CCoAOMT)与咖啡酰辅酶a反应产生。与WY相比，该途径仅鉴定到一个COMT基因(Cluster-22，883.56077)和一个CCoAOMT基因(Cluster-22，883.54879)，这两个基因在WG中的表达水平最高，而在RY和BY中均下调。此外，作者对编码2-氧代戊二酸和铁(ⅱ)依赖性双加氧酶家族蛋白的5个基因进行了特征分析。F6’H和S8H蛋白属于2-氧代戊二酸和铁(ⅱ)依赖性双加氧酶家族，非根进化树显示，这五个基因编码的蛋白质与F6’H或S8H蛋白质高度相似，F6’H和S8H两个蛋白同属于2-氧代戊二酸和铁(ⅱ)依赖性双加氧酶家族，其中，草珊瑚的一个基因(Cluster-22，883.51443)编码的蛋白与大叶栎的S8H蛋白(XP_030962790.1)表现出较强的同源性。此外，在这些基因中，该基因(Cluster-22，883.51443)在WG中高度表达，而另一个基因(Cluster-22，883.50772)在BY中的表达水平明显更高。生成迷迭香酸的途径由四个连续的酶反应组成，从前体(酪氨酸)和酪氨酸转氨酶(TAT)、羟苯基丙酮酸还原酶(HPPR)、迷迭香酸合成酶(RAS)和细胞色素P450还原酶(CYP)开始，这些酶分别由Cluster-22，883.49301、Cluster-22，883.50853和Cluster-22，883.50532基因编码。对于迷迭香酸合成酶(RAS)，非根进化树显示，由来自草珊瑚的基因(Cluster-22，883.29589)编码的RAS蛋白与来自核桃(XP_ 018826314.1)和花生(XP_016205435.1)的RAS蛋白具有较强的同源性。Cluster-22，883.49301基因在WY、RY和BY中的表达水平差异不显著，而Cluster-22，883.50853在BY中高表达。与WY和RY相比，Cluster-22，883.50532基因在WG中的表达水平明显较高，而在BY中的表达水平较低。黄酮类化合物的生物合成包含CHS、CHI和F3H酶在内的核心途径，并且这些编码上述酶的基因在RY和BY中的表达水平都较高。由于中间体化合物(二氢山奈酚)是通过核心酶促反应产生的，它会流入几个分支，生成花青素、原花色素、黄酮醇等。在二氢山奈酚的合成途径中，黄酮醇合成酶(FLS)催化山奈酚的生物合成，二氢山奈酚通过类黄酮3′-羟化酶(F3′H，由Cluster-22，883.55303编码)和UDPG FLS类黄酮O-葡糖基转移酶(UFGT，由Cluster-22，883.47725编码)的酶促反应生成，而UFGT基因(Cluster-22，883.47725)的表达水平显著提高，这些基因(除了Cluster-22，883.85233)具有相似的表达模式，BL具有诱导更高表达水平的潜力。Cluster-22，883.85233基因主要在WG中表达以合成芦丁，但是Cluster-22，883.49258在WY和WJ中表现出较高的表达水平。包括二氢黄酮醇4-还原酶(DFR)、无色花青素还原酶(LAR)、花青素合酶(ANS)和花青素还原酶(ANR)在内的一系列酶负责儿茶素和表儿茶素的产生，最终合成原花色素(PAs)的产物。DFR (Cluster-22，883.42375)和LAR (Cluster-22，883.41029)基因在RY中的表达量较高，而编码ANR的Cluster-22，883.47730基因在BY中的表达量较高；此外，ANS基因(Cluster-22，883.50399)在RY和BY中高度表达。总的来说，BL和RL的培养条件提高了许多功能基因的表达水平，如PAL基因家族、4CL基因家族、CHS、CHI、F3H、C4H、和ANS中的一些亚型基因族。表3 草珊瑚的转录组中已鉴定基因的概述图5 候选基因的苯丙氨酸代谢途径及热图
a，带有箭头的实线表示酶促反应在以前的研究中得到验证，而带有箭头的虚线表示酶促反应的某些步骤没有得到完全证实；b，基因名称列在垂直线，样本列在水平线。数值代表这些候选基因的FPKM值的对数，没有值的灰色矩形意味着FPKM值为零。 4.鉴定MYB和bHLH的候选转录因子
研究共收集了142个原始MYB (MYB和MYB相关)基因和61个原始bHLH基因。对于MYB蛋白，经过筛选，92个MYB基因具有不同程度的保守DNA结合域，并被分为4类:1R-MYB、R2R3-MYB、3RMYB和4R-MYB蛋白，包括35、53、3和10个基因。拟南芥基因组首次提供了对植物MYB转录因子的描述和分类的见解。在植物中，R2R3-MYB蛋白是MYB家族中最大的一类，它们参与植物中特异的生物学过程，并根据脱氧核糖核酸结合结构域、碳末端结构域和氨基酸基序的保守性在拟南芥中被分为几个亚组。本研究发现了草珊瑚具有53个含R2R3-MYB结构域的基因。研究构建了系统进化树，其中53个R2R3-MYB氨基酸序列来自草珊瑚，125个全长R2R3-MYB氨基酸序列来自拟南芥(图6)。大量研究表明，R2R3-MYB蛋白的一些亚组参与了拟南芥类黄酮生物合成的调控，包括S4、S5、S6和S7亚组。在S7亚组中，AtMYB11，AtMYB12和AtMYB111与黄酮醇的生物合成密切相关。SgMYB38与AtMYB111成簇，SgMYB53在S6亚组(AtMYB75/90/113/114)中表现出高度的功能相似性，调节花青素色素途径。SgMYB8/14/28/43/27/39这6个R2R3-MYB蛋白与亚组S5中的AtMYB123位于PAs生物合成途径的同一分支；此外，研究鉴定了两种R2R3-MYB蛋白：与AtMYB38 (RAX2，S14)具有高氨基酸序列相似性的SgMYB6和与S16亚群成员聚集在一起的SgMYB32。热图展示了根据Log₂(FPKM)值选择的前10个基因的表达模式(图6)，根据转录组结果，SgMYB38 (Cluster-22，883.68401)的表达水平在BY中上调；在亚组S5中，6个基因在不同样本中有不同的表达模式，与RY和BY相比，SgMYB28 (Cluster-22，883.46964)、SgMYB8 (Cluster-22，883.824)和SgMYB39 (Cluster-22，883.68770)的基因在WY中表现出更高的表达水平，同时，SgMYB43 (Cluster-22，883.34211)的表达水平在BY中表现出显著增加。此外，SgMYB27 (Cluster-22，883.3887)的基因在WJ表现出最高的表达水平，而SgMYB6 (Cluster-22，883.63255)和SgMYB32 (Cluster-22，883.11906)的基因在WG中高度表达。bHLH蛋白是另一个古老且功能多样的TFs超家族，在过去已被广泛研究。本研究中鉴定到53个编码bHLH蛋白的基因，它们具有可区分的特征结构域。研究利用这53个来自光滑乳杆菌的bHLH氨基酸序列和182个来自拟南芥的全长AtbHLH蛋白序列构建了系统发育树(图7)。SgbHLH结构域的多序列比对结果显示，所有的bHLH蛋白被分成21个亚类，尽管不同亚类间的节点值较低，但每个亚类内的值较高，这表明后者具有很强的进化关系。先前的研究表明，bHLH蛋白被分为32个亚类，其中S2、S5和S24亚类(对应于AtbHLH蛋白的S8、S7和S15亚类)参与类黄酮生物合成的调节。在S8亚类中，作者鉴定了一组SgbHLH蛋白，即SgbHLH22/24/25/43/45，它们与其他AtbHLH蛋白成员显示出高度的序列相似性。与WY和RY之间相似的基因表达变化相比，编码S8中SgbHLH蛋白的这五个基因的相对表达水平在BY中显著较低。SgbHLH45 (Cluster-22，883.52750)基因在WJ和WG中显著上调，而在S7亚类中，SgbHLH13和SgbHLH12与At1g63650(EGL)、At5g41315 (GL3)、At4g00480(MYC1)和At4g09820 (TT8)聚集在一起，这些亚家族与一些R2R3-MYB成员相关，参与类黄酮代谢、毛状体形成、表皮细胞命运决定的调节，以及根表皮细胞中毛发和非毛发细胞的形成。SgbHLH12基因(Cluster-22，883.46083)在WY、RY、BY和WG中无明显差异表达，但在WJ表达水平较低，而SgbHLH13基因(Cluster-22，883.47507)在WJ的表达水平最高。此外，SgbHLH4/27/37的三个bHLH蛋白属于S15亚类，与WY相比，SgbHLH4 (Cluster-22，883.57401)在BY和RY中的表达水平略有降低，但SgbHLH27 (Cluster-22，883.76231)在BY、WJ和WG中的表达水平更低，SgbHLH37 (Cluster-22，883.51340)基因在BY中具有显著升高的表达水平(图7)。图6 R2R3-MYB蛋白的系统进化树和热图
a，以不同颜色突出显示的拟南芥R2R3-MYB蛋白的亚组(S1-S25)为先前报道过的蛋白，编码草珊瑚R2R3-MYB蛋白的53个基因从1到53随机编号，所有标记的R2R3-MYB氨基酸序列在补充表S7中列出；b，候选R2R3-MYB基因列在竖线上，数值代表这些基因的FPKM值的对数，没有值的灰色方块意味着FPKM值为零。
图7 bHLH蛋白的系统进化树和热图
a，以不同颜色突出显示的拟南芥bHLH蛋白的亚组(S1-S21)为先前报道过的蛋白，编码草珊瑚bHLH蛋白的53个基因从1到53随机编号。所有标记的bHLH氨基酸序列在补充表S6中列出；b，候选bHLH基因列在竖线上。数值代表这些基因的FPKM值的对数，没有值的灰色方块意味着FPKM值为零。 5.用qRT-PCR反应验证转录表达
为了证实RNA-Seq结果的准确性，作者共挑选了24个基因(5个R2R3-MYB基因、5个bHLH基因和另外14个与类黄酮生物合成相关的功能基因)(补充表S5)。qRT-PCR结果显示，24个基因的表达水平与RNA-Seq获得的表达水平基本一致(图8)；此外，对于每个选择的基因，其在qRT-PCR和RNA-seq之间呈现高相关系数(r > 0.600)。因此，定量逆转录聚合酶链反应的验证表明，转录组数据是可靠的。图8 24个基因的qRT-PCR验证
左y轴和图例表示由qRT-PCR确定的相对表达水平，右y轴和图例表示由RNA-seq获得的FPKM值。通过将每个基因的WY表达设置为1来标准化表达值。每个基因的qRT-PCR值用三次技术重复和两次生物学重复确定。误差线表示标准差，不同的小写字母(a-e)代表五个样本在P值< 0.05时的差异情况，每个基因的qRT-PCR和RNA-Seq之间的相关系数(r)以其相应的显著性水平显示(** P< 0.01，* P< 0.05)

讨论

在本研究中，作者发现单色LED灯对草珊瑚幼苗生长形态有显著影响。与WL相比，RL显著提高了植株高度，降低了茎直径和叶面积，而BL显著抑制了草珊瑚的高度和叶面积。在以前的研究中也获得了类似的发现，例如，萝卜茎在RL下被发现是细而长的。在BL和RL对番茄幼苗和其他物种茎伸长影响的试验中，结果表明茎长随着BL与RL比率的增加而减少；然而，另一份关于黄瓜的报告显示，与其他处理相比，BL下的幼苗表现为株高增加、下胚轴和上胚轴伸长。红光和蓝光都是光合有效辐射光谱的重要组成部分，因此在调节植物形态建成中起着重要作用。植物通过光敏色素(Phy)、隐色素(Cry)和向光性色素(Phot)等光感受器感知和传递光信号，进而通过信号转导触发植物生长发育。光敏色素是一种R/FR光感受器，能够持续感知和响应周围环境，在RL辐射下，光敏色素抑制组成型光卟啉配体1 (COP1)和光敏色素相互作用因子(PIFs)蛋白的活性。与WY和BY相比，编码COP1蛋白的基因(Cluster-22，883.48222)的表达水平在RY中显著降低，这意味着RL加速Phys分解COP1，并因此诱导了几个光形态发生修饰的TFs(例如HY5和LAF1)，其较高的表达水平证明了这一点。在本研究中，作者发现编码HY5的Cluster-22，883.57986和编码LAF1的SgMYB32 (Cluster-22，883.11906)分别在不同程度上表现出较高的表达水平。Cry家族成员Cry1、Cry2和Cry3 (CryDASH)，主要介导BL，并参与抑制拟南芥的下胚轴伸长、幼苗去黄化、花的形成、根的发育和其他光响应，而Cry家族成员在不同植物中的组成是不同的；同时，Phot的家族成员(Phot1和Phot2)被认为是另一种紫外线和蓝光的光感受器。Phot1和Phot2以不同的调节模式参与向光性的调节：Phot1的激活需要较低的BL强度阈值，而较高的蓝光强度介导Phot1和Phot2的调节。就下胚轴伸长而言，先前的研究表明其抑制受幼苗去黄化阶段Cry1、Cry2和Phot1的共同作用控制。在这项研究中，作者发现的四个基因(Cluster-22，883.51204、Cluster-22，883.48125、Cluster-22，883.53309和Cluster-22，883.50402)分别编码Phot1、Phot2、Cry1和Cry2蛋白，它们参与对蓝光照射的感知和反应(补充图S8)。在这些基因中，Phot1 (Cluster-22，883.51204)和Cry1 (Cluster-22，883.53309)基因的相对表达水平在BY中上调，而Cry2 (Cluster-22，883.50402)基因下调。如前所述，Phot1和Cry1基因的较高表达水平抑制了草珊瑚的下胚轴伸长，随后这些基因与其他信号分子整合，通过转录和翻译后机制介导这些蓝光调节基因的调节网络。在之前的一项使用动力学分析方法的研究中，有报道称茎的生长速度是由多个因素决定的，如激素和内源性节律。为什么不同植物对RL、BL和BL/ RL的不同进化表型和空中发育反应不一致？需要作出的解释是复杂的，也需要进一步研究；此外，光敏色素介导调节的详细机制(例如，茎伸长和芽生长)也值得进一步研究。本研究中鉴定的所有黄酮类化合物都被认为直接来源于4-香豆酰辅酶a和3个丙二酰辅酶a之间的反应，该反应由CHS、CHI、F3’H、F3H和FLS酶(由早期生物合成基因EBGs编码)催化。该反应的中间产物是二氢黄酮醇(如二氢山奈酚或二氢槲皮素)，它们随后被用作由下游基因(相应的晚期生物合成基因(LBGs)，图5)调节的黄酮醇、花青素和原花色素生物合成的其他途径中的底物。作者对代谢图谱的分析(图4)显示，一些黄酮醇(如槲皮苷和山奈酚)的产率在BY中显著更高,它们在花粉育性、花的颜色和紫外线B保护方面起着重要作用。在黄酮醇代谢中，FLS属于依赖2氧戊二酸的双加氧酶，是一种具有多种亚型的分支点酶，以组织特异性和诱导性方式催化二氢山奈酚转化为产物。本研究鉴定了编码FLS酶的基因(Cluster-22，883.47725)，作者注意到黄酮醇的产量因其在WY、RY、BY和WG中的相对表达而异。在蓝光处理下，FLS基因的相对表达量较高，因此，草珊瑚中槲皮苷、山奈酚和芦丁的产量显著增加。肉桂酸和4-香豆酸都是苯丙酸途径前两步的上游产物，因此它们的产生调节了与木脂素、类黄酮和酚酸生物合成相关的前体向所有侧枝的流动,其中，木质素是通过C3H酶催化4-香豆酸转化为咖啡酸合成的，咖啡酸随后进入木质素途径;同时，4CL酶催化4-香豆酸转化为4-香豆酰辅酶a，4-香豆酰辅酶a是与莽草酸或奎尼酸结合分配到绿原酸途径的底物，它还与丙二酰辅酶a一起进行所有种类的类黄酮生产。根据代谢物分析，与WY相比，在BY中肉桂酸和4-香豆酸的初始产物含量分别增加了1.47倍和1.08倍，但抑制了咖啡酸的生成,因此，4-香豆酸产量的增加导致了4-香豆酰基CoA的更多合成，这反倒产生了更高产量的类黄酮和绿原酸(例如查尔酮和柚皮素)。初始前体的积累与生物合成基因的表达水平密切相关，包括PAL、C4H、和4CL基因，它们是苯丙素核心途径中三种连续的酶，它们导致黄酮类化合物的多样性。在唐松草属植物中，PAL基因家族(AtPAL1-AtPAL4)、4CL基因家族(At4cl-At4c4)以及AtC4H中仅有的一个成员已被鉴定和阐述，其中一些成员，如AtPAL1和AtPAL 2-被认为在苯丙素途径中起主要作用，而At4CL3被认为对类黄酮生物合成有偏好。非根进化树显示，Cluster-22，883.50216、Cluster-22，883.50271和Cluster-22，883.47381基因分别与PAL1/2、C4H和4CL3基因高度同源，它们在蓝光和红光条件下表现出上调的表达水平，表明这些连续的基因作用于黄酮类化合物的生物合成(补充图S9)。香豆素广泛分布于多种植物物种中，在防御植物病原体、非生物胁迫、氧化应激、临床疾病等方面具有多种生物活性，是草珊瑚的关键特化代谢产物。由于与香豆素生物合成相关的关键酶促步骤在包括光滑毛莨在内的植物中仍然很少为人所知，本研究调查了当前可能的途径，并分析了参与东莨菪素、秦皮素和东莨菪素生物合成的编码F6’H、S8H和东莨菪素葡萄糖基转移酶(SGTF)的基因。在图4中，除了东茛菪碱和东茛菪碱之外，秦皮素、七叶皂苷元、异秦皮啶和秦皮啶的产量在WG中最丰富,异秦皮啶和秦皮啶的生物合成在KEGG途径数据库中没有相应的作图。秦皮素的大量积累与WG中编码S8H的基因(Cluster-22，883.51443)的较高表达水平密切相关。此外，由于催化东茛菪碱形成的SGTF基因(Cluster-22，883.45883)的表达水平较低，东茛菪碱的产量在RY、BY和WG中有所下降。至于东莨菪素，除了通过4CL和F6的H1的酶促反应从阿魏酸衍生形成东莨菪素之外，其他的研究表明，东莨菪素也可以通过O-甲基转移酶(O-MT)的甲基化从七叶皂苷的转化中产生。在BL条件下，东莨菪素的产量减少可能是由于其前体阿魏酸和七叶亭的产量减少，这与东莨菪内酯相似，至于七叶皂苷的生物合成途径起源于伞形酮还是咖啡酸，目前尚不清楚。迄今为止，已有各种关于R2R3-MYB、bHLH、WDR和MBW复合物的TFs作为植物中苯丙素生物合成调节剂的研究。这些研究强调了这些TFs和MBY复合物在调节植物组织和种皮中类黄酮生物合成中的重要性。完整的类黄酮途径依赖于EBGs和LBGs的协同表达；此外，在唐松草中，R2R3-MYB蛋白的亚组(S4，S5，S6和S7)，bHLH蛋白的亚组(S7，S8和S15)和几个WD40蛋白(如TTG1)已被证明以某种方式参与调节黄酮类化合物生物合成中EBGs和LBGs的表达。在黄酮醇生物合成中，EBG基因由来自亚组S7的AtMYB11/12/111蛋白的成员调节，并因此控制黄酮醇的生成。SgMYB38被归入S7亚群，可能控制CHS、CHI、F3H、F3’H和FLS基因的表达水平。与WY和RY相比，SgMYB38基因在BY中显著上调，直接提高了EBGs的表达水平，促进了部分黄酮醇类化合物的积累；此外，qRT-PCR结果和这些EBG的RNA-Seq数据也证明了这一点。PAs的积累主要分布在种皮的最内层细胞层，由四种以上的MBW复合物调节，即AtMYB 123(TT2)-TT8/GL3/EGL3-TTG1和AtMYB5-TT8-TTG1，它们针对不同的LBG蛋白精确调控PAs的积累，如ANS(LDOX)、DFR和UFG。AtMYB 75/90/113/114-TT8/GL3/EGL3-TTG1的MBW复合物也通过调节营养组织中LBGs的时空表达来调控花青素的生物合成。因此，在本研究中，作者筛选并鉴定了一些编码R2R3-MYB、bHLH和WDR转录因子的基因。在这些转录因子中，SgMYB 8/14/27/28/43/39可能编码属于R2R3-MYB蛋白亚组S5的同源蛋白TT2，而SgMYB 53编码的蛋白在R2R3-MYB蛋白亚组S6的成员中具有相似性。SgbHLH 12/13被预测编码属于S7亚组的TT8/GL3/EGL3/MYC1，在拟南芥中被认为编码TTG1。因此，作者推测SgMYB 8/14/27/28/43/39组装MBW复合物SgbHLH12/13-TTG1的过程可能参与了PAs的合成，而SgMYB53-SgbHLH12/13-TTG1可能与花青素的生物合成有关。在本研究中，作者根据所研究的模式植物鉴定了这些编码转录因子的基因，并提出了草珊瑚中存在可能的MBW复合物；然而，黄酮类化合物生物合成的许多方面仍然未知，比如，由于草珊瑚的基因组数据尚未被测出来，参与苯丙素途径的重要基因的拷贝数因此尚未确定，这需要研究者深入分析草珊瑚MBW复合体的结构、功能和调控机制，才能逐一解决更多未知的科学问题。

结论

综上所述，在不同的单色光(WL、RL和BL)下培养的草珊瑚幼苗在生长上表现出显著的差异。此外，转录组学和代谢组学的联合分析表明，LED灯对代谢物积累以及参与苯丙素生物合成的功能基因和转录因子(R2R3-MYB和bHLH)的表达模式有显著影响。与WL相比，BL在特定转录因子的调节下，在EBGs和一些LBGs中表现出更高的表达水平，导致BY中类黄酮产生的显著增加。FLS基因作为限制因子，降低了RL条件下黄酮醇化合物的产量；此外，一些重要化合物(如七叶皂苷、异七叶皂苷、秦皮皂苷、富马酸和马来酸)的产量在BY中显著减少，而RL和RY条件能刺激一些重要化合物(如芥子酸、七叶皂苷、东莨菪内酯、落新妇苷、富马酸和马来酸)积累1.24-1.77倍。该研究为草珊瑚苯丙素生物合成的调控机制提供了有益的见解。

原文链接：  

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33076818/

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