Plant Journal|华中农业大学利用重组自交系比较水稻种子不同发育阶段的代谢组学

Plant Journal|华中农业大学利用重组自交系比较水稻种子不同发育阶段的代谢组学


华中农业大学的研究人员于 the Plant Journal上发表了一篇题为“Comparativeanalysisofmetabolomeofriceseedsatthree developmentalstagesusingarecombinantinbredline population”的研究文献,该文献揭示了利用重组自交系群体比较水稻种子三个发育阶段的代谢组学。

文章来源

背景

作为生物体生理状态的反映,代谢产物对于植物生长和植物-环境相互作用以及人类健康至关重要。植物是人类重要的食物和营养来源,但有关水稻种子代谢组在不同发育阶段的遗传和分子基础的知识仍然有限。在这里,我们对种子进行了广泛靶向的代谢分析,表征了水稻种子在不同发育阶段的代谢变化。


结果

水稻不同发育阶段的代谢谱分析

为了进一步确定MH63和ZS97种子在不同发育阶段的代谢物含量和代谢转移的多样性,在籽粒充实的成熟种子和发芽种子中对种子进行了广泛靶向的代谢谱分析。结果跨发育阶段的代谢差异更为显著每个阶段的稻米种子都积累了高水平的不同化合物。

不同阶段代谢变化

图1.MH 63和ZS 97之间水稻籽粒在不同发育阶段的代谢变化为了探究MH63和ZS97之间代谢变异的遗传决定因素,使用了210个RIL群体进行进一步研究。观察到成熟种子和发芽种子之间代谢产物在种子之间的动态变化,表明这三个阶段的代谢持续不断。

RIL分析结果

图2.210 RIL s不同发育阶段水稻籽粒的代谢变化

水稻种子代谢变化的mQTL鉴定

在成熟种子中检测到的1506个mQTL中,分别有1415、70和21个基因座分别占相应化合物变异的20%,20-50%和一半以上。在成熟种子和发芽种子中,总共分别获得112、91和115个mQTL,大于20%。


mQTL统计结果

图3.三个阶段的mQTL的统计结果

分析mQTL的候选基因

为了鉴定MH63和ZS97种子中代谢变异的潜在候选基因,进行了基因组,转录组和代谢组学数据的分析。结果表明,LOC_Os07g04970是控制阿魏酸羟色胺生物合成的候选基因,其启动子和编码区的遗传变异可能协同影响其含量变异。进一步研究表明,LOC_Os06g03990的阻遏作用天冬酰胺积累。MH63和ZS97之间的l-天冬酰胺含量不同可能是LOC_Os06g03990蛋白序列变异的结果。

LOC作用结果

图4.验证LOC _Os06g39990在天冬酰胺和氨基酸积累中的作用

代谢物网络及代谢物与植株表型之间的关系

为了研究受遗传变异影响的代谢物组,使用上述三个阶段的RIL群体的代谢物谱进行了一系列相关分析。尽管同一代谢物对在不同阶段的相关性值相差很大,但跨阶段也发现了保守的相关性。此外,我们还确定了不同阶段的一些保守的相关性和子网。

代谢物关联网络

图5.代谢物和代谢物-植株表型关联网络结论MH 63和ZS 97之间的多样性以代谢物的含量和发育阶段的代谢转移为特征。跨三个阶段的编码代谢物的mQTL的进一步分析表明,代谢物积累的遗传调控与发育阶段密切相关。这项研究极大地提高了我们对不同阶段水稻种子代谢组变异的遗传和生化基础的了解,并为水稻育种策略提供了深刻的见识,这些策略在提高产量的同时又保持了高营养水平。参考文献

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该研究得到国家杰出青年科学基金,国家自然科学基金国家重点计划,国家自然科学基金和海南大学创业基金的支持。
论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14482 
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