《Agriculture》：Integrated Analysis of Metabolome and Transcriptome Provides New Insights into the Genetic Basis Underlying the Regulation of α-Linolenic Acid Biosynthesis in Perilla frutescens Seeds
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摘要翻译：
紫苏（*Perilla frutescens*）是一种重要的油料作物，富含α-亚麻酸（ALA），不同种质间的种子油品质差异显著。然而，ALA积累的基因型差异背后的分子和代谢机制仍不清楚。本研究以四个种子表型性状各异的紫苏品种为材料，考察了种子品质
摘要翻译：
紫苏（*Perilla frutescens*）是一种重要的油料作物，富含α-亚麻酸（ALA），不同种质间的种子油品质差异显著。然而，ALA积累的基因型差异背后的分子和代谢机制仍不清楚。本研究以四个种子表型性状各异的紫苏品种为材料，考察了种子品质、代谢组和转录组的差异。在种子颜色、千粒重和含油量方面观察到显著的基因型差异。QO8表现出最高的种子含油量，而QS5和QO10则表现出相对较低的油脂积累水平。代谢组分析显示，脂质代谢是紫苏种子中的主要代谢类别。多种差异积累代谢物（DAMs），包括ALA、硬脂酸、愈伤酸和10-OPDA，表现出基因型特异的积累模式。KEGG富集分析表明，α-亚麻酸代谢和不饱和脂肪酸生物合成是不同紫苏种质间差异最显著的途径。转录组分析鉴定出大量参与脂肪酸和ALA生物合成的差异表达基因（DEGs），如*FAD2*、*LOX*、*AOS*、*AOC*、*OPR*、*KAT*、*ECH*和*ACOX*。转录组与代谢组整合分析进一步证实，结构基因的差异表达改变了ALA及其下游茉莉酸途径的代谢通量，导致核心脂质中间体的差异积累。此外，WRKY和MYB转录因子被鉴定为正向或负向调控ALA代谢稳态的关键上游调控因子。本研究系统阐明了不同紫苏品种种子在表型、代谢和转录水平上的差异，并揭示了ALA生物合成的核心调控网络。这些发现为阐明紫苏种子高ALA积累的分子机制和品质改良提供了有价值的候选基因和理论基础。
论文解读：紫苏种子α-亚麻酸生物合成调控的遗传基础研究
**一、研究背景与科学问题**
α-亚麻酸（ALA）是人体必需的ω-3多不饱和脂肪酸（PUFA），在预防心血管疾病、促进神经系统发育和抗炎等方面发挥关键作用，并可在体内转化为二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）。紫苏（*Perilla frutescens*）作为一种药食同源的一年生唇形科植物，其种子油中ALA含量在某些品种中可高达60.9%，显著高于亚麻籽和油菜籽等传统油料作物，是天然ALA的重要来源。尽管ALA的生物合成途径已在多种植物中得到基本阐明，但紫苏不同种质间ALA积累差异的分子和代谢调控机制仍不明确。此前的相关研究主要集中于紫苏脂肪酸脱饱和酶（FAD）家族基因的克隆与功能验证，而对于ALA合成途径中上下游调控因子（包括关键酶和转录因子）的系统性研究仍较为缺乏。因此，亟需通过多组学整合策略系统解析紫苏种子ALA积累的遗传调控网络，为高ALA含量紫苏品种的分子设计育种提供理论基础。
**二、研究内容与总体目标**
本研究以四个种子表型性状存在显著差异的紫苏栽培品种（QO10、QO8、QO7和QS5）为材料，采用转录组与代谢组联合分析策略，系统考察了不同基因型紫苏种子在表型、代谢物积累和基因表达层面的差异。研究重点在于筛选与ALA合成显著相关的候选基因和调控模块，特别是WRKY和MYB转录因子家族，旨在揭示ALA生物合成的核心调控网络，克服单一组学技术的局限性，为油料作物ALA含量的遗传改良提供新靶点和理论依据。
**三、主要关键技术方法**
本研究采用了多项组学与分析技术。转录组测序使用Illumina NovaSeq平台完成，获得的数据经HISAT2比对到紫苏参考基因组，并用DESeq2筛选差异表达基因（DEGs）。代谢组分析采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-ESI-MS/MS）靶向代谢组学技术，结合主成分分析、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）等多元统计方法鉴定差异积累代谢物（DAMs）。此外，研究还整合了转录组和代谢组数据进行双向正交偏最小二乘（O2PLS）分析及Pearson相关性分析，构建基因-代谢物共表达调控网络，并通过实时荧光定量PCR（RT-qPCR）对转录组数据进行验证。四个品种的种子均采集自韶关大学实验田。
**四、研究结果**
**（1）四种紫苏品种种子的表型与品质特征**：研究人员观察到四个紫苏品种的种皮颜色存在明显差异。色度学参数测定显示，QO品种种子具有低亮度、高红色度和低黄色度的特征，而QS5则表现出高亮度、低红色度和高黄色度。千粒重和含油量测定结果表明，QO8种子的千粒重处于较高水平，且含油量最高（约50.3%），显著高于其他品种；QS5的千粒重最低，QO10的含油量最低。这些结果说明不同紫苏种质的种子表型性状和油脂积累能力主要由遗传背景决定，QO8可作为研究高油和高ALA积累分子机制的优良材料。
**（2）紫苏种子代谢组的比较分析**：主成分分析显示四个品种的代谢组数据具有良好的重复性，样本间显著分离。代谢物分类表明，脂质是紫苏种子中最主要的代谢物类别，其次为酮类、醛类、酯类和萜类化合物。三个比较组（QO10 vs. QO8、QO8 vs. QO7、QO7 vs. QS5）共鉴定出大量DAMs，其中803个DAMs为三组共有。K均值聚类分析将DAMs分为四个亚类，每个品种表现出特异的代谢物积累模式。KEGG富集分析显示，α-亚麻酸代谢和不饱和脂肪酸生物合成途径在QO10 vs. QO8及QO7 vs. QS5比较组中显著富集，表明脂质代谢相关途径是区分不同紫苏种质的关键代谢差异通路。
**（3）紫苏种子转录组的比较分析**：转录组主成分分析显示四个品种的转录组数据具有良好的生物学重复性，品种间存在广泛的转录重编程。三个比较组共鉴定出大量DEGs，QO7 vs. QS5比较组中DEGs数量最多（6008个上调、5141个下调）。KEGG富集分析显示，脂肪酸代谢（ko01212）和α-亚麻酸代谢（ko00592）是显著富集的脂质相关通路。研究人员还鉴定出一系列参与ALA代谢的关键候选基因，包括*FAD2*、*LACS*、*EAR*、*OPR*、*AOS*、*AOC*、*CYP704C1*、*CYP74A1*、*KAR*以及一个MYB转录因子，这些基因在不同品种间表现出明显的表达差异。
**（4）ALA合成相关转录因子的鉴定**：研究人员通过PlantTFDB数据库系统鉴定了差异表达的转录因子。维恩图分析显示，三个比较组中共同鉴定出9个差异表达WRKY基因和17个共有差异表达MYB基因，QO7 vs. QS5比较组还检测到46个品种特异的差异表达MYB基因。相关性分析表明，大多数WRKY转录因子与硬脂酸、10-OPDA和愈伤酸呈正相关，而多数MYB家族成员与硬脂酸和愈伤酸呈负相关，提示这两类转录因子可能在调控ALA衍生代谢物的差异积累中发挥重要的上游调控作用。
**（5）整合分析揭示ALA代谢网络**：通过转录组和代谢组的O2PLS和相关性整合分析，研究人员鉴定出60个与ALA、愈伤酸和10-OPDA高度相关的DEGs，其中16个DEGs可直接映射到ALA生物合成途径，包括2个*AOS*、2个*LOX*、2个*AOC*、2个*KAT*、1个*OPR*、1个*NADH*、1个*ECH*和1个*ACOX*。基于此，研究人员构建了从硬脂酸到ALA再到茉莉酸（JA）的完整代谢通路图，明确了FAD2催化的连续脱饱和反应以及LOX、AOS、AOC、OPR、KAT、ECH等酶在ALA下游代谢中的功能，表明结构基因的差异表达调控了ALA及其下游产物的代谢通量。
**（6）RT-qPCR验证**：随机选取10个候选基因进行RT-qPCR验证，表达趋势与RNA-seq的FPKM值高度一致，证实了转录组测序数据的可靠性和后续分析的可信度。
**五、讨论与结论**
讨论部分主要围绕三个核心议题展开。第一，种子表型分化与油用紫苏筛选。研究表明种子颜色、千粒重等可视表型指标可作为筛选优良油用紫苏种质的辅助依据。第二，结构基因对ALA代谢流来源与去向的调控。FAD家族基因（特别是*FAD2*和*FAD3*）在ALA合成中起决定性作用，而*KAT*、*NADH*、*ECH*、*ACOX*等基因的表达可能影响ALA的最终含量，*AOS*、*AOC*、*CYP74A*和*OPR*则决定ALA向JA转化的通量。第三，WRKY和MYB转录因子的潜在调控作用。鉴于ALA是JA合成的前体，而WRKY和MYB均深度参与JA信号通路，这两类转录因子可能通过直接调控ALA生物合成关键基因来影响JA的初级供应，但直接的分子证据仍待补充。
研究结论指出，四个紫苏品种在种子颜色、千粒重和含油量上存在显著基因型差异，其中QO8表现出优良的种子油脂积累特性。代谢组和转录组分析共同揭示脂质代谢特别是ALA代谢是主导紫苏种子代谢差异的核心途径，大量参与不饱和脂肪酸和JA生物合成的DAMs和DEGs（包括*FAD2*、*LOX*、*AOS*、*AOC*、*OPR*、*KAT*、*ECH*和*ACOX*）呈现基因型特异性的积累和表达模式。WRKY和MYB转录因子通过与核心脂质代谢物的正负调控关系，作为关键上游调控因子维持ALA代谢稳态。该研究系统阐明了紫苏种子品质的基因型变异及ALA代谢的候选基因，为高ALA紫苏品种的分子育种和油品质改良提供了宝贵的基因资源和理论基础。
