《Agronomy》：Genome-Wide Characterization and Multi-Omics Integration Identify Candidate UDP-Glycosyltransferase Associated with Flavonoid Diversification During Pineapple Fruit Development
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UDP依赖性糖基转移酶（UGTs）是一个庞大且功能多样的酶家族，参与植物次生代谢物的修饰与多样化，包括与果实营养价值和品质性状相关的类黄酮。然而，在热带单子叶果树作物中，UGT家族的进化组织及其与类黄酮代谢的关联仍未得到充分表征。在此，研究人员对菠萝（Anan
UDP依赖性糖基转移酶（UGTs）是一个庞大且功能多样的酶家族，参与植物次生代谢物的修饰与多样化，包括与果实营养价值和品质性状相关的类黄酮。然而，在热带单子叶果树作物中，UGT家族的进化组织及其与类黄酮代谢的关联仍未得到充分表征。在此，研究人员对菠萝（Ananas comosus）中的UGT家族进行了全基因组表征，并整合转录组学和代谢组学信息，以优先筛选与类黄酮积累相关的AcUGT候选基因。共鉴定出68个AcUGT基因，并将其划分为16个系统发育支系。比较基因组学分析表明其与其他单子叶植物存在保守的共线性关系，而串联重复和片段重复在优势纯化选择下促进了AcUGT家族的扩张。结构分析揭示了参与UDP-糖识别的C端植物次生产物糖基转移酶（PSPG）基序的保守性，而N端序列的多样化则区分了不同的AcUGT成员。启动子分析鉴定了与激素、发育、环境及次生代谢响应相关的顺式调控元件。转录组与代谢组数据集的整合揭示了与发育阶段和品种相关的AcUGT表达模式，这些模式与类黄酮谱在统计学上显著关联。基于系统发育、发育或品种特异性及转录本-代谢物关联的候选基因优先排序，突出了AcUGT29、AcUGT02和AcUGT51作为未来功能研究的高优先级候选基因。该研究为探究UGT相关的类黄酮多样化以及指导菠萝后续功能研究和果实品质研究提供了基因组和代谢框架。
**论文解读**
**一、研究背景**
类黄酮是植物中最大且最多样化的次生代谢物群之一，在果实营养品质、抗氧化能力、着色及感官性状中发挥重要作用。UDP依赖性糖基转移酶（UGTs）通过将UDP-糖供体的糖基部分转移至受体分子，改变类黄酮衍生物的溶解度、稳定性、积累、运输和生物活性，是类黄酮结构多样化的关键修饰酶。尽管UGT家族已在拟南芥、水稻、小麦、苹果等物种中完成系统鉴定，但在菠萝（Ananas comosus）等具有重要经济价值的热带单子叶果树作物中，UGT家族的进化组织及其与类黄酮代谢的关联仍缺乏系统研究。菠萝是全球第三大热带水果，其果实富含类黄酮等生物活性物质，具有强抗氧化和抗炎活性，然而其类黄酮糖基化修饰的分子机制尚不清楚。因此，该研究旨在系统表征菠萝UGT家族，并通过整合转录组和代谢组数据优先筛选与果实发育过程中类黄酮多样化相关的候选AcUGT基因。
**二、主要技术方法**
研究人员利用HMMER和BLASTP对菠萝基因组进行UGT家族全基因组鉴定，以MUSCLE进行多序列比对，采用MEGA12最大似然法构建系统发育树，利用MEME分析保守基序，利用MCScanX鉴定基因复制事件，利用PlantCARE分析启动子顺式调控元件。样本来源包括：'Comte de Paris'品种F153基因组数据、MD-2品种果实发育转录组、BL与TN23品种成熟果实转录组和代谢组，以及A. comosus var. bracteatus红绿叶转录组和代谢组，通过Pearson相关分析和Holm-Bonferroni多重检验校正鉴定转录本-代谢物关联。
**三、研究结果**
**3.1 AcUGT基因的鉴定与特征分析**
通过全基因组分析共鉴定到68个含有保守PSPG基序的AcUGT基因。预测蛋白长度为225至2638个氨基酸，分子量为24.18至293.87 kDa，理论等电点为4.56至10.37，表现出显著的理化多样性。亚细胞定位预测显示大多数AcUGT定位于叶绿体和细胞质。
**3.2 AcUGT在单子叶植物中的进化多样化**
系统发育分析将68个AcUGT蛋白划分为16个支系，其中E组包含13个成员为最大支系，F、K、N组各仅含1个基因。与玉米和茶树相比，菠萝缺少P和R组，表明存在谱系特异的基因丢失或分化。
**3.3 保守基序与基因结构**
MEME分析鉴定出10个保守基序，其中基序2存在于几乎所有AcUGT蛋白中，PSPG基序均定位于C端，而N端序列变异可能决定底物特异性。外显子数量从1至25不等，但多数基因含2-3个外显子，同一系统发育组的基因通常具有相似的外显子-内含子结构，而AcUGT13含25个外显子的复杂结构较为特殊。
**3.4 染色体分布、基因复制与共线性**
68个AcUGT基因不均匀分布在17条染色体上，其中6号染色体含13个基因最为丰富。串联重复（尤其分布于6号、13号和17号染色体）和13对片段重复共同促进基因家族扩张。Ka/Ks分析表明大多数重复基因对处于纯化选择下，仅少数对显示较高分歧或近中性选择。跨物种共线性分析显示与单子叶植物的共线性基因对（76对）显著多于双子叶植物（32对），表明多数AcUGT在单子叶-双子叶分化后扩张。
**3.5 启动子顺式调控元件特征**
启动子分析鉴定出59种顺式元件，分为光响应（30种）、植物激素响应（11种）、生长发育相关（8种）、胁迫响应（7种）、类黄酮生物合成（1种）和MYB结合位点（2种）六类。光响应元件最为普遍，几乎所有AcUGT基因都含激素响应元件，还鉴定到一个与类黄酮生物合成相关的MBSI元件。
**3.6 功能注释与通路富集**
GO注释将AcUGT基因归入76个功能条目，生物过程类别条目最多。KEGG富集分析显示AcUGT基因显著富集于糖基转移酶活性、玉米素生物合成和花青素生物合成等8条代谢通路。
**3.7 AcUGT基因的时空表达模式**
RNA-seq分析揭示了AcUGT基因的时空特异性表达规律：D组成员在叶片和花中优先表达，H组7个基因在根中特异表达，表明该亚家族存在功能特化。果实发育过程中多数AcUGT在S1早期低表达，部分基因如AcUGT03、AcUGT60等在早期阶段达峰，而AcUGT01、AcUGT12、AcUGT25等21个基因在成熟期高表达，提示其参与成熟相关代谢过程。
**3.8 AcUGT表达与类黄酮代谢谱的关联**
在BL与TN23品种比较中，13个AcUGT基因差异表达，其中10个在TN23中上调。代谢分析表明30种检测到的类黄酮中23种在TN23中积累量更高，山柰酚糖苷衍生物在TN23中均显著富集。在A. comosus var. bracteatus叶片颜色转变相关分析中，27个AcUGT基因与类黄酮代谢物呈显著正相关，其中AcUGT29、AcUGT02和AcUGT51在花青素积累过程中表达高度诱导，被确定为高优先级候选基因。
**四、讨论总结**
讨论部分指出，菠萝UGT家族相对紧凑，与谱系特异的基因扩增和收缩有关，E组的优先保留可能反映其在类黄酮糖基化和激素缀合中的重要功能。转录组与代谢组的整合分析表明AcUGT表达与类黄酮积累存在统计关联，但这种关联不能确立直接的酶-底物关系，因为转录本丰度可能与蛋白丰度、酶活性、底物可用性等脱节。研究还指出数据集来自不同生物学和实验背景的局限性，未来需要通过重组蛋白活性检测、异源表达和遗传学方法进行功能验证。
**五、研究结论**
该研究首次对菠萝UDP-糖基转移酶（UGT）基因家族进行了系统化和全基因组水平的表征，揭示了由谱系特异性进化约束所塑造的紧凑但功能多样的基因库。尽管家族规模相对较小，AcUGT家族仍表现出保守的系统发育组织、由PSPG基序定义的保守催化框架以及复杂的顺式调控景观，凸显了其在植物次生代谢中的核心作用。通过整合系统基因组学、转录组学和代谢组学分析，研究人员证明AcUGT基因与不同组织和发育阶段的类黄酮糖基化和积累密切相关。这些发现确立了UGT介导的糖基化作为连接基因调控与代谢输出，并最终关联果实着色、风味和抗氧化能力等品质性状的关键调控层。该研究鉴定的与类黄酮代谢相关的候选AcUGT基因，为未来功能验证奠定了基础，并为旨在改良菠萝果实品质、营养价值和胁迫抗性的精准育种和代谢工程提供了有前景的分子靶标。
