Plant Cell：进化代谢组——架起基因型与表型的桥梁
2019-07-12
中科新生命
3582关键词：多组学联合，代谢组学，类蜀黍，萜类代谢，黄酮类化合物
生物的进化伴随着基因型、表型等各层面的改变。为研究进化过程中的分子机制，过去常用的分析手段是通过基因组与表型的关联分析（QTL，GWAS等），找到与表型性状相关的基因变异位点。但是，从基因型到表型，中间会经历许多生化步骤，从基因层面很难完美阐述表型差异的机制。而代谢物作为基因型与表型之间的桥梁，对它的差异研究可以帮助深入剖析其中的机制。
近日，一篇名为“Evolutionary Metabolomics Identifies Substantial Metabolic Divergence between Maize and its Wild Ancestor, Teosint”发表在The Plant Cell杂志上。该研究通过比较玉米的三种进化阶段：类蜀黍（玉米祖先）、热带玉米、温带玉米，以及它们600多株杂交系植株的代谢差异，结合以往的基因组SNP信息、转录组差异表达数据，系统阐述了玉米进化过程中的分子机制。并且通过对多组学联合分析获得的部分关键基因进行进一步功能验证，证实了FHT1、Pr1和ZmTPS1这3个基因在类黄酮和萜类代谢物分化中发挥了重要作用。
实验材料
16株类蜀黍、12株热带玉米、15株温带玉米；624株温带玉米与类蜀黍的杂交系植株。
实验数据来源
（1）非靶代谢组：超高效液相色谱-高分辨率质谱（UPLC-HRMS）
（2）基因组差异：
▶43株非杂交系：Maize6KSNP chip
▶624株杂交系：Shannon, L. (2012). The genetic architecture of maize domestication and range expansion. PhD dissertation (The University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA).
（3）624株杂交系转录组：Wang, X. et al. (2018). Genome-wide analysis of transcriptional variability in a large maize-teosinte population. Mol. Plant 11, 443-459.
主要结论
1. 玉米在不同进化阶段存在明显的代谢物差异（图1）
这些化合物共分为三大类（图2）：一类是在温带玉米与热带玉米之间存在明显差异，比如苯并恶唑嗪酮类化合物在温带玉米中含量较高。这类代谢物的差异分化可能是温带玉米为了防御当地昆虫从而获得的进化特性。第二类是在温带玉米-热带玉米以及热带玉米-类蜀黍中都存在差异的化合物，包括有机酸类、黄酮类、氨基酸类化合物。第三类是在热带玉米与类蜀黍之间存在明显差异。比如一些生物碱类化合物，在玉米中的含量明显减少，这可能与进化过程中人为驯化保留下来苦味较轻的玉米作物有关。
图1. 类蜀黍（Teosinte）、热带玉米（Tropical maize）、与温带玉米（Temperate maize）所有代谢物组成及PCA图。
图2. 不同分组之间的差异代谢物。
（红色：类蜀黍-热带玉米；蓝色：温带玉米-热带玉米；橙色：共有差异）
2. 玉米从热带地区进化至温带地区经历更大的选择压力
该研究在筛选差异代谢物时使用了一种基于基因组差异的归一化计算方法（QST-FST 比较策略），排除了中性进化造成的代谢组差异，只保留了选择压力进化造成的差异。所以从温带玉米-热带玉米的差异代谢物数量多于热带玉米-类蜀黍（图2B），这个结果可以总结出：玉米为了适应不同的环境（从热带到温带），在环境胁迫压力下产生更多的代谢物分化。此外，通过代谢物数量性状位点（mQTL，就是基因组上与某种特定代谢物差异相关的区域）的分析也表明，温带-热带玉米之间的mQTL数量更少，但对表型差异的解释度更高，这些结果也补充说明了以上结论（图3）。
图3. 三种玉米的mQTL图谱（红色框：类蜀黍-热带玉米；蓝色框：温带玉米-热带玉米；橙色框：两者都存在）、mQTL数量统计以及对mQTL表型差异的平均解释度。
3. mQTL位点富集发现几处与代谢物分化密切相关的基因组位置
通过对624株杂交玉米的代谢物差异检测以及mQTL图谱绘制，发现mQTL位点并不时均匀分布在整个基因组上，而是集中在某些特定的位置。通过这些信息可以帮助锁定与某种差异代谢物密切相关的基因。
图4. mQTL位点富集结果
4. mQTL图谱结合转录组数据分析、转座子突变验证锁定关键基因
由于mQTL图谱只能锁定较大范围的基因组区域，所以该研究将mQTL图谱与之前完成的转录组测序后获得的eQTL数据进行关联分析，将获得的mQTL的logarithm of odds差值（DLOD）进行排序从而获得候选基因。在获得候选基因后，再通过转座子插入突变等手段验证其功能，具体获得以下信息：
（1）Bx7、Bx9、 Bx12、 Bx13基因与苯并恶唑嗪酮类化合物分化有关（图5）。这些基因在玉米抗蚜虫虫害性状中可能起到重要作用。（该途径未做实验验证）
图5. 苯并恶唑嗪酮类化合物代谢途径与基于LOD值的关键基因筛选
（2）Pr1基因（F3‘H）与FHT1基因（F3H）与类黄酮化合物的分化有关（图6）。Pr1基因的缺失会导致黄酮类化合物的代谢谱发生改变（图7）。它们在植物发育和防御过程中起到重要的作用。
图6. 类黄酮化合物代谢途径与基于LOD值的关键基因筛选
图7. PR1突变株与野生型的类黄酮代谢差异
（3）ZmTPS1在萜类代谢分化中起到重要作用。它不仅与玉米中芳樟醇相对类蜀黍含量更高的性状有关，在缺失与过表达实验中，更证实了它会影响其它数十种萜类化合物的代谢（图8）。这些化合物在植物的传粉、抗逆等过程中起着重要的作用。
图8. 萜类化合物代谢分化关键基因筛选及ZmTPS1基因缺失/过表达后的代谢谱差异。
总结
1. 代谢物作为基因型和表型之间的桥梁，代谢组学的研究在揭示生物进化的分子机制上提供更深入的信息。
2. 多组学数据（基因-转录-代谢）结合在解析遗传性状的关键基因过程中可以发挥巨大的作用。
3. 大样本量的关联分析能为进化机制的研究提供更准确的数据和结论。
