欧洲山杨（Populus tremula）特化代谢物生物合成候选基因鉴定：多组学整合与基因共表达网络分析

本研究通过整合代谢组学（LC-MS）与转录组学（RNA-Seq）数据，构建了欧洲山杨多器官多基因型的多组学资源库（AspGen exAtlas），并利用基因共表达网络（WGCNA）和差异分析成功鉴定出参与水杨苷类酚苷（SPGs）生物合成的关键候选基因（如HXXXD型酰基转移酶和UDP-葡萄糖基转移酶），为植物特化代谢通路解析提供了数据支撑与方法学范式。

　　

1 引言

植物通过特化代谢（specialised metabolism）产生大量具有生态和药用价值的化合物，但其生物合成通路多数尚未解析。多组学整合分析已成为关联基因与代谢物的重要手段，但兼具代谢组与转录组数据的公共资源仍较为稀缺。欧洲山杨（Populus tremula）作为杨柳科代表物种，其特有的水杨苷类酚苷（Salicinoid Phenolic Glycosides, SPGs）是一类具有防御功能的苯丙烷类衍生物，但其生物合成基因多数未知。本研究通过构建多器官、多基因型的代谢组与转录组数据库（AspGen exAtlas），并结合基因共表达网络分析，旨在系统性挖掘SPGs生物合成的候选基因。

2 材料与方法

研究选用9个具有不同SPG化学型（chemotype）的瑞典山杨基因型，采集其茎尖、幼叶（YL）、扩展叶（EL）、成熟叶（ML）、树皮、腋芽和细根样本，分别进行LC-MS非靶向代谢组检测和RNA-Seq转录组测序。代谢组数据通过XCMS和RAMClustR进行峰检测与特征聚类，转录组数据通过Salvin和DESeq2进行定量与标准化。通过差异表达分析（DEGs/DAMs）、加权基因共表达网络分析（WGCNA）以及功能富集分析（GO），挖掘与SPGs积累模式相关的候选基因。

3 资源概览

所有原始数据已公开于欧洲核苷酸存档（ENA: PRJEB73507）和Figshare数据库，预处理与分析代码开源发布于GitHub。整合后的数据可通过PlantGenIE.org平台进行可视化探索，支持多维度数据挖掘与假设验证。

4 结果与讨论

4.1 器官与叶片发育阶段具有显著的转录组与代谢组差异

主成分分析（PCA）显示，样本按器官类型和叶片发育阶段显著聚类，且变异程度远大于基因型间差异。茎尖和幼叶中SPGs含量最高，与防御代谢的时空分布规律一致。差异表达分析发现，根和腋芽具有最多特异性表达基因，而光合组织（叶片）的代谢物与基因表达模式较为相似。GO富集分析进一步验证了样本类型的生物学特性，例如茎尖富集细胞周期与发育相关基因，而成熟叶则富集与逆境响应相关的功能。

4.2 多组学整合策略关联基因与代谢物

通过比较不同SPG化学型（高肉桂酰基型CN vs. 低乙酰基/肉桂酰基型AC?/CN?）的基因表达与代谢物积累，发现幼叶阶段差异最显著。共鉴定出81个在CN型中高丰度的代谢物，其中7个为已知SPGs（如肉桂酰水杨苷、HCH-肉桂酰水杨苷等），另有多达27个未知代谢物经MS/MS碎片分析推定为新型SPGs。转录组分析发现11个在所有叶片阶段均差异表达的基因，包括富含亮氨酸重复（LRR）和锚蛋白重复（ANK）结构域的基因，暗示其可能参与SPG调控与防御应答。

4.3 基因共表达网络揭示SPG相关模块

通过WGCNA分析，在茎尖网络中鉴定出与HCH-肉桂酰水杨苷显著相关的“salmon”模块，该模块显著富集细胞壁发育、苯丙烷代谢过程和多糖生物合成等GO条目。模块中包含多个苯丙烷通路关键基因，如苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羟化酶（C4H）、4-香豆酰辅酶A连接酶（4CL）以及O-甲基转移酶（OMTs）等。此外，还发现6个糖基转移酶、3个HXXXD型酰基转移酶和1个UDP-葡萄糖基转移酶，均为SPG修饰步骤的候选酶基因。

4.4 候选基因的功能推测与验证

其中表达量最高的差异基因Potra2n1c3102注释为UDP-N-乙酰葡糖胺转移酶（ALG14），可能与细胞壁多糖合成和代谢物糖基化相关。另两个HXXXD型酰基转移酶（Potra2n10c20569和Potra2n8c16912）和1个UDP-葡萄糖基转移酶（Potra2n15c28969）在幼叶中高表达且与CN型SPGs积累显著相关，被视为最具潜力的功能验证靶点。

4.5 PlantGenIE平台助力数据挖掘与功能推断

通过PlantGenIE.org的exImage和exHeatmap工具，可视化候选基因在不同器官和发育阶段的表达模式，发现Potra2n1c3102在茎尖和扩展木质部中高表达，暗示其可能参与生长-防御权衡（trade-off）。该基因与HCH-肉桂酰水杨苷的负相关性进一步支持了碳源分配于细胞壁建成或特化代谢的竞争假说。

5 结论

本研究通过整合多组学与基因共表达分析，成功构建了欧洲山杨SPG生物合成的候选基因筛选管道，并发现多个新型SPG化合物及关键修饰酶基因。数据资源已公开共享，为植物特化代谢研究提供重要支持。后续工作需通过体外酶活实验和基因敲除验证这些候选基因的功能。