您好,欢迎光临武汉贝纳科技有限公司
027-62435310 | service@benagen.com | 中文 | English 咨询客服
您现在的位置:主页 > 市场与支持 > 文献解读 >

项目文章 | 西瓜为什么这么甜?全长转录组测序揭示西瓜果实品质形成的分子机制

2022年3月17日,山东农业大学史庆华教授课题组以“Integrative analysis of transcriptomic and metabolomic profiles reveals new insights into the molecular foundation of fruit quality formation in Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. & Nakai”为题的研究论文在期刊“Food Quality and Safety”上在线发表,该研究破译了果肉特征不同的西瓜品系果肉品质形成的分子机理。贝纳基因在本研究中承担了全长转录组测序及分析工作。

 

图片

 

研究背景

 

西瓜 [Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. and Nakai (2n=2x=22)] 是葫芦科水果作物,口感、风味、果肉颜色等是西瓜商品价值的决定因素。西瓜品质性状在不同植物材料间的复杂性和差异较大,需要进一步探索其分子基础。

 

本研究先利用果肉品质差异显著的两个西瓜自交系‘14-1’和‘W600’进行杂交获得了‘F1’代杂交种。接着利用Nanopore全长转录组和GC-MS方法对3个品系不同时期的果肉进行基因表达和代谢物质的差异分析,最终挖掘到西瓜果肉品质形成的相关基因,系统解析了西瓜果肉品质形成的调控机制。

 

材料方法

 

以野生西瓜‘W600’作父本、栽培西瓜‘14-1’作母本,杂交获得‘F1’代群体。在果肉转色期(授粉后约21天)和成熟期(授粉后约35天)采集2个大小均匀的果实作为一个生物重复样本,每个品系制备3个生物重复样本,进行Nanopore全长转录组测序和实验。

 

研究结果

 

1、 两亲本和‘F1’代西瓜果肉的表型变异

在转色期,‘W600’、‘14-1’和‘F1’的果肉均呈白色,无显著性差异。在成熟期,‘14-1’的果肉呈红色,而‘W600’和‘F1’的果肉仅有轻微的颜色变化,由白色变为浅黄色。果肉品质方面,三者之间也存在显著差异。两个时期中,‘W600’的果实最重,其次是‘F1’和‘14-1’(图1B)。在转色和成熟阶段,‘14-1’果肉的可溶性固形物含量(SSC)水平最高,可能是‘14-1’果肉更甜的原因(图1)。

 

图片

图1  不同品系西瓜的果肉表型

 

2、 两个亲本和‘F1’代西瓜果肉的转录组变化

Nanopore测序获得的全长转录本覆盖了西瓜基因组中97%以上的注释基因。‘14-1’与‘W600’在果实转色和成熟期的差异表达基因数目(DEGs)分别为3766和4221个,‘14-1’与F1之间的差异分别为2767和2447个,F1与‘W600’之间的差异分别为1178和446个(图2A)。

 

利用WGCNA分析挖掘到由1111个DEGs组成的深绿色模块与果肉的甜味和颜色均显著相关,由1575个DEGs组成的暗红色模块与果肉的苦味和硬度显著相关(图2)。

 

图片

图2 不同品系西瓜果肉的转录组变化

 

3、 两亲本和F1代西瓜果肉的代谢组变化

对成熟期的‘14-1’、‘W600’和‘F1’果肉样品进行非靶向和靶向代谢组学分析,发现了包括口感、颜色和质地等性状在三个品系中的明显差异。成熟期‘14-1’与‘W600’、‘14-1’与 F1、F1 与‘W600’之间的差异代谢物分别为447个、394个和298个(图3A-B)。采用靶向代谢组方法检测‘W60’、‘14-1’和‘F1’成熟果实中类胡萝卜素代谢途径中的代谢产物变化以探讨果肉颜色差异的分子机制,发现‘14-1’分别相对于‘W600’和‘F1’、‘F1’相对于‘W600’,类胡萝卜素含量均显著增加,种类则相对减少(图3 C)。

 

图片

图3 不同品系西瓜果肉的代谢组学变化

 

4、 决定西瓜果肉口感、颜色和质地的分子机理

西瓜果实中可溶性糖的主要形式是蔗糖(图4E),它是果肉甜度的决定因素。果肉甜味的主要贡献者是深绿色基因模块中‘14-1’的特异性DEGs,共有323个,包括参与蔗糖生物合成途径的6个基因(图4B)。

 

而蔗糖生物合成途径中的代谢物中,‘14-1’果肉中蔗糖、d -果糖-6-磷酸、葡萄糖-1-磷酸和菊二糖的含量较‘W600’和‘F1’多。蔗糖生物合成基因cl97c08g153160与菊二糖代谢相关,cl97c01g001950和葡萄糖-1-磷酸代谢相关,cl97c07g131650和蔗糖代谢相关(图4C)。

 

图片

图4 不同品系西瓜果肉甜度相关DEGs与DMs的相关性分析

 

与‘14-1’的甜果肉相比,‘W600’和‘F1’的果实具有明显的苦味,这主要是由于葫芦素E糖苷的积累所致。苦味相关的暗红色基因模块中406个DEGs在‘W600’和‘F1’中特异表达(图5A),其中6个基因被报道直接参与西瓜果肉苦味调控的基因(图5B)。4个CYP450基因在‘W600’中的表达明显高于‘14-1’,与葫芦素E的生物合成密切相关,是‘W600’果肉苦味形成的独特调控网络。

 

葫芦素生物合成途径中的代谢产物中,’W600’和‘14-1’的葫芦素E含量比‘14-1’的含量多(图5C)。葫芦素合成基因 cl97c09g173590与苦参素、葫芦素I 2-葡萄糖苷和葫芦素F等DMs高度相关(图5C)。

 

图片

图5 不同品系西瓜果肉苦味相关DEGs与DMs的相关性分析

 

果肉颜色很大程度上取决于类胡萝卜素的组成和含量。深绿色基因模块中的DEGs与果肉颜色性状显著相关(图6A),具有‘14-1’特异性。

 

靶向代谢检测出的10种直接来源于类胡萝卜素代谢途径的代谢物,在‘14-1’与另外2个品系果肉中表现出差异积累(图6C),是3个西瓜品系果肉颜色差异的原因。

类胡萝卜素相关DEGs与其中7个DMs (γ-胡萝卜素、β-胡萝卜素、番茄红素、(E/Z)-植物红素、α-隐黄质、β-隐黄质和玉米黄质)相关性较强(图6B)。

 

图片

图6 不同品系西瓜果肉颜色相关DEGs与DMs的相关性分析

 

果肉硬度在很大程度上取决于细胞壁成分(纤维素和果胶)的含量。硬度相关的DEGs(暗红色基因模块)是‘W600’/‘F1’特异性的,共406个。其中9个基因在纤维素和果胶降解中发挥关键作用(图7A,C)。四种纤维素和果胶相关DMs,包括半乳糖酸、果胶、乙基纤维素和d -半乳糖(图7B)。硬度相关基因Cla97C09G163490和果胶代谢最相关,Cla97C04G070440和果胶代谢次相关(图7 )。

 

图片

图7 不同品系西瓜果肉硬度相关DEGs与DMs的相关性分析

 

研究结论

 

本研究对‘14-1’、‘W600’和F1杂交品系的果肉口感、颜色和品质的分子基础进行了研究,挖掘到与果实口感和颜色相关的差异基因,包括蔗糖合成基因以及类胡萝卜代谢基因等;与果肉质地相关的差异基因,包括纤维素和果胶代谢基因等。在物质代谢方面,鉴定到除了糖代谢之外,类胡萝卜素代谢途径的物质、葫芦素等也存在显著差异。这些与果肉形状相关的枢纽基因和代谢产物,可作为今后西瓜改良的潜在靶点。

 

文章链接

https://doi.org/10.1093/fqsafe/fyac015

 

 

Copyright © 2018 武汉贝纳科技有限公司 . All Rights Reserved. Designed by 鄂ICP备2021008976号-2技术支持:中网维优