整合多组学解析不同颜色大豆种子类黄酮代谢揭示花青素与异黄酮积累的候选调控网络

《Food Chemistry: Molecular Sciences》：Integrated multi-omics analysis of flavonoid metabolism in soybean seeds of different colours reveals candidate regulatory networks associated with anthocyanin and isoflavone accumulation

　　

摘要翻译：大豆（Glycine max）种子的颜色差异与类黄酮代谢的多样性密切相关。研究人员对不同颜色（黑色、绿色和黄色）大豆种质进行了广泛的靶向代谢组学和转录组学分析，发现这些种质表现出显著不同的花青素和异黄酮积累特征。通过DIABLO多组学整合方法，研究人员鉴定了20个与类黄酮积累相关的候选转录因子（TFs），并揭示了电子传递相关基因和2-酮戊二酸（2-oxoglutarate）与类黄酮分支代谢变异之间的关联。进一步的相关性网络分析表明，PHD指蛋白和SNF2染色质重塑因子可能作为类黄酮代谢差异的候选染色质调控因子。研究结果为理解大豆种子颜色差异的分子机制提供了新见解，并为大豆营养品质的分子育种改良提供了候选基因和调控网络。

论文解读：大豆（Glycine max）作为重要的经济作物，其种子颜色不仅是直观的品质性状，也反映了类黄酮代谢的潜在差异。花青素主要积累于种皮，而异黄酮主要存在于子叶中，不同颜色种子积累的生物活性化合物谱不同，影响营养品质、市场价值和消费者偏好。然而，不同颜色大豆种质间类黄酮积累差异的分子机制仍不清楚。类黄酮生物合成源自苯丙烷途径，经上游酶催化形成对香豆酰辅酶A，再由查尔酮合酶（CHS）和查尔酮还原酶（CHR）转化为查尔酮，经查尔酮异构酶（CHI）异构为黄烷酮，之后分支进入异黄酮或花青素合成途径。以往研究多假设基因表达水平与代谢物含量正相关，但实际中转录丰度不足以完全解释代谢物积累差异，底物前体供应、转录因子调控以及细胞色素P450单加氧酶（CYPs）的电子传递效率等因素均可能影响最终产物水平。研究人员选取黑色（B，桂春1607）、绿色（G，环江毛南族自治县地方种质ZGRS049）和黄色（Y，桂春15）三种大豆种质，于2024年在广西农业科学院明阳研究基地种植，R7期取样，每个种质设三个小区生物学重复。研究人员开展了广泛靶向代谢组学和转录组学分析，并整合多组学数据，探究基因表达与代谢物丰度之间的关联，以揭示种子颜色相关类黄酮积累的候选调控因子。

在代谢层面，黑色种子总蛋白、总花青素和总类黄酮含量均最高，绿色种子次之，黄色种子较低。代谢组学分析显示，差异积累代谢物（DAMs）主要富集于类黄酮生物合成途径。黑色种子富集原花青素、儿茶素和飞燕草素型花青素，黄色种子优先积累矢车菊素和天竺葵素衍生物，绿色种子则以大豆黄酮（daidzein）及其衍生物为主。转录组学分析发现，不同种质间的差异表达基因（DEGs）富集于不同的KEGG通路，黑色种子中与初级代谢（如丙酮酸代谢、氨基酸代谢）和昼夜节律相关的基因上调，而黄色和绿色种子中与核糖体、剪接体和植物激素信号转导相关的基因表达改变更为显著。在类黄酮合成基因中，黄色种子中CHS和CHI家族上游基因表达较高，黑色种子中下游基因DFR表达上调，而绿色种子呈现中间表达模式，并有一些基因如OMT5、IF7GT特异表达，表明基因表达趋势与代谢物相对丰度并不完全一致。通过DIABLO多组学整合分析，研究人员鉴定了20个候选转录因子，包括NAC、HSF、bHLH、AP2/ERF和MYB家族成员。相关性网络分析显示，NAC26、GARP-G2-like、HSF和AP2/ERF等转录因子与飞燕草素衍生物正相关，NF-YC与不同花青素代谢物呈现相反的相关模式。此外，PHD指蛋白和SNF2染色质重塑因子与ANR1、SOMT等下游基因正相关，与CHS负相关，提示染色质调控可能参与类黄酮代谢差异。RT-qPCR验证了部分基因的表达模式。研究表明，大豆种子颜色差异与类黄酮积累的差异并非由单一基因决定，而是涉及代谢通路基因、电子传递相关基因、转录因子和染色质调控因子的协同作用。代谢辅因子如NADPH和2-酮戊二酸与特定花青素分支的积累相关联。候选转录因子（如NAC、MYB、NF-YC家族成员）和染色质相关蛋白（PHD、SNF2）为未来功能验证和分子育种提供了靶标。这些发现阐明了种子颜色差异的分子基础，为通过分子育种改良大豆营养和功能品质提供了候选基因和调控网络。但所有调控因子目前仍为候选，需经直接验证后才能确定其调控作用。