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绵阳师范学院利用脂质组学与转录组学揭示罗勒属植物脂质代谢机制

2025年3月,绵阳师范学院研究团队在《Food Bioscience》期刊上发表了题为“Comprehensive lipid profiling and metabolic pathway analysis of Ocimum: Unveiling key variations and regulatory mechanisms for breeding and metabolic exploration”的文章。研究通过脂质组学和转录组学技术,深入研究了罗勒属植物(Ocimum)的脂质代谢特征。该研究不仅揭示了不同罗勒品种间的脂质代谢差异,还发现了关键调控基因,为罗勒属植物的育种和代谢研究提供了重要参考。迈维代谢为该研究提供了植物定量脂质与转录组检测服务!

脂质在植物代谢中起着至关重要的作用,但罗勒属植物的脂质代谢研究相对较少。罗勒属植物因其药用和食用价值而备受关注,特别是其丰富的脂质成分。为了更好地理解罗勒属植物的脂质代谢机制,研究人员选择了六种不同的罗勒品种进行研究,并采用了液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)检测的植物定量脂质组学和转录组测序技术来全面分析其脂质代谢物和相关基因表达。

本研究通过系统分析六种罗勒属植物的脂质代谢物,确定了亚油酸是主要的差异脂质代谢物,并发现LOX(脂氧合酶)基因可能是调控亚油酸含量的关键因素。此外,加权基因共表达网络分析(WGCNA)筛选出了28个候选基因,这些基因可能参与调控罗勒属植物的脂质代谢。这些发现为罗勒属植物的遗传改良和代谢工程研究提供了理论基础。

1. 脂质代谢物鉴定

研究人员使用LC-MS/MS技术对六种罗勒属植物进行了植物定量脂质代谢物的检测与分析(图1),共鉴定了191种脂质代谢物,分为六大类:游离脂肪酸(FFA)、甘油酯(GE)、溶血磷脂酰胆碱(LPC)、溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)、磷脂酰胆碱(PC)和鞘脂(SP)(图2A)。其中,FFA是最主要的一类,占总脂质代谢物的36.13%。

图 1 :六种实验材料叶片图

2. 主成分分析(PCA)

通过对所有检测到的脂质代谢物进行PCA分析(图2B),发现同一物种的不同材料之间聚类紧密,表明实验方法的准确性。同时,不同物种之间的样品存在明显分离,表明各物种间脂质代谢物组成存在显著差异。

图 2 :(A)罗勒植物中鉴定的脂质代谢物分类;(B)基于脂质代谢物的主成分分析

3. 差异脂质代谢物分析

依据VIP值和Log2FoldChange的值大小,筛选出153种差异脂质代谢物,并构建了热图。进一步的聚类分析显示,同一物种的材料聚类紧密,而不同物种间存在显著差异。K-means聚类分析将这些差异脂质代谢物分为八类(图3),揭示了不同品种间脂质积累模式的多样性。

图 3 :(A)各罗勒品种差异脂质代谢物热图;(B)基于差异脂质代谢物的罗勒植物聚类分析;(C)六种罗勒品种差异脂质代谢物的 K-means 聚类分析

4. KEGG通路分析

比较 15 个不同组别,发现差异脂质代谢物数量变化大,表明罗勒属植物品种间脂质代谢存在显著差异(图 4)。深入分析三个品种 G072、G085 和 G134,发现它们具有独特的脂质代谢物积累规律,筛选出的 6 种主要差异脂质代谢物在不同品种中积累存在差异(图 5)。

图 4 :各比较组差异脂质代谢物散点图

图 5 :(A)G072、G085 和 G134 品种差异脂质代谢物热图;(B)三个比较组差异脂质代谢物 Venn 图;(C)三个比较组中共有差异脂质代谢物热图

基于转录组数据,共鉴定了14条与脂质代谢相关的KEGG通路(图6)。其中,甘油磷脂代谢通路(ko00564)注释的基因数量最多,达2729个,表明该通路在脂质代谢中起重要作用。

图 6 :罗勒植物脂质代谢相关基因的 UpSet 图

5. 差异表达基因分析

过滤出3965个与脂质代谢相关的差异表达基因(DEGs),并进行K-means聚类分析,将其分为10类。不同类别的基因在不同品种中表现出不同的表达模式,揭示了罗勒属植物脂质代谢的复杂调控机制。多组火山图分析显示,涉及罗勒属植物的比较组中,差异表达基因数量从192到2458不等(图7),进一步证明了罗勒属植物间的遗传多样性。

图 7 :(A)差异脂质代谢物的 K-means 聚类分析;(B)各比较组差异表达基因火山图

6. 加权基因共表达网络分析(WGCNA)

对3965个差异表达基因进行WGCNA分析,识别出八个模块。其中,turquoise模块包含757个DEGs,是更大的模块。通过与六种候选差异脂质代谢物的相关性分析(图8),发现了一些与脂质代谢密切相关的基因,如LOX(Cluster-29718.23)和FAB(Cluster-49912.10)。

图 8 :(A)候选差异脂质代谢物和差异表达基因的加权基因共表达网络分析;(B)候选差异脂质代谢物和候选差异表达基因的调控网络图

7. 脂质代谢途径分析

在过滤了主要为亚油酸的关键差异脂质代谢物后,作者绘制了罗勒中亚油酸的代谢途径(图9),揭示了亚油酸在罗勒属植物中的代谢转化过程。亚油酸在细胞色素P450的作用下合成9,10-Dihydroxy-12,13-epoxyoctadecanoate,在LOX的作用下转化为13(S)-HPODE,并进一步生成13(S)-HODE和9,12,13-TriHOME。

图 9 :罗勒中亚油酸代谢分析

对 11 个候选基因进行 qPCR 分析,发现其表达模式与转录组数据具有一致性,验证了研究结果的可靠性(图 10)。

图 10 :候选基因的定量 PCR 分析

本研究通过脂质组学和转录组学技术,全面解析了罗勒属植物的脂质代谢特征,揭示了亚油酸作为主要差异脂质代谢物及其调控机制。研究结果不仅为罗勒属植物的遗传改良提供了理论依据,也为深入理解植物脂质代谢提供了新的视角。未来的研究将进一步验证这些候选基因的功能,为罗勒属植物的开发和利用提供更广泛的应用前景。

(创作包含AI辅助,如有侵权,联系删除)

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