繪制高分辨率番茄關(guān)鍵發(fā)育時期代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖(2020.6.15 iPlants)

2020年6月15日，四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張陽/劉明春課題組聯(lián)合在Molecular Plant在線發(fā)表題為“MicroTom Metabolic Network：Rewiring Tomato Metabolic Regulatory Network throughout the Growth Cycle”的研究論文。通過選取小湯姆番茄（MicroTom）20個發(fā)育關(guān)鍵時期，結(jié)合廣泛靶向代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析，繪制了高分辨的番茄發(fā)育過程代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

番茄是世界范圍內(nèi)最受歡迎的果蔬之一，因其具有周期短、產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點，被視為具有重要經(jīng)濟價值的園藝作物。同時，由于番茄基因組較小，可利用的突變體資源和分子生物學(xué)工具多，也被視為經(jīng)典的模式植物，具有十分重要的科研價值。多年來，番茄重要代謝物的遺傳機制解析主要集中于對特定組織和品種間的差異分析，而對番茄生命周期代謝流的變化規(guī)律及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究較少。如果化合物或代謝途徑不在采樣組織中表達，則很難解析其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

為建立番茄生長周期內(nèi)的代謝和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，該研究開發(fā)了一個時空高分辨率的番茄代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，通過整合番茄20個組織和發(fā)育時期的代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，繪制了番茄整個生長發(fā)育過程中主要代謝變化的全景圖，為深入解析番茄主要代謝物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)，并為模式和非模式植物代謝調(diào)控的深入研究提供了新思路。

通過對番茄不同生長發(fā)育時期的根、莖、葉、花苞、花以及果實不同發(fā)育和成熟時期共20個組織進行代謝組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析，廣泛靶向代謝組共檢測到540個代謝物，時空高分辨率轉(zhuǎn)錄組共檢測到31，256個表達基因。根據(jù)組織特異性表達模式，對代謝組進行聚類分析，共得到分別對應(yīng)于番茄各組織不同發(fā)育時期的10個簇。以10個簇的代謝物為靶標(biāo)，對轉(zhuǎn)錄組進行共表達分析，經(jīng)過嚴格篩選，最終得到17，003個高度正相關(guān)并與代謝物具有一致表達模式的共表達基因。

通過選取番茄重要營養(yǎng)成分-黃酮類代謝途徑進行分析，發(fā)現(xiàn)SlF3'5'H與SlMYB75共表達相關(guān)性顯著，而與SlMYB12共表達相關(guān)性較低。結(jié)合雙熒光素酶實驗，解釋了前人研究中SlMYB75和SlMYB12過表達的番茄果實分別呈現(xiàn)花青素積累的紫色和黃酮醇積累的橙黃色的原因。與此同時，通過共表達網(wǎng)絡(luò)篩選到一個新的調(diào)控類黃酮代謝的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SlERF.G3-like。轉(zhuǎn)基因番茄果實和轉(zhuǎn)錄激活實驗揭示了SlERF.G3-like作為黃酮類化合物新型轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控苯丙氨酸到類黃酮類化合物代謝途徑的分子機制。該研究也是番茄中首次報道乙烯響應(yīng)因子ERF參與類黃酮代謝的調(diào)控，豐富了ERF家族基因的生物學(xué)功能，也為進一步完整解析類黃酮代謝轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

甾體生物堿類化合物作為番茄中的反營養(yǎng)成分，其代謝途徑的化合物和結(jié)構(gòu)基因主要聚集在共表達簇V中，并且簇V包含已報道的GAME基因簇，說明在該共表達數(shù)據(jù)中，相同代謝途徑的基因表達和代謝物積累在番茄生長周期中具有顯著相關(guān)性。通過對甾體生物堿代謝途徑所在的簇V進行深入分析，篩選到轉(zhuǎn)錄因子SlbHLH114。通過對果實特異性表達SlbHLH114的轉(zhuǎn)基因番茄果實轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，SlbHLH114對甾體生物堿代謝途徑的調(diào)控范圍包括初級代謝的糖酵解途徑、甲羥戊酸途徑和次級代謝的環(huán)阿屯醇途徑、膽固醇合成途徑以及甾體生物堿代謝途徑。LC-MS結(jié)果表明，甾體生物堿類化合物也有不同程度的上調(diào)。結(jié)合雙熒光素酶實驗結(jié)果表明，SlbHLH114能夠結(jié)合代謝途徑結(jié)構(gòu)基因從而誘導(dǎo)其高表達。由此說明，SlbHLH114是控制甾體生物堿代謝途徑的新的正調(diào)控因子。

該研究的共表達數(shù)據(jù)是對當(dāng)前的番茄多組學(xué)資源的重要補充。先前的研究主要集中在比較不同個體、基因型和物種之間的特定組織。而該研究通過覆蓋番茄大多數(shù)組織和發(fā)育階段，提供了番茄整個生長周期內(nèi)代謝變化和轉(zhuǎn)錄動力學(xué)的高分辨率圖譜，可用于指導(dǎo)未來不同物種和種質(zhì)間比較的實驗設(shè)計，同時為番茄的精細化改良提供參考。同時，本項目的實施也為其他園藝作物的多組學(xué)研究提供了思路。

四川大學(xué)張陽研究員和劉明春研究員是共同通訊作者。四川大學(xué)馬濤教授、德國馬普學(xué)會Alisdair Fernie教授以及法國圖盧茲大學(xué)Mondher Bouzayen教授的團隊參與了本課題的研究。該項目得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。