黄色籽粒和谷子品质是谷子驯化过程中重要的育种性状 。 作者利用分光光度计收集了2018和2019年两年的谷子颜色数据 ， 对谷子的颜色性状进行GWAS分析 ， 在第4、5、6染色体上鉴定到了与小米b*值相关的GWAS信号（图3B C） ， 其中关联到的大多数候选基因在籽粒灌浆期高表达 ， 并且发现有4个颜色相关性状的显著位点在驯化过程中受到了选择（图2C 3A） 。 位于4号染色体上的PSY1基因单倍型分析表明 ， 在5'UTR处 ， 68.75%的野生种狗尾草具有A/A基因型 ， 而98.4%的谷子具有G/G基因型（图3C）；G/G基因型米色和粉末颜色的b*值显著高于A/A基因型（图3E） 。 A/A基因型在地方品种中的比例低于2.6% ， 在栽培品种中低于0.7% ， 表明G/G基因型在驯化过程中受到正选择（图3F） 。 单倍型网络分析表明 ， PSY1基因单倍型具有明显的地理分布结构：7种单倍型为不同地理居群所共有（H1-H7） ， 而其他单倍型仅存在于狗尾草中 。 单倍型H1、H3和H4大多数位于北方种质中 ， H2单倍型大部分位于南方种质中（图3G） 。
为了验证PSY1基因的功能 ， 作者利用CRISPR/Cas9技术对该基因进行了编辑 ， 获得了突变体材料 ， 结果发现突变体材料籽粒中的类胡萝卜素含量远低于野生型籽粒；同时与野生型相比 ， 叶黄素和玉米黄质分别降低了25.5%和34.4%（图3D） 。 综上所述 ， 这些结果建立了SiPSY1与谷子颜色变异之间的联系 ， 并表明mGWASs具有识别与代谢产物相关性状相关的关键候选基因的能力 。
图3 驯化选择清除分析及PSY1基因功能鉴定
4、谷子粉末提取物的抗炎作用
细胞因子因其抗炎功能而闻名 。 为了研究不同谷子粉末提取物的抗炎作用 ， 作者检测了在1 μg/mL脂多糖（LPS）和200 μg/mL谷子粉末提取物共培养的RAW264.7细胞中IL-1β、IL-6和TNF-α的水平（图4A） 。 结果显示LPS处理显著提高了IL-1β、IL-6和TNF-α的水平 ， 而培养液中添加谷子粉末提取物则降低了IL-1β、IL-6和TNF-α的水平 ， 与LPS处理相比 ， 96%以上的谷子粉末提取物处理显著（P < 0.05）抑制这3种细胞因子的产生 ， 部分谷子提取物的细胞因子水平甚至低于未处理的对照水平（图4B） 。 接着计算每个谷子提取物的抗炎指数并进行GWAS分析 ， 在谷子第2、6和1号染色体上鉴定到与IL-1β、IL-6和TNF-α指数相关的显著位点 ， 检测得到相关候选基因与叶酸转运（Si2g05580） ， 脂质代谢（Si6g04690） ， 醛脱碳酶（Si1g36380）相关 ， 这些基因可能在谷子提取物的抗炎作用中发挥作用（图4C） 。
图4 抗炎模型和抗炎性状GWAS分析
5、转录组、代谢组和抗炎指数相关性分析
作者进一步通过对谷子籽粒灌浆中期转录本丰度、代谢物含量和抗炎指数之间的相关性分析 ， 构建转录组、代谢组和抗炎特性之间的网络关系（图5） 。 在代谢-转录网络中共包含了9415对基因-代谢物 ， 其中大多数基因来自与维生素B6和硫胺素代谢相关的“棕色”共表达模块（图5A） 。 利用套索回归模型 ， 发现25、5和53个代谢物分别与IL-1β、IL-6和TNF-α细胞因子水平高度相关 。 此外还发现了具有抗炎特性的代谢物 ， 如类黄酮、酰胺和有机酸 。 代谢抗炎因子网络显示 ， 除了“wh1094”（柚皮素查尔酮、黄烷酮）和“wh1526”（5-O-p-香豆酰奎宁酸、氨基酸）外 ， 大多数代谢产物并没有鉴定出其物质结构和类型（图5B） 。 已有研究表明这两种代谢物具有显著的抗炎活性 。
图5 代谢物、基因和抗炎指数之间的相关性网络图
结 语本研究通过对来自398份谷子材料的全基因组重测序数据、转录组、代谢组和抗炎指数的联合分析 ， 发现了大量的影响次级代谢产物的常见变异 。 在不同的谷子亚群之间 ， 存在着巨大的代谢物的自然变异及其潜在的遗传结构 。 对谷子黄粒相关基因等位基因的选择导致了代谢产物的改变 ， 如类胡萝卜素和内源性植物激素 ， 并利用CRISPR/Cas9对该基因进行了功能验证 。 体外细胞炎症实验表明 ， 谷子提取物中有83种代谢物具有抗炎作用 。 本研究结果也为进一步了解谷子品质与代谢产物之间的关系提供了基础资源 ， 并为谷子遗传研究和代谢组辅助改良提供了未来发展方向 。
【Mol Plant（IF=21.949)｜重测序、转录组、代谢组多组学联合分析揭示谷子驯化选择中代谢物定向变化的遗传机制】
推荐阅读
- 会被鸟吃的猴子？个头只有人类手指大小，如今却面临濒危处境
- Cancer Res：揭示高级别浆液性卵巢癌的分子调控机制
- 人类性别只有男和女？实际情况比你想象中的更复杂
- 母亲怀孕吃打胎药，致使双胞胎儿子变成双胞胎女儿
- 多次碰壁，NASA为何还是要求中国分享月壤，他们不是有很多吗
- 为什么骡子身强体壮，却无法生育？原来是“马和驴”惹的祸
- 全球新冠疫情最终会以什么方式结束？分析：或会有三种结局！
- 全球瞩目，在SLS发射之前NASA将在本周举行三场媒体电话会议
- 全球高温预警，科学家或通过浮游生物来对抗全球变暖