基于组学技术的刺梨Vc积累机制的探究

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刺梨(Rosa roxburghii Tratt)。又名金黄果、茨梨、刺梨子,为蔷薇科蔷薇亚科蔷薇属多年生木本植物,是原产我国的一种新兴果树,主要分布于我国西南地区的贵州、四川、云南等省,其中以贵州分布面积最广产量亦最高。刺梨果实中富含多种天然活性成分,具有较高的食用和药用价值。其中维生素C(vitamin C,Vc)含量极高,被称为“Vc之王”。近年来,对于刺梨的研究主要集中刺梨的营养功能成分的测定和定量描述方面,虽然有相关研究从分子水平上揭示了刺梨Vc的的积累机制,但还从未有人从蛋白组学的角度对刺梨Vc积累做出解释。因此,本研究以刺梨果实为原料,通过对相关理化指标的测定,从刺梨果实不同发育时期Vc变化入手,以转录组和蛋白组学技术为核心手段,筛选刺梨调控Vc变化的关键基因,研究刺梨果实Vc积累过程中的关键蛋白,通过GOSlim、KEGG等生物信息学分析手段明确调控刺梨Vc积累的起始基因、蛋白和调控通路,探讨刺梨高含量积累Vc形成机制。主要研究内容与结果如下:1.在刺梨果实发育过程中,其Vc含量呈线性升高的趋势,果实发育前期(7-42天),刺梨果实的Vc增长较为缓慢,整个阶段Vc处于较低的浓度,平均浓度为155.85 mg·(100g FW)-1。到花期结束后的中后期(49-84天),刺梨果实的Vc开始出现快速增长的趋势,其中在花期后的56-70天是积累速率最高的时期,15天内积累了接近总含量一半的Vc,在果实成熟时Vc含量达到了2274.60 mg·(100g FW)-1。2.通过构建m RNA文库和转录组测序,6个样本(A:花期后63天;B:花期后77天;C:花期后84天)总共得到281979432个raw reads,使用BUSCO软件过滤后得到个273744384个clean reads,6个样本中clean reads占raw reads的比值均在97.08%以上。clean reads中GC含量平均为46.18%~46.41%。对三个不同发育时期的刺梨果实基因表达量分析,得到刺梨A-vs-B(花期后63~77天)发育时期差异表达基因2732个,其中上调差异表达基因1088个,下调差异表达基因1644个;A-vs-C(花期后63-84天)发育时期时获得差异表达基因3971个,上调差异表达基因1857个,下调差异表达基因2114个;B-vs-C(花期后77-84天)发育时期获得差异基因2626个,上调差异表达基因1553个,下调差异表达基因1073个。3.对刺梨果实三个不同发育时期的差异基因进行GO注释和KEGG富集,发现与刺梨Vc积累相关的差异基因主要富集在抗坏血酸和藻酸盐代谢(Ascorbate and aldarate metabolism)和果糖和甘露糖代谢(Fructose and mannose metabolism)两条代谢途径,其中注释到抗坏血酸和藻酸盐代谢途径中基因有50个,果糖和甘露糖代谢中基因有108个。编码抗坏血酸和藻酸盐代谢的相关基因GDP-D-甘露糖3’,5’-表异构酶(GDP-D-mannose 3’,5’-epimerase GME),显著上调表达。说明刺梨Vc的合成途径可能为L-半乳糖途径。另外编码抗坏血酸和藻酸盐代谢的相关基因单脱氢抗坏血酸还原酶(monodehydroascorbate reductase)在刺梨果实的生长发育时期显著上调表达。说明Vc的代谢循环也是促使刺梨Vc高积累的主要原因。4.通过质谱检测,共鉴定到1302个蛋白,其中A组鉴定到1020个,特异性表达159(12.2%)个;B组900个,特异性表达130(10%)个,C组924个,特异性表达69个(5.3%),其中,有598(45.9%)个共同的蛋白。采用火山图分析分别两两比较A、B、C三组中的差异蛋白。结果表明,相对A组,B组有213个蛋白上调表达,有333个蛋白下调表达;C组有152个蛋白上调表达,有248个蛋白下调表达;相对B组,C组有243个蛋白上调表达,有219个蛋白下调表达;其中83个蛋白在B,C组中共同上调表达,159个蛋白在B,C组中共同下调表达。5.对比刺梨果实三个不同发育时期A-vs-B、A-vs-C、B-vs-C差异表达蛋白KEGG的富集情况,分别得到,106、97、100条代谢通路,在众多代谢通路中,抗坏血酸和藻酸盐代谢(Ascorbate and aldarate metabolism)、果糖和甘露糖代谢(Fructose and mannose metabolism)、2条代谢途径与刺梨果实中Vc的积累具有较强的相关性,通过KEGG筛选,共注释到蛋白32个,对这32个蛋白进行分析,得到有3个蛋白可能与刺梨Vc的积累有较强的相关性,分别为:L-galactono-1,4-lactone dehydrogenase,mitochondrial(L-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶蛋白)、monodehydroascorbate reductase(单脱氢抗坏血酸还原酶)、L-ascorbate peroxidase(L-抗坏血酸过氧化物酶)。另外我们对上述三个蛋白在三个不同发育时期差异表达进行分析,发现L-galactono-1,4-lactone dehydrogenase(L-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶)蛋白在C/A(花期后63-84天)和B/C(花期后77-84天)时期均显著下调表达,说明L半乳糖途径可能为刺梨Vc合成的途径。同时也说明了在整个发育的后期刺梨果实中Vc含量积累快速下降。另外编码L-ascorbate peroxidase(L-抗坏血酸过氧化物酶)蛋白在B/A(花期后63-77天)和C/A(花期后63-84天)时期均上调表达,说明Vc的代谢循环也是促使刺梨Vc高积累的主要原因。
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