中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (9): 1779-1793.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.09.012
戚仁洁1,2(), 宁宇3(), 刘静3, 刘之洋3, 徐海3, 罗志丹1,2(), 陈龙正3()
收稿日期:
2023-09-29
接受日期:
2023-12-18
出版日期:
2024-05-01
发布日期:
2024-05-09
通信作者:
联系方式:
戚仁洁,E-mail:13956705571@163.com。宁宇,E-mail:20190022@jaas.ac.cn。戚仁洁和宁宇为同等贡献作者。
基金资助:
QI RenJie1,2(), NING Yu3(), LIU Jing3, LIU ZhiYang3, XU Hai3, LUO ZhiDan1,2(), CHEN LongZheng3()
Received:
2023-09-29
Accepted:
2023-12-18
Published:
2024-05-01
Online:
2024-05-09
摘要:
【目的】皂苷是苦瓜果实苦味的主要来源,具有降血糖、抗癌等多种药用价值。鉴定和挖掘参与调控苦瓜皂苷生物合成的代谢通路及基因,为进一步深入解析苦瓜皂苷形成的分子机制提供参考。【方法】以苦瓜高代自交系GK24为试验材料,分别在子房期(T1)、幼果期(T2)、商品果期(T3)和完全成熟期(T4)取果实组织,通过香草醛-冰醋酸法测定不同时期的苦瓜皂苷含量,利用转录组测序的方法鉴定差异表达基因。【结果】从T1到T4,苦瓜内源皂苷含量随着果实发育而呈现显著下降的趋势。转录组测序共鉴定到17 504个基因,在T1-vs-T2、T2-vs-T3和T3-vs-T4三组比较中,下调表达基因数量均高于上调表达基因数量。GO富集分析表明含磷复合物代谢过程、驱动蛋白复合体和2-琥珀酰-6-羟基-环己二烯-1-羧酸合成酶活性分别是生物过程、细胞组分及分子功能模块最显著富集的条目。KEGG分析显示全局与概述图谱、碳水化合物代谢和氨基酸代谢是3组比较中共同的最显著富集的代谢通路。根据表达模式可将基因划分为20个模块,其中profile 0中基因的表达量从T1到T4逐渐降低,与苦瓜果实发育过程中皂苷含量变化规律一致。从profile 0中鉴定出与苦瓜皂苷生物合成相关的基因14个,包括萜类骨架生物合成通路上的基因AAT1、HMG1、MVK、PMK、MVD2和FPS1,倍半萜与三萜生物合成途径中的基因SS12、SQE1和CPQ及后修饰酶基因CYP97A3、CYP71AN24、UGT94E5及UGT73C6。实时荧光定量PCR(qRT-PCR)结果与RNA-seq结果一致。【结论】苦瓜果实中皂苷含量随着果实不断成熟而逐渐降低。苦瓜皂苷生物合成首先通过上游的萜类骨架生物合成(ko00900)代谢途径完成萜类皂苷骨架的积累,随后通过倍半萜与三萜生物合成(ko00909)代谢途径以及下游的氧化还原酶、糖基转移酶的修饰最终生成皂苷,本研究通过转录组测序共鉴定到14个与苦瓜皂苷生物合成相关的基因。
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表1
qRT-PCR引物序列"
基因名 Gene name | 正向引物Forward primer (5′-3′) | 反向引物Reverse primer (5′-3′) |
---|---|---|
CPQ | GTTGAAAGAGGGGGAAGAGG | CACCAGACCCGGAAGTAAAA |
FSP1 | GCGGATCTCAGGTCAACATT | TCCAGGCACATTGTAGTCCA |
CYP97A3 | GGGAGATATGGCGTGTAAGAAGAC | CTAAAGTCAGACGAGAGAACAGGG |
CYP71AN24 | GAACACAAGGCCAAGATGAGAG | CAGTTGTGTCAGTTCCAGCTAC |
UGT73C6 | TGCCTCCAGAGCTGAAACAT | TCCCATGAATCCAGCCACTT |
UGT94E5 | TCATCACACAACCAAAGGCC | ATCGGAATGTTGAGCGATGC |
SQE1 | AGCAAGGGACGGTTACTTCA | TGAGAAGCAGCCATCACAGA |
MVK | GCAGTCGTTCATGGATCCAC | TGGCCACGAAAACTCCAATG |
PMK | GGGACCATGAGAGGACTGAG | AGGGTCAGACTTTTGCCACT |
Actin | GGCAAACCCTAAAGTTTTCTTCG | GATGAGCCCTTGTAATGAAGTGG |
表2
转录组测序数据统计"
样品 Sample | 原始数据 Raw reads | 过滤后数据 Clean reads | Q30含量 Q30 content (%) | GC含量 GC content (%) | 单一比对率 Unique mapped (%) | 总比对率 Total mapped (%) |
---|---|---|---|---|---|---|
T1-1 | 46878594 | 46673674 | 92.28 | 46.80 | 93.74 | 96.88 |
T1-2 | 55531244 | 55302940 | 92.51 | 46.59 | 93.74 | 96.89 |
T1-3 | 65068774 | 64756962 | 91.96 | 46.30 | 93.49 | 96.61 |
T2-1 | 53923956 | 53678084 | 91.97 | 46.70 | 93.42 | 96.63 |
T2-2 | 46863574 | 46589694 | 92.55 | 47.09 | 93.61 | 96.87 |
T2-3 | 51548340 | 51304488 | 92.54 | 47.04 | 93.43 | 96.74 |
T3-1 | 44171240 | 43942622 | 92.37 | 46.84 | 93.10 | 95.88 |
T3-2 | 44849744 | 44668862 | 92.68 | 47.20 | 94.17 | 97.07 |
T3-3 | 55212924 | 54973380 | 92.20 | 47.14 | 93.68 | 96.43 |
T4-1 | 69720780 | 69450220 | 92.42 | 47.30 | 93.73 | 96.46 |
T4-2 | 66405070 | 66157562 | 92.94 | 46.67 | 94.16% | 96.82 |
T4-3 | 64248114 | 63979034 | 92.29 | 46.69 | 92.75 | 96.29 |
表3
Profile 0中显著富集的代谢通路"
通路名称 Pathway name | 通路ID Pathway ID | 基因数目 Number of genes | 所有基因数 Number of all genes | P值 P value |
---|---|---|---|---|
核糖体 Ribosome | ko03010 | 83 | 305 | 3.36E-13 |
同源重组 Homologous recombination | ko03440 | 20 | 58 | 1.03E-05 |
DNA复制 DNA replication | ko03030 | 16 | 46 | 7.03E-05 |
氨基酸的生物合成 Biosynthesis of amino acids | ko01230 | 44 | 202 | 9.41E-05 |
错配修复 Mismatch repair | ko03430 | 14 | 39 | 0.000135124 |
缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成 Valine, leucine and isoleucine biosynthesis | ko00290 | 8 | 18 | 0.000748137 |
真核生物核糖体的生物合成 Ribosome biogenesis in eukaryotes | ko03008 | 19 | 77 | 0.002133956 |
嘧啶代谢 Pyrimidine metabolism | ko00240 | 15 | 58 | 0.00377061 |
2-氧代羧酸代谢 2-Oxocarboxylic acid metabolism | ko01210 | 14 | 53 | 0.004117066 |
糖鞘脂生物合成 Glycosphingolipid biosynthesis | ko00604 | 3 | 4 | 0.006896205 |
精氨酸生物合成 Arginine biosynthesis | ko00220 | 10 | 35 | 0.008097428 |
碱基切除修复 Base excision repair | ko03410 | 13 | 52 | 0.009192653 |
核质运输 Nucleocytoplasmic transport | ko03013 | 20 | 98 | 0.01563779 |
赖氨酸生物合成 Lysine biosynthesis | ko00300 | 5 | 13 | 0.01582533 |
萜类骨架生物合成 Terpenoid backbone biosynthesis | ko00900 | 14 | 62 | 0.0173777 |
糖胺聚糖降解 Glycosaminoglycan degradation | ko00531 | 6 | 18 | 0.01771733 |
氨酰基tRNA生物合成 Aminoacyl-tRNA biosynthesis | ko00970 | 13 | 57 | 0.0198342 |
不同类型的N-聚糖生物合成 Various types of N-glycan biosynthesis | ko00513 | 8 | 30 | 0.02599519 |
组氨酸代谢 Histidine metabolism | ko00340 | 5 | 16 | 0.03922549 |
表4
Profile 0中ko00900和ko00909通路中的基因"
基因编号 Gene number | 基因注释 Gene function | 通路 Pathway | T1 FPKM | T2 FPKM | T3 FPKM | T4 FPKM |
---|---|---|---|---|---|---|
evm.TU.chr1.608 | 法尼基半胱氨酸裂解酶异构体 Farnesylcysteine lyase isoform | ko00900 | 38.15 | 28.42 | 17.24 | 10.65 |
evm.TU.chr10.805 | 2-甲基-D-赤藓糖醇2,4-环二磷酸合酶 2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase | ko00900 | 115.94 | 71.18 | 43.36 | 26.32 |
evm.TU.chr2.34 | 香叶基香叶基二磷酸还原酶样异构体 Geranylgeranyl diphosphate reductase-like isoform | ko00900 | 30.58 | 17.55 | 16.44 | 7.16 |
evm.TU.chr3.1930 | 羟基-3-甲基丁-2-烯-1-基二磷酸合酶 4-hydroxy-3-methylbut-2-en-1-yl diphosphate synthase | ko00900 | 433.17 | 194.37 | 106.87 | 85.58 |
evm.TU.chr3.2317 | 法尼基焦磷酸合酶1 Farnesyl pyrophosphate synthase 1 | ko00900 | 358.50 | 164.00 | 51.39 | 7.70 |
evm.TU.chr4.352 | 乙酰辅酶A乙酰转移酶 Acetyl-CoA acetyltransferae | ko00900 | 439.08 | 95.24 | 57.25 | 34.89 |
evm.TU.chr4.613 | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate reductase | ko00900 | 1091.57 | 439.96 | 370.39 | 217.45 |
evm.TU.chr6.140 | 1-脱氧-D-酮糖5-磷酸还原异构酶 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | ko00900 | 239.29 | 131.64 | 82.92 | 76.05 |
evm.TU.chr6.518 | 脱氧-D-酮糖-5-磷酸合成酶Deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | ko00900 | 637.07 | 42.68 | 19.10 | 0.17 |
evm.TU.chr4.378 | HMG-CoA合成酶 3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A synthesis | ko00900 | 1274.61 | 1010.52 | 91.31 | 2.87 |
evm.TU.chr8.4201 | 甲羟戊酸激酶 Mevalonate kinase | ko00900 | 105.59 | 52.77 | 31.46 | 14.07 |
evm.TU.chr9.3672 | 焦磷酸甲羟戊酸脱羧酶Pyrophosphomethylvalerate decarboxylase | ko00900 | 671.59 | 131.25 | 53.80 | 28.02 |
evm.TU.chr10.2918 | 磷酸甲羟戊酸激酶 Phosphomevalonate kinase | ko00900 | 85.10 | 58.17 | 9.86 | 3.75 |
evm.TU.chr6.363 | 磷酸甲羟戊酸激酶 Phosphomevalonate kinase | ko00900 | 41.95 | 20.49 | 13.08 | 12.38 |
evm.TU.chr2.1021 | 角鲨烯合成酶 Squalene synthase | ko00909 | 437.66 | 285.81 | 89.01 | 48.19 |
evm.TU.chr3.2797 | 橙花内酯合成酶 Nerolidol synthase | ko00909 | 15.85 | 9.29 | 0.69 | 0.07 |
evm.TU.chr7.10 | 葫芦二烯醇合酶 Cucurbitadienol synthase | ko00909 | 981.27 | 444.87 | 79.12 | 4.09 |
evm.TU.chr8.588 | 角鲨烯环氧酶 Squalene epoxidase 1 | ko00909 | 1030.32 | 506.37 | 76.82 | 1.14 |
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