基于加权基因共表达网络分析筛选高粱酚类物质、挥发性成分及种皮色泽调控枢纽基因的研究

本研究针对高粱种皮颜色与酚类化合物(PCC)及挥发性有机物(VOCs)的关联机制不明问题，通过RNA-seq和WGCNA技术，首次揭示黑色种皮高粱总单宁含量(TTC)和酮类物质分别达白色种的4.87倍和1.35倍，鉴定出ABCB28、PTCD1等枢纽基因，为高粱功能食品开发提供分子靶点。

　　

高粱作为重要的粮食与工业原料，其种皮颜色差异背后隐藏着巨大的健康价值密码。深色种皮往往富含具有抗癌、抗氧化活性的酚类物质(PCC)，而挥发性有机物(VOCs)则直接影响发酵工艺和风味品质。但长期以来，颜色与代谢物含量的量化关系不清，调控基因网络更是未知领域。韩国原子能研究所Ye-Jin Lee团队联合多家机构，在《BMC Plant Biology》发表的研究，首次通过多组学联用破解了这一谜题。

研究采用RNA-seq(转录组测序)和WGCNA(加权基因共表达网络分析)技术，对γ射线诱变获得的白色(S1)、红色(S2)、棕色(S3)、黑色(S4)四种高粱突变体进行分析。通过GC-MS(气相色谱-质谱)测定VOCs，结合Lab色度空间量化种皮颜色，构建了表型-基因关联网络。

代谢物与种皮颜色分析
黑色种皮TTC高达457.7 mg CE g^-1，是白色种的4.87倍；酮类含量达96 g 100 g^-1，与亮度值L呈负相关(r=-0.814)。红色种皮总黄酮(TFC)与红绿值a显著正相关(r=0.829)，揭示颜色深度可预测代谢物含量。

转录组测序数据
鉴定出3,008个差异表达基因(DEGs)，其中1,422个上调基因富集于ABC转运蛋白活性(GO:0015434)，1,586个下调基因与磷脂代谢相关(GO:0034594)。

关键模块挖掘
WGCNA锁定两个核心模块：与TTC/酮类相关的magenta2模块含枢纽基因ABCB28(接近度中心性0.774)，该基因编码的转运蛋白可能促进液泡单宁积累；与TFC相关的blue模块中，线粒体RNA处理基因PTCD1和应激响应基因ANK表达量在红色种皮中分别上调2.03倍和5.06倍。

这项研究不仅建立了高粱"颜色-代谢物-基因"三位一体的调控图谱，更发现ABCB28等枢纽基因可作为分子标记，指导培育高营养价值品种。例如，过表达ABCB28可能提升抗氧化物质含量，而PTCD1的调控可能通过影响线粒体能量供应间接增强苯丙烷代谢通路。这些发现为高粱在功能食品和生物制药领域的应用开辟了新途径。