玛考巴棕榈的转录组图谱揭示了器官特异性的基因表达及与压力相关的信号通路

《Genetics in Medicine》：A transcriptomic atlas of macaúba palm reveals organ-specific gene expression and stress-related pathways

毛鲁巴棕榈多器官转录组分析揭示其抗旱机制及共生真菌互作规律，首次构建包含根、茎、叶、花、果等7个器官的22,703个转录本参考数据库，发现55个特有的基因家族，鉴定出112个与干旱胁迫相关的基因家族，并揭示根际共生真菌在植物适应性中的关键作用。

　　这项研究围绕一种名为“macauba棕榈”（*Acrocomia aculeata*）的植物展开，该植物是近年来在生物柴油生产、食品和化妆品行业中备受关注的油料作物。作为原产于新热带地区的物种，macauba棕榈正处于驯化初期，广泛分布于多种生态环境和土壤气候条件下。然而，由于缺乏公开的基因组数据，它被视为非模式植物，这使得其基因组研究受到一定限制。本文通过构建一个全面的转录组图谱，为深入理解macauba棕榈的生物学特性、基因表达模式以及其对环境胁迫的响应机制提供了重要的数据基础。

研究团队收集了来自七种不同器官（根、鳞茎、雄花、雌花、叶片、叶鞘和果实）的转录组数据，并成功组装出包含22,703条转录本的参考数据集。其中，有9,729条转录本（约占42.85%）通过KEGG通路注释得到了功能信息。通过对这些数据的分析，研究人员发现了与不同器官相关的特异性转录本，例如在叶片中发现了306条、叶鞘中32条、鳞茎中41条、雄花中67条、雌花中92条、果实中1,586条以及根中916条特异性转录本。这些结果揭示了macauba棕榈在不同组织中可能存在的功能差异，并为理解其生长发育的分子机制提供了线索。

此外，研究团队还进行了与油棕（*Elaeis guineensis*）和枣椰（*Phoenix dactylifera*）的基因组比较，发现了55个在macauba棕榈中特有的基因家族。这些基因家族可能在macauba棕榈的适应性和独特性方面发挥了重要作用。同时，通过功能注释，研究人员还鉴定了221条与干旱胁迫相关的转录本，并将其归类为112个基因家族。这些基因家族可能在帮助植物应对水分短缺环境方面具有关键作用。值得注意的是，根部样本中还检测到了7,091条真菌转录本，约占所有测序数据的3.9%，其中大多数来自丛枝菌根真菌（AMF）Rhizophagus属。这一发现表明，AMF可能在macauba棕榈的生长和发育过程中扮演了重要角色，为探索其与共生微生物的相互作用提供了新的视角。

在分子层面，macauba棕榈的高油产量使其成为一种具有双重用途的油料作物。其果肉油富含油酸，具有良好的氧化稳定性，适合用于食品、生物柴油以及可持续航空燃料（SAF）的生产。一些本地种植的macauba棕榈可达到每公顷每年生产5,000公斤油的水平，这与油棕的产量相当。油棕的基因组研究已经揭示了其脂质合成机制和调控网络，而目前关于macauba果肉油的研究仍较为有限。然而，macauba果肉油中油酸的比例甚至高于油棕，进一步证明了其作为可持续生物燃料原料的潜力。

macauba棕榈在形态和生理上表现出显著的适应性，能够应对多种环境条件，包括不规律的降水。这些适应性包括专门化的根系结构、光合作用的调整、快速恢复能力以及储存物质的积累，以支持幼苗的生长。根系在植物生长和发育过程中扮演着至关重要的角色，尤其是在应对非生物和生物胁迫时，根系直接与土壤相互作用，并展现出发育的可塑性。这种适应性使植物能够有效应对不同的环境条件和生境，特别是在水资源匮乏的情况下。在macauba棕榈中，根系最初集中在幼苗的块茎区域，随着植物成熟，根系会均匀分布，有效根深也会随着年龄增长而增加，与冠部投影面积相匹配。

通过构建和注释转录组数据，研究人员能够更深入地探讨macauba棕榈对不同环境的适应机制。对于没有参考基因组的植物，从头组装的转录组分析是一种特别有用的方法，已被广泛应用于研究各种棕榈物种。例如，在油棕中，转录组数据帮助科学家揭示了植物与病原体的相互作用、水淹响应以及发育过程中油储存组织的脂质合成机制。而在枣椰中，一项全面的转录组研究则发现了与特定器官相关的基因家族。相比之下，关于macauba棕榈的基因组资源仍较为有限，之前的研究主要集中在种群遗传学和分子标记方面，近年来才开始出现全基因组关联研究，用于识别与营养生长和油产量相关基因区域。此外，Díaz-Hernández等人（2023）通过分析其自然授粉后代的交配系统和遗传多样性，评估了该物种的遗传脆弱性，为理解其繁殖策略和遗传多样性提供了重要信息。

本研究是目前首次对macauba棕榈进行全面的转录组图谱构建，涵盖来自七种器官的22,703条转录本。该数据集不仅使研究人员能够识别器官特异性转录本，还支持对关键生物过程的表达模式分析。此外，研究团队还对基因家族进行了比较分析，重点关注那些在macauba棕榈中相对于油棕、枣椰、水稻和香蕉等物种的基因组有所扩展的基因家族。这一比较分析有助于揭示macauba棕榈在进化过程中的独特基因特征，并为其未来的研究提供新的方向。

在实验方法上，研究团队利用了Bazzo等人（2018）之前生成的转录组数据，这些数据存储在NCBI的BioProject PRJNA489676中。然而，Bazzo等人的研究仅使用该数据集用于开发基于微卫星的分子标记，以评估macauba棕榈的遗传多样性。在本研究中，团队对原始的RNA-Seq数据进行了全面的重新分析，以构建一个更完整的转录组图谱，并进行功能注释。这一过程涉及对多个器官的转录组进行测序，包括根、鳞茎、雄花、雌花、叶片、叶鞘和果实，平均每个器官的测序数据量为27百万条读段。在去除低质量数据和rRNA读段后，研究人员保留了522百万条高质量读段（占92.08%），用于从头组装。最终生成的34,293条转录本具有较高的N50值（1,483 bp），长度范围从297 bp到8,698 bp（详见补充文件1）。这些数据为后续的基因组研究和功能分析提供了坚实的基础。

在讨论部分，研究团队指出，macauba棕榈的形态和结构适应性与其生化和分子变化密切相关，这些变化使得该物种能够在多种环境中生存。构建的转录组图谱为深入研究该物种的进化生物学、基因型-表型关联以及分子机制提供了重要的资源。通过对多种器官的广泛转录组特征分析和转录本注释，研究人员能够更全面地理解其在不同环境条件下的基因表达模式和功能差异。同时，发现的与干旱胁迫相关的基因家族可能在帮助该植物在干旱条件下维持生长和发育方面发挥了重要作用。

此外，研究团队还强调了与共生微生物（如AMF）相关的基因表达对macauba棕榈生长和发育的潜在影响。这一发现不仅揭示了该植物与微生物之间的相互作用，还可能为未来的农业应用提供新的思路。例如，通过优化与AMF的共生关系，可以提高植物的抗旱能力和营养吸收效率，从而增强其在不同环境中的适应性。

在作者贡献方面，Lucas Miguel de Carvalho负责撰写初稿、验证数据、方法设计、研究实施和数据管理；Bárbara Regina Bazzo负责撰写初稿、方法设计、研究实施、正式分析和概念设计；Camila Carlos-Shanley负责撰写初稿和数据管理；Carlos Augusto Colombo负责撰写初稿、监督研究、提供资源、项目管理以及概念设计；Gon?alo Amarante Guimar?es Pereira则负责撰写初稿、监督研究和项目管理。这些贡献表明，研究团队在数据采集、分析和解释方面都发挥了重要作用，为研究的顺利进行提供了支持。

在研究过程中，作者们使用了ChatGPT等生成式人工智能工具，以协助英文语法的修正。然而，他们强调在使用这些工具后，对内容进行了全面的审查和编辑，确保最终发表的文章内容准确无误，并对研究结果负全部责任。这一声明表明，尽管AI工具在语言优化方面提供了帮助，但研究的核心内容和科学结论仍由作者团队独立完成。

本研究的资金来源包括巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）的多个资助项目，分别支持不同研究人员的工作，如B.R.B获得的#2014/07265-2号资助、C.A.C获得的#2014/23591-7号资助、L.M.C获得的#2019/12914-3号资助，以及一个由FAPESP资助的计算工程与科学中心（CEPID）项目（编号#2013/08293-7）。此外，国家科学与技术发展委员会（CNPq）也提供了支持（编号#458045/2014-4）。这些资金支持确保了研究团队能够获得必要的资源和设备，特别是在高通量计算方面，这对处理大量转录组数据至关重要。

在研究过程中，作者们还提到一些未被引用的参考文献，如Goodstein等人（2011）和Haas（n.d.）的工作，这些文献可能为研究提供了背景信息或方法上的参考。然而，由于这些文献未在文中引用，因此无法直接引用其研究成果。尽管如此，这些文献的存在表明，研究团队在进行转录组分析时参考了相关的科学文献，以确保研究方法的科学性和数据的准确性。

最后，研究团队声明他们没有已知的与该研究相关的竞争性利益或个人关系，这表明研究的独立性和客观性得到了保障。同时，研究团队对提供资金支持和高通量计算资源的机构表达了诚挚的感谢，包括计算工程与科学中心（CCES）、Acelen Renováveis公司及其与圣保罗大学（UNICAMP）之间的科学合作项目，以及圣保罗农业研究所。这些合作和资源支持为研究的顺利进行提供了重要保障，使研究人员能够更高效地处理和分析大规模的转录组数据。

综上所述，这项研究不仅为macauba棕榈的基因组研究提供了重要的数据资源，还揭示了该植物在应对环境胁迫和共生微生物相互作用方面的潜在机制。这些发现对于未来的研究具有重要意义，尤其是在探索该植物的适应性、遗传多样性以及其在农业和生物能源领域的应用潜力方面。同时，研究团队在数据采集、分析和解释方面的共同努力，确保了研究结果的科学性和可靠性，为相关领域的进一步发展奠定了基础。