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基于转录组学的新疆核桃脂肪及枣原花青素生物合成关键基因研究

王文强  
【摘要】:核桃(Juglans regia L.)和枣(Ziziphus jujuba Mill.)是新疆特色林果产业规模最大的两个树种。作为药食同源的果品,核桃仁和枣果实具有重要的食用价值和营养保健功能,是生物活性化合物的重要来源。近年来,虽然有关核桃和枣的功能性成分-核桃油脂和枣多酚的组成、含量及其健康益处被广泛研究,但涉及不同品种核桃油脂积累和枣原花青素合成的分子机制却鲜有报道。因此,本研究以不同发育时期的不同核桃和枣品种为实验材料,在测定核桃油脂含量及其脂肪酸组成,以及枣理化成分的基础上,通过转录组分析揭示核桃油脂和枣原花青素合成的潜在分子机制,鉴定其合成途径中的关键基因,并且进行了实时荧光定量PCR(qRT-PCR)验证。主要结论如下:1、新疆不同品种核桃油脂积累期的比较转录组分析测定了“纸皮核桃”、“新乌417”、“新温81”、“新温179”和“新萃丰”5个核桃品种在整个发育阶段的油脂含量及其脂肪酸组成。结果表明,这5个核桃品种油脂含量均呈现“先快后慢”的变化规律,成熟核桃的含油量接近70%,不饱和脂肪酸比例达到了90%以上。核桃油脂中共检测到了6种脂肪酸组分,包括棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、α-亚麻酸和二十碳烯酸。其中,亚油酸和油酸含量最高,而且分别呈现下降和上升的同步变化趋势,推测亚油酸和油酸在核桃发育过程中存在一定的相互转化关系。此外,根据油脂含量及脂肪酸组成变化规律,确定了花后84天(T1)、98天(T2)和119天(T3)这3个发育时期用于后续转录组学分析。对T1时期的5个核桃品种进行转录组测序,通过基于基因表达水平的样本相关性分析选择差异相对较大的3个品种,即“纸皮核桃”(ZP)、“新乌417”(W417)和“新温81”(W81)用于后续转录组学分析。对来源于3个发育阶段的3个核桃品种的27个核桃样品进行转录组测序。结果表明,19个基因编码的10种关键酶(ACCase、LACS6、LACS8、SAD、FAD2、FAD3、LPAAT1、DGAT2、PDAT2和PLC)与脂质生物合成高度相关。其中SAD、FAD2和FAD3在核桃仁中高度表达,这可能是核桃富含不饱和脂肪酸的主要原因。随后鉴定了5个与油脂合成相关的转录调控因子,包括WRI1、ABI3、FUS3、PKL和VAL1。进一步分析27个样品中这些基因表达水平的相关性,结果表明这些转录因子主要的调控基因包括ACCase、KASⅡ、LACS、FAD3和LPAAT。qRT-PCR验证了ZP中9个关键基因ACCase、LACS6、LACS8、SAD、FAD2、FAD3、DGAT2、PDAT2和PLC的表达(W417和W81分别验证了5个基因),定量结果与转录组测序数据之间有很强的相关性(R~2=0.90889,p=1.62×10~(-32))。2、八个枣品种发育过程中的理化成分和抗氧化活性分析测定了大白铃、骏枣、骏优、酸枣、灰枣、赞皇大枣、阜帅和伏脆蜜8个枣品种在5个发育时期(S1-S5)的8个理化指标,包括水分、可滴定酸、抗坏血酸、糖类、总酚、总黄酮、酚类化合物以及抗氧化活性。结果表明,在枣果实成熟期间,8个枣品种的水分、抗坏血酸、总酚、总黄酮、主要酚类化合物(儿茶素、表儿茶素、原花青素和芦丁)含量和抗氧化活性总体呈现下降的趋势,而糖类,尤其是蔗糖含量增加。可滴定酸、果糖和葡萄糖含量在S1-S3时期几乎直线上升,然后在S5时期下降。在早期,所有枣品种之间的抗坏血酸、糖类、酚类化合物含量以及抗氧化活性存在明显差异,但是随着果实成熟,枣品种之间的差距逐渐缩小。这表明成熟度是影响枣果实中理化成分和抗氧化活性积累的主要因素,而不是品种。总之,果皮未着色的枣果富含抗坏血酸、酚类化合物和抗氧化活性,可以用作潜在的功能食品;而半红和全红枣果则富含糖,并且酚类化合物含量也相应减少,具有甜美宜人的风味。因此,应根据预期的商业目的选择合适的枣果收获时间。3、枣果实发育过程中原花青素代谢的转录组分析对S1时期的8个枣品种进行转录组测序,通过基于基因表达水平的主成分分析选择3个差异相对较大的品种,即大白铃(DB)、骏枣(JJ)和阜帅(FS)用于后续转录组分析。分析这3个品种在成熟期间的儿茶素、表儿茶素和原花青素含量变化规律。结果表明,3个品种的儿茶素和原花青素含量总体呈现下降的趋势,但表儿茶素含量总体上先上升后下降。根据这3个指标的变化规律,选择S1(T1)、S3(T2)和S4(T3)3个发育时期用于后续转录组分析。对来源于3个发育阶段的3个枣品种的27个样品进行转录组测序。结果发现,17个编码PAL、CHS、CHI、F3’H、LAR、ANR、C4H、4CL、FLS、DFR和UFGT的差异表达基因是参与类黄酮合成途径的关键基因。LAR在枣中的高度表达很可能是表儿茶素含量升高的主要原因。对27个枣样本进行了共基因表达网络分析(WGCNA)。结果表明,含有1620个基因的MEBlue模块与原花青素含量(r=0.90,p=1×10~(-10))和儿茶素含量(r=0.87,p=3×10~(-9))显著相关。在这个模块中鉴定了58个参与原花青素代谢途径的关键基因,包括49个转录因子和9个结构基因。进一步通过相关性分析探究这些基因的相互作用,发现编码9个转录因子(MYB、bHLH、ERF、bZIP、NAC、SBP、MIKC、HB和WRKY)的16个基因具有极高的连接度,被认为是原花青素代谢调控的核心基因。qRT-PCR验证了DB中10个关键基因C4H、4CL、F3H、F3’H、LAR、GST、ERF、bHLH、MYB和WRKY的表达(FS和JJ中分别验证了5个)。回归分析结果表明,qRT-PCR数据与转录组测序数据具有良好的线性关系(R~2=0.93286,p=6.31×10~(-36))。本研究通过对新疆核桃和枣的转录组分析,鉴定了油脂积累和不饱和脂肪酸合成中的关键基因,揭示了枣中原花青素合成和调控的分子机制。这些发现有利于促进新疆特色果实的研究和当地果品产业的发展,并为核桃和枣的遗传研究及分子育种提供宝贵的理论知识。


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