基于多组学技术的甘蔗自然叶片脱落的分子机制分析及ABA信号通路中关键基因的挖掘

《Scientific Reports》：Molecular mechanism analysis of natural leaf abscission in sugarcane based on multi-omics and mining of key genes in ABA pathway

　　

摘要

甘蔗叶片脱落不良会显著增加收获成本并限制机械化作业的效率，但其分子机制目前仍知之甚少。在本研究中，我们对三种具有不同落叶表型的甘蔗品种（GT47、LZ02-169和ROC22）进行了激素靶向的代谢组学和转录组学分析。共鉴定出37种差异积累的代谢物和3109个差异表达基因（DEGs）。综合分析显示，与植物激素相关的途径发生了广泛的重编程，尤其是生长素、茉莉酸、脱落酸（ABA）、水杨酸、赤霉素和细胞分裂素相关的途径。值得注意的是，LZ02-169与GT47之间的比较显示激素相关DEGs富集程度更高，表明表型差异背后存在动态的激素调控。在ABA生物合成方面，两种关键基因——玉米黄质加氧酶（ZEP）和β-胡萝卜素羟化酶（BCH）在易落叶的品种中始终表现出上调趋势。代谢组学数据进一步证实了ABA前体（包括玉米黄质）的积累增加，这表明类胡萝卜素衍生的ABA生物合成途径被激活。相关性分析表明ZEP/BCH的表达与ABA积累之间存在强烈关联。重要的是，ZEP和BCH的上调与叶片脱落区域的ABA积累增加相关，暗示该类胡萝卜素衍生途径可能参与自然落叶过程中的细胞分离。这种协调的转录-代谢调控表明ABA可能是甘蔗自然叶片脱落的关键因素。总体而言，本研究提供了一个多组学关联框架，将类胡萝卜素代谢与激素信号传导联系起来，并确定ZEP和BCH作为提高甘蔗收获效率的有希望的靶点。