槟榔果实不同发育时期的转录组分析及差异基因的筛选_严和琴.pdf

研究报告Research Report槟榔果实不同发育时期的转录组分析及差异基因的筛选严和琴1于靖1*郑蔚1李杨1刘立云2李志刚31 海南大学园艺学院,海南省热带园艺作物品质调控重点实验室,海口,570228;2 中国热带农业科学院椰子研究所,文昌,571339;3 中国热带农业科学院香料饮料研究所,万宁,571533*通信作者,摘要为了探知槟榔(Areca catechu L.)果实发育过程及挖掘其主要次生代谢产物生物合成途径相关的关键酶基因，本研究以 3 个不同时期的槟榔果皮和种子为研究材料，利用高通量测序技术测序，组装共获得 78320 条 unigenes，其中 35 399 条 unigenes 在 NR、Swiss-Prot、KOG、KEGG 四大数据库得到注释。在错误发现率 FDR0.05、差异倍数 FC(Fold Change)2 的条件下，G140 和 S140 的差异表达基因共有 21 065 个，其中上调的有 11 811 个，下调的有 9 254 个；G110 和 S140 次之，共有 20 613 个 unigenes，其中上调的有 8 314 个，下调的有 12 299。KEGG 分析中共有 570 个 DEGs 被注释到次生代谢标准生物合成通路。其中，有 149 个DEGs 被注释到苯丙烷生物合成途径，分别有 37 个 DEGs 被注释到莨菪烷类、哌啶和哌啶生物碱生物合成和异喹啉生物碱生物合成途径。RT-qPCR 结果表明转录组数据真实可靠。本研究初步筛选了与槟榔主要次生代谢物生物合成相关的关键酶基因，为槟榔基因功能鉴定、次生代谢途径解析及调控机制的研究提供理论依据。关键词槟榔;果实发育时期;转录组;差异表达基因Analysis of Transcriptome and Screening of Differential Genes of Arecacatechu L.at Different Developmental StagesYan Heqin1Yu Jing1*Zheng Wei1Li Yang1Liu Liyun2Li Zhigang31 Key Laboratory for Quality Regulation of Tropical Horticultural Crops of Hainan Province,School of Horticulture,Hainan University,Haikou,570228;2 Coconut Research Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Wenchang,571339;3 Flavor Beverage Institute,ChineseAcademy of Tropical Agriculture Science,Wanning,571533*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.004595AbstractTo investigate the fruit development process of Areca catechu,and explore the key enzyme genes relat-ed to the biosynthesis pathway of its main secondary metabolites.,the A.catechu transcriptome analysis was per-formed by the High-throughput sequencing technology using the peel and seeds of A.catechu from three differentperiods as research materials.A total of 78 320 unigenes were obtained after assembly and 35 399 unigenes wereannotated by a similarity search against NR,Swiss-Prot,KOG,KEGG four public databases.Under the conditionof FDR(false discovery rate)0.05 and FC(fold change)2,a total of 21 065 differentially expressed genes werefound between G140 and S140,among which 11 811 unigenes were upregulated and 9 254 unigenes were down-regulated.A total of 20 613 differentially expressed genes were found between G110 and S140,among which 8314 unigenes were upregulated and 12 299 unigenes were downregulated.A total of 570 DEGs were annotated tothe secondary metabolism by KEGG analysis by the standard biosynthetic pathway.Of these,149 DEGs were anno-基金项目：本研究由海南省重点课题项目(2019xys004)和海南省自然科学基金项目(20168364)共同资助引用格式：Yan H.Q.,Yu J.,Zheng W.,Li Y.,Liu L.Y.,and Li Z.G.,2023,Analysis of transcriptome and screening of differentialgenes of Areca catechu L.at different developmental stages,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(14):4595-4605.(严和琴,于靖,郑蔚,李杨,刘立云,李志刚,2023,槟榔果实不同发育时期的转录组分析及差异基因的筛选,分子植物育种,21(14):4595-4605.)分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 14 期，第 4595-4605 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.14,4595-4605分子植物育种Molecular Plant Breeding表 1 转录组测序产量Table 1 Statistics of transcriptome sequencing output样品SampleG80G110G140S80S110S140总原始读长Total raw reads34 049 23236 265 38232 693 41433 842 07433 173 98831 545 914总过滤读长Total clean reads33 342 03035 561 91432 220 46233 119 35632 543 53430 977 102GC(%)48.1547.5048.8047.6347.5147.60Q20(%)97.8497.8397.9497.9397.8597.95ta-ted to the phenylpropane biosynthesis pathways,and 37 DEGs were annotated to the tropane,piperidine andpyridine alkaloid biosynthesis and isoquinoline alkaloid biosynthesis pathways,respectively.The RT-qPCR resultsindicate the transcriptome data was true and reliable.The key enzyme genes related to the biosynthesis pathway ofmajor secondary metabolites of A.catechu were preliminarily obtained,which laid a foundation for the study offunctional identification,secondary metabolic pathway analysis and regulation mechanism of A.catechu.KeywordsAreca catechu L.;Fruit development period;Transcriptome;Differentially expressed genes槟榔(Areca catechu L.)是棕榈科槟榔属常绿乔木，其花、果皮(大腹皮,大腹毛药材)、种子(槟榔,焦槟榔)均可入药，而且各药用部位的疗效和用途各有不同(蒋志等,2013)。槟榔的主要活性成分是生物碱和多酚类等次生代谢产物，具有驱虫、抗菌、抗高血压、抗高血糖、抗癌、抗衰老等药效，对神经系统和消化系统也具有较强的药理作用(王光和胡弼,2010;王明月等,2011)。现代化学和药理学的研究证明，槟榔不同部位的主要活性成分如槟榔碱、多酚等含量差异明显，药理作用也各有侧重(徐航等,2021)。然而槟榔药用部位的活性成分种类和含量分析比较薄弱，难以解释不同药用部位的不同功效。因此，对槟榔待开发的不同药用部位的次生代谢产物及活性成分进行系统地研究和鉴定，并且了解这些次生代谢产物积累的调控规律将十分有益于槟榔资源的开发利用和产业发展。然而目前槟榔次生代谢合成途径的分子机制研究尚不清楚，这为槟榔主要次生代谢产物的调控带来困难，难以通过栽培、基因工程等技术提高药用成分的产量，为药用成分的提取率及产品研发带来阻碍。转录组学及高通量测序技术被广泛应用在药用植物的研究中，在药用植物次生代谢产物调控及其分子机制的研究方面有重要的意义。在丹参转录组学分析中，鉴定到大量与丹参酮、丹酚酸合成相关的关键酶基因，报道其中 14 个与次生代谢相关的基因在丹参不同器官或处理下的表达模式，为丹参主要药用活性成分的生物合成提供理论支持(李滢等,2010)。有学者利用转录组学研究了西洋参特异基因表达谱以及人参皂苷生物合成途径，克隆鉴定了 MVA 途径上的HMGR 基因，挖掘了可能参与人参皂苷合成途径的相关基因(Sunetal.,2010;Wuetal.,2010)。Li 等(2010)在对甘草转录组的研究中鉴定到与甘草甜素生物合成相关的 16 个关键酶基因。Lin 等(2011)对银杏转录组数据进行分析，在与银杏内酯、黄酮生物合成相关的途径中分别鉴定到 26 和 78 个 unigenes。目前，对于槟榔基因组和转录组研究较少，成为制约槟榔主要活性物质生物合成及其代谢调控的一个原因。因此，通过转录组学研究槟榔次生代谢产物合成和代谢调控的分子机制，对于槟榔产品开发以及品质提升有重要意义。本研究以 3 个不同发育时期的槟榔果皮和种子为研究材料，利用高通量测序技术测序，将得到的unigenes 进行注释，筛选出与槟榔主要次生代谢产物合成相关的基因，并且利用 RT-qPCR 技术验证了转录组数据的准确性，为研究槟榔主要次生代谢物合成的分子机理和活性成分的开发利用提供理论依据。1结果与分析1.1测序结果及序列组装分别对槟榔样品转录组进行转录组测序，各样品 Raw reads 数量均大于 31 545 914，去除低质量Reads后，各样品 Cleanreads 数量均大于