整合转录组学和代谢组学分析揭示与中国南瓜无壳种皮表型相关的代谢重编程

《Scientia Horticulturae》：Integrated transcriptomic and metabolomic analyses of developing seed coats reveals metabolic reprogramming linked to the hull-less phenotype in Cucurbita moschata

　　

中国南瓜（Cucurbita moschata）种子因其营养和健康益处被全球尊为功能性食品。无壳基因型（hull-less genotypes）消除了机械脱壳的需要，具有实用和经济优势。然而，中国南瓜种皮发育的植物化学基础及遗传调控仍不明确。研究人员对两种中国南瓜基因型进行了比较：完全无壳型（RHLS-g）和部分无壳型（RHLS-m）。采用基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的代谢组学（metabolomics）和基于RNA测序（RNA-seq）的转录组学（transcriptomics），比较表征了这两种基因型种皮发育过程中代谢物和基因表达的动态变化。整合分析揭示，种皮发育涉及初级代谢（primary metabolism）和次级代谢（secondary metabolism）的显著改变。重要的是，研究人员鉴定出结构聚合物（structural polymers）的生物合成与可溶性代谢物（soluble metabolites）积累之间的代谢权衡（metabolic trade-off），该权衡决定了种皮表型。在无壳品系中，碳流（carbon flux）在特定发育阶段从苯丙烷衍生聚合物（如木质素（lignin）和纤维素（cellulose））转向可溶性糖（如葡萄糖（glucose）、蔗糖（sucrose）和糖磷酸酯（sugar phosphates））以及芥子酸（sinapic acid）衍生物。这种转变表现为苯丙烷（phenylpropanoid）、类黄酮（flavonoid）、纤维素和半纤维素（hemicellulose）途径中差异表达基因（DEGs）和差异积累代谢物（DAMs）的抑制，以及芥子酸衍生物积累增强和可溶性糖的阶段性增加。关键转录因子（TFs），包括NAC、MYB和WRKY，与这些途径中的DEGs表现出强相关性，提示中国南瓜种皮发育存在复杂的调控网络。总之，这些发现揭示了中国南瓜种皮发育的关键分子机制，增强了对植物种皮形成的理解，并为无壳品种的遗传育种和商业应用提供了基础。

**论文解读：中国南瓜无壳种皮发育的代谢重编程机制**

研究背景：中国南瓜（*Cucurbita moschata*）种子作为功能性食品富含营养，但硬质种皮增加了加工成本。无壳基因型（hull-less genotypes）可省去机械脱壳步骤，具有实用和经济优势。然而，无壳表型的植物化学基础及遗传调控机制尚不清晰。已有研究在种皮结构、木质素积累及关键基因表达方面取得进展，但缺乏系统层面整合基因表达与代谢的解析。为此，研究人员依托山西农业大学园艺学院，利用完全无壳（RHLS-g）和部分无壳（RHLS-m）基因型，开展了整合转录组学和代谢组学分析，以揭示种皮发育的分子基础。该研究发表在《Scientia Horticulturae》。

主要技术方法：研究采用基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的非靶向代谢组学（metabolomics）和基于RNA测序（RNA-seq）的转录组学（transcriptomics），对种子发育三个关键时期（15、20、30天开花后，DPA）的种皮组织进行分析。样本来源于山西农业大学的重组自交系（RIL）群体（F₈代，189个品系），每个基因型每个时间点设置三个生物学重复。主要技术包括：RNA提取、cDNA文库构建、HISAT2比对、StringTie组装、DESeq2差异表达分析；代谢物提取、UPLC-MS/MS检测、MetWare数据库注释；以及RT-qPCR验证、K-means聚类、加权基因共表达网络分析（WGCNA）等。

研究结果：

**3.1 种皮动态转录组变化**：通过RNA-seq比较RHLS-g和RHLS-m在15、20、30 DPA的基因表达，共获得144.11 G高质量数据。主成分分析（PCA）显示样本分为六组，基因型间差异表达基因（DEGs）数量在三个时间点分别为2,428、2,633和2,462个，其中共享11个DEGs，涉及细胞壁修饰、氧化还原稳态、生长素生物合成等过程。

**3.2 DEGs功能分析**：基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，DEGs显著富集于细胞壁组织、次生代谢、苯丙烷代谢、半纤维素和纤维素代谢等过程。KEGG通路中，淀粉和蔗糖代谢、黄酮类生物合成、次生代谢物生物合成等持续富集，提示碳流转向细胞壁多糖前体。

**3.3 代谢谱分析**：非靶向代谢组学共注释2,174种代谢物。差异积累代谢物（DAMs）在三个时间点分别为498、524和592个，且随发育进程增加。PCA同样分离六组。DAMs中氨基酸及衍生物（15.27%）、脂质（13.02%）、生物碱（12.19%）、酚酸（10.03%）占比最高。整合KEGG富集分析确认苯丙烷生物合成和次生代谢物生物合成在DEGs和DAMs中均显著共富集。

**3.4 代谢组与转录组共调控聚类**：K-means聚类将13,475个共调控基因和1,066个代谢物分为六类。重点关注Cluster 1（在RHLS-g中持续低表达，与苯丙烷、纤维素、半纤维素、果胶、淀粉蔗糖代谢正相关）和Cluster 6（在RHLS-g中高表达，与种皮发育负相关）。

**3.5 苯丙烷生物合成整合分析**：DEGs和DAMs主要富集于Cluster 1，在无壳基因型中表达和积累水平较低。关键DEGs（4CL、COMT、CAD）和DAMs（对香豆酸、对香豆醇、咖啡酸、松柏醇、松柏醛）持续下调，而芥子酸衍生物（4-O-葡萄糖基芥子酸酯、3-芥子酰基葡萄糖苷、1-O-芥子酰基-β-D-葡萄糖）显著积累，表明碳流从木质素转向芥子酸衍生物。

**3.6 细胞壁和碳水化合物代谢整合分析**：纤维素、半纤维素、果胶相关DEGs（CesA、GUX2、UXT1等）在RHLS-g中持续下调，而淀粉/蔗糖代谢相关DEGs（GapN、SSIV、GBE等）阶段性上调，可溶性糖（葡萄糖、蔗糖、糖磷酸酯）阶段性积累，支持碳流从结构聚合物转向可溶性糖。

**3.7 WGCNA识别关键基因模块**：共鉴定16个模块。粉色、黄色、蓝色模块与芥子酸衍生物强正相关（r=0.74~0.85，P<0.001）；棕色模块与木质素前体（对香豆酸）强负相关（r=-0.91，P=1.6×10^-7）；蓝绿色模块与木质素前体正相关、与丁香苷负相关。

**3.8 转录因子鉴定**：从Cluster 1中筛选出63个转录因子家族，与种皮发育途径基因进行Pearson相关分析，以r>0.80和FDR调整P<0.05为阈值，获得115对显著相关对，涉及32个TFs。进一步保留与至少3个途径基因强共表达的17个核心TFs，包括3个NAC、8个MYB、4个bHLH和2个WRKY。其中bHLH（CmoCh12G006370）、WRKY（CmoCh13G009630）和MYB（CmoCh09G005440）与多个途径基因显著相关，提示其作为候选调控因子。

**3.9 RT-qPCR验证**：对9个候选DEGs进行RT-qPCR，结果与RNA-seq表达模式一致，证实转录组数据可靠。

讨论与结论：研究发现，无壳表型并非由单一基因缺陷导致，而是涉及广泛的代谢重编程。碳流从木质素和纤维素等结构聚合物转向可溶性糖和芥子酸衍生物，这解释了种皮变薄（结构聚合物减少）和营养品质提升（生物活性物质积累）的双重表型。转录因子NAC、MYB、WRKY、bHLH等可能构成复杂调控网络，协调这一代谢权衡。值得注意的是，在完全无壳基因型中，CCR（CmoCh11G004330）表达上调，与*C. pepo*中的报道相反，提示种属特异性调控。研究结论总结如下：**研究人员揭示了中国南瓜种皮发育中一个关键代谢权衡的转录调控网络。无壳表型源于碳流从木质素和纤维素转向芥子酸衍生物，并在特定发育阶段转向可溶性糖积累，而非淀粉或果胶生物合成途径的普遍上调。这一发现将无壳结构表型与营养品质改善联系起来，为培育兼具加工效率和营养价值的品种提供了生化基础。尽管鉴定了候选基因和途径，仍需通过表达调控或突变体分析进行功能验证。**