6个样本转录+代谢检测无需验证发1区TOP文章的研究思路
石蒜科植物作为传统中药材，分布广泛且资源丰富，具备多种重要的食用、观赏及药用价值。这类植物富含大量生物碱类化学成分，生物碱的产生可能受到植物生态条件的影响，如光照、土壤质量和土壤微生物组的变化。然而，其调控机制错综复杂，目前人们的了解尚不深入。2024年10月，西南大学生物多样性保护和利用中心邓洪平教授团队在Plant, Cell & Environment期刊上发表了题为“Multi-Omics Analysis Reveals Molecular Responses of Alkaloid Content Variations in Lycoris aurea Across Different Locations”的研究论文。研究者通过转录组，代谢组，微生物多样性测序解释了不同产地忽地笑生物碱含量变化差异的原因。
1.不同地区忽地笑生物碱含量分析
作者对中国九个主要省份的忽地笑群落分布情况进行了调查，并选择了江西省全南县和湖南省中方县作为对比研究对象（如图1A所示）。在江西组（H组）中，石蒜碱和加兰他敏的含量相对于湖南组（L组）中均显著升高（图1A-C）。HPLC分析进一步表明，波长9和12附近（分别对应石蒜碱和加兰他敏）的质谱峰在H组中显著高于L组（图1D、E）。
图1 中国九省忽地笑的地理和生化分析
2.转录组分析
对江西组和湖南组两组样本进行转录组检测分析。两组样本共6871个DEGs。
与L组相比，H组中ALDH、异黄酮还原酶（IFR）、N4OMT、PA和酪氨酸脱羧酶（TYDC）的表达显著增加。值得注意的是，编码ALDH、IFR、N4OMT、PA和TYDC的基因分别有18个、8个、2个、1个和2个是上调的。有趣的是，葡萄糖基转移酶（GT）的表达水平在H组显著下调。细胞色素P450、family 96, subfamily T,、CYP96T1、甲基转移酶SABATH家族（MTS）和strictosidine合成酶（STR）的表达水平无显著差异。
图2 生物碱生物合成途径相关基因的鉴定与表达模式
3.DEGs富集分析
对差异基因进行GO富集分析，BP类别富集条目包括姐妹染色单体内聚、蛋氨酸生物合成过程和糖酵解过程。在CC类别中，在核糖体前、细胞质小核糖体亚基和核小体中观察到显著的富集。此外，醛加氧酶（去甲酰基化）活性、十八烷脱碳酶活性和NADP结合在MF类中显著增强。差异基因KEGG富集分析显示（图3B），包括N -聚糖生物合成、光合生物的碳固定、硒化合物代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成通路显著富集。作者对转录组数据进行了PPI分析，产生了一个由236个节点和695个交互组成的复杂网络（图3C）。通过GO分析识别密集连接的模块。其中模块1和3与rRNA代谢过程、rRNA结合和线粒体基质等关键BPs显著相关。模块2与MFs和BPs相关，包括光合作用、光系统和光合膜。基于GO分析，Module 4中的蛋白未被标注任何功能。
图3 差异表达基因的功能注释分析
4. 代谢组检测与分析
通过PLS-DA分析显示两组样本在正负模式下代谢的显著差异，通过鉴定分析，确定12401个代谢物，包括“脂质和类脂分子”、“有机含氧化合物”和“有机杂环化合物”等类别。与L组相比，H组在正负模式下共有582个上调和333个下调的DEMs（图4）。其中，醋酸脱氧皮质酮、氢吗啡酮和棕榈酸差异较显著，表明环境因素导致特定代谢物的显著变化。
图4 差异代谢物鉴定
5. 转录组和代谢组联合分析
差异基因与差异代谢物显著影响了各种生物进程。其中包括萜类主链生物合成、倍半萜类和三萜类生物合成、泛醌和其他萜类醌生物合成以及苯丙氨酸酪氨酸和色氨酸生物合成（图5）。萜类主链生物合成的功能种，27个基因上调，如乙酰- CoA C -乙酰转移酶（ACAT）、法尼基二磷酸合成酶（FDPS）和异戊烯基二磷酸δ异构酶（IDI）。在倍半萜类和三萜类生物合成途径中，有4个基因发生变化。
图5 差异基因与差异代谢物的KEGG通路联合分析
6. 基因、代谢物、生物碱、微生物群落与土壤属性和植物酶之间的关系
作者进一步探索了植物基因与代谢物之间的相关性，揭示了植物中主要差异基因与代谢物之间的显著相关性（图6A）。例如，复制酶多蛋白与lysoPA之间存在显著的正相关。转录因子GTE9‐like与几种代谢物呈正相关，与其他代谢物呈负相关。作者通过整合转录组数据、16S和ITS测序结果以及观察到的植物和土壤特性来扩展分析（图6B，C）。综合研究结果表明，石蒜碱浓度与土壤pH、WC和Se水平呈正相关。土壤细菌数量也与土壤pH和硒含量呈正相关。此外，加兰他敏及其相关编码基因N4OMT的含量与植物酶COM呈正相关，表明特定酶活性与生物碱合成之间存在联系。
图6 基因、代谢物、生物碱、微生物群落与土壤性质和植物酶的关系
本研究对忽地笑转录组、代谢组和微生物多样性检测，旨在阐明生物碱生物合成的分子机制。在不同生态地域的比较分析突出了参与生物碱生物合成的关键基因，例如编码乙醛脱氢酶和4'-O-甲基降孤挺花啶转移酶的基因，这些基因在高生物碱产生组中显著增加。总共鉴定了6871个差异表达基因和915个代谢物，涉及像萜类骨架生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成这样的途径。蛋白质互作网络分析揭示了在生物碱产生区域光合作用、光系统和光合膜途径的显著上调。此外，本研究还描绘了土壤微生物群落、基因和植物与土壤生化属性之间的相互作用，指出细菌群落与有利于激活生物碱合成必需代谢途径的土壤属性相关。总的来说，本研究推进了忽地笑中遗传和代谢生物碱生物合成途径的理解，为控制生物碱产生的复杂相互作用提供了新的见解。