科研│J AGR FOOD CHEM：代谢组学和转录组学分析显示蓝光促进草莓中绿原酸的合成（国人佳作）
编译：微科盟 伊一，编辑：微科盟景行、江舜尧。
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发光二极管已经广泛应用于工厂和农业设施。可以根据不同植物的光质量和强度要求设计不同的发光二极管，从而调节植物的生长发育以及代谢过程。蓝光和红光对草莓果实花青素代谢有显著影响，但对其他代谢物的影响尚不清楚。本文采用代谢组学和转录组学相结合的方法，研究了蓝光和红光对草莓代谢和基因表达的影响。共分离并鉴定了33个差异表达代谢物（DEMs）和501个差异表达基因（DEGs）。在这些DEMs中，与红光相比，蓝光上调了绿原酸的合成。DEMs和DEGs的共表达网络分析表明，绿原酸合成途径中的主要基因羟基肉桂酰辅酶a:莽草酸羟基肉桂酰转移酶(FvHCT)的表达是由蓝光诱导的。基于多组学的方法，本研究结果表明，不同的发光二极管灯对草莓果实有不同影响，蓝光能够共同上调绿原酸的合成和FvHCT基因的表达。
论文ID
原名：Metabolomic and Transcriptomic Analyses Reveal that Blue Light Promotes Chlorogenic Acid Synthesis in Strawberry
译名：代谢组学和转录组学分析显示蓝光促进草莓中绿原酸的合成
期刊：Journal of Agricultural and Food Chemistry
IF：4.192
发表时间：2020年10月
通讯作者：赵密珍
通讯作者单位：江苏省园艺作物遗传改良重点实验室
DOI号：10.1021/acs.jafc.0c05020
实验设计
结果
1 代谢图谱
为了研究不同光照对草莓果实代谢的影响，研究者利用广靶代谢组学研究了白光、红光和蓝光条件下代谢物的变化(图1A)。主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)显示R15、B15和W15明显分离(支持信息图1)。通过比较不同光照处理下的变化，共鉴定出407种代谢产物。在这些代谢物中，分别以正离子和负离子模式检测到332和75种代谢物(图1B，支持信息表1)。在正离子模式下，代谢物被映射到24个途径。此外，在负离子模式下，代谢物被映射到30个途径(图1C，D)。
图1.草莓代谢物的统计分析和KEGG分类。(A)不同光照处理下的草莓果实。(B)在正离子（POS）和负离子（ NEG）模式下检测到的代谢物数量。(B)正离子模式下代谢物的KEGG途径分析。(D)负离子模式下代谢物的KEGG途径分析。在(A)中Bar = 1 cm 。B1，表蓝光处理后15天；R15，表红光处理后15天；W15，表白光处理后15天。
2 差异代谢物的途径富集分析
在蓝光与红光的对比中，在蓝光处理下，15种代谢物显著增加(正离子模式下13种，负离子模式下2种)，18种代谢物减少(正离子模式下12种，负离子模式下6种)(图2A，B)。通过KEGG分析，研究者确定这些DEMs参与了许多信号通路，并且酚类物质和黄酮类化合物在正离子和负离子模式中都得到了富集(图2C，D)。在白光与红光的对比中，发现了31种具有显著差异的代谢物(正离子和负离子模式下分别为24种和7种)(支持信息图2)。这些代谢物被绘制成多种代谢途径，包括黄酮和莽草酸(支持信息图2)。在白光与蓝光的比较中，发现了31种具有显著差异的代谢物(分别在正离子和负离子模式下为27种和4种)(支持信息图3)，这些代谢物涉及信号传导途径(即mTOR和AMPK)、蛋白质代谢途径、黄酮和黄酮醇生物合成途径(支持信息图3)。结果表明，蓝光和红光对草莓果实中酚类物质和黄酮类物质的代谢有很大影响。
3 蓝光促进绿原酸的合成
蓝光和红光是植物光合作用的主要光源，它们也通过复杂的光信号通路调节许多物质的代谢。为了进一步探讨蓝光和红光对草莓果实代谢的影响，研究者对代谢数据进行了深入分析。如图3所示，作者发现红光促进了矢车菊素、山奈酚和花旗松素的合成，表明红光可以促进花青素相关物质的合成和代谢。此外，发现蓝光促进CGA合成(图3)。如上所述，CGA对人类具有重要的药用价值。它在植物抗病方面也发挥一定的作用。因此，研究蓝光对CGA代谢的影响很重要。研究者使用高效液相色谱法来验证代谢数据，结果与代谢数据一致。蓝光处理草莓果实中CGA含量高于红光处理(图4A)。此外，使用草莓叶作为同一光处理实验的主题材料。蓝光处理组的叶片中CGA含量高于红光处理组(图4B)，这些结果表明蓝光可以促进草莓不同器官的CGA合成。
4 差异表达基因和代谢产物的转录组分析和共表达网络分析
为了研究蓝光促进CGA合成的分子机制，研究者利用RNA-seq分析了蓝光和红光条件下草莓果实的基因表达模式。RNA-seq显示291个基因在蓝光处理期间上调，KEGG分析显示前两条富集途径为“谷胱甘肽代谢”和“类苯丙酸生物合成”(图5A，支持信息图4和表2)。此外，210个基因被下调，最大数量的基因参与“植物激素信号转导”(图5B，支持信息图4和表2)。
为了进一步研究蓝光促进绿原酸合成的机制，研究进行了DEGs和DEMs的共表达网络分析(皮尔逊相关系数> 0.9或< 0.9，P value< 0.01)(图5C，支持信息图5)。还进行了KEGG途径相关性分析。在KEGG map00940(图5D)中，鉴定到一个DEM(绿原酸；咖啡酰奎宁酸)和四种不同变化的酶。酶EC:1.1.1.195(肉桂醇脱氢酶)和EC:1.11.1.7(过氧化物酶)催化参与木质素生物合成的反应。 EC:1.2.1.68(松柏醛脱氢酶)催化阿魏酸和芥子酸的生物合成。此外，酶EC:2.3.1.133(莽草酸邻羟基肉桂酰转移酶)催化咖啡酰奎宁酸生物合成的关键步骤。在这些上调的酶中，酶EC:2.3.1.133(莽草酸羟肉桂酰基转移酶)与绿原酸的代谢关系最为密切。研究表明酶EC:2.3.1.133(莽草酸O-羟基肉桂酰基转移酶，HCT)在绿原酸代谢中起关键作用。此外，研究者比对了拟南芥、番茄、桃、水稻、玉米、杨树和咖啡中HCT蛋白同源物的序列(支持信息表3)，并使用该比对分析了该蛋白的进化和结构域组成。进化分析表明FvHCT (FvH4_6g28410)和PpHCT密切相关，而蛋白质结构域分析显示不同物种的HCT蛋白具有相似的蛋白质结构域(支持信息图6)。这些数据表明HCT在不同物种中的功能是高度保守的。
图4.蓝光和红光处理对草莓果实和叶片中绿原酸(CGA)含量的影响。（A）水果中CGA含量的变化。(B)叶片中CGA含量的变化。误差线代表三个生物重复的s.e.m .值。*P< 0.05和**P< 0.01使用双尾学生测验。B15，蓝光处理后15天；R15，红光处理后15天。
5 蓝光诱导FvHCT表达
CGA(咖啡酰奎宁酸)是一种酚酸化合物，由咖啡酸和奎宁酸缩合而成(图6A，支持信息表4)。转录组分析显示，CGA途径中的关键酶HCT的表达是由蓝光诱导的。为了验证RNA-seq结果，研究者使用定量PCR来验证RNA-seq的结果。定量聚合酶链反应显示，蓝光处理期间草莓果实中FvHCT的表达高于红光处理期间(图6B)。此外，还分析了蓝光和红光处理对草莓叶片中FvHCT表达的影响。同样，叶片中FvHCT的表达水平是由蓝光诱导的(图6C)。这些结果表明蓝光可以诱导FvHCT在草莓不同器官中的表达。
图6.蓝光和红光对草莓FvHCT表达的影响。(A)绿原酸(CGA；咖啡酰奎宁酸)生物合成途径示意图 和基于热图表示的RNA-序列数据的表达。(B)蓝光和红光对果实中HCT表达的影响。(B)蓝光和红光对叶中HCT表达的影响。误差线代表三个生物重复的s.e.m .值。*使用双尾T测验，P < 0.05。对于qRT-PCR，每个生物复制用三个技术复制进行。B15，蓝光处理后15天；R15，红光处理后15天。
讨论
蓝光和红光是植物光合作用中使用的主要光波长，作为重要的环境因素，它们调节许多生物过程。蓝光和红光对植物次生代谢物有影响，特别是花青素、有机酸和草莓中的其他物质。然而，研究者对光质量在草莓代谢中的作用的了解仍然有限。多组学综合分析有助于揭示潜在的分子机制。在蓝光和红光处理组中共分离出33个DEMs(图3)。这些DEMs定位于13个KEGG途径，包括类苯丙酸生物合成，“次生代谢物生物合成”和“类黄酮生物合成”。此外，还确定了501个DEG(图5)。这些DEGs图谱的KEGG途径包括谷胱甘肽代谢、类苯丙酸生物合成、植物激素信号转导、“淀粉和蔗糖代谢”和“氮代谢”。苯丙素生物合成途径在脱乙酰谷氨酰胺和脱乙酰谷氨酰胺中被分离和鉴定。
本研究发现，红光促进了草莓中许多花青素代谢相关物质的产生。蓝光处理的草莓中CGA和精氨酸含量高于红光处理的草莓。CGA是一种重要的抗氧化剂，对人体健康和植物抗病有作用。植物的CGA代谢受环境因素的调节。外部蓝光处理增加了苦荞的CGA含量。这里，接受蓝光处理草莓果实和叶片中的CGA含量高于接受红光时的含量，表明蓝光可以促进草莓中CGA合成。综上所述，以前的研究结果结合本研究发现表明，蓝光对绿原酸合成的促进作用广泛存在于不同的植物物种中。
CGA的合成和代谢是复杂的过程，对番茄、马铃薯和许多其他植物的研究表明，HCT在绿原酸的合成过程中起着重要作用。在本研究中，转录组和定量逆转录聚合酶链反应显示，在蓝光暴露期间，羟脯氨酸的表达，特别是在叶片中，高于红光暴露期间。这些研究表明，HCT似乎在蓝光诱导的CGA合成中起着关键作用。综上所述，结合转录数据的代谢数据结果表明，蓝光可以调节与绿原酸代谢相关的DEMs和DEGs的共表达。
蓝光和红光通过光信号通路调节基因表达。蓝光信号通路下游的转录因子可能在这一过程中发挥重要作用。在杨树中，羟基肉桂酰辅酶a:莽草酸羟基肉桂酰转移酶2 (PtHCT2)被鉴定为编码与CGA生物合成相关的酶的基因，并且它由防御反应性WRKY调节。在本研究转录组数据中，研究者发现FvWRKY33 (FvH4_6g10510)的转录水平是由蓝光诱导的。此外，FvHCT启动子中存在典型的WRKY家族转录因子结合位点。这些结果表明，HCT在草莓中的表达受WRKY家族转录因子的调控，有待进一步研究。
发光二极管用于农业园艺设施和工厂的高效节能灯。LED灯的光质和强度可以定制，可以为不同的植物设计单独的光源来调节生长和代谢。例如，芥蓝芽是用三种发光二极管光处理生长的:白色(440-660纳米)、红色(660纳米)和蓝色(470纳米)。白光下维生素C含量最大，蓝光下总酚和花青素含量最大，抗氧化能力最强。目前，在很多地区，如中国和日本，草莓大多种植在温室里，冬天开花结果。在冬天，经常有许多雨天，不利于草莓的生长，因此有必要人工点燃草莓。本研究结果为草莓生产中高效发光二极管照明的设计提供了理论支持。
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不来关注一波嘛
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