2025-06-19
文章信息
文章题目：Multi-omics analysis unravels chemical roadmap and genetic basis for peach fruit aroma improvement
中文标题：多组学分析揭示了桃果实香气改善的化学路线图和遗传基础
发表期刊：Cell Reports
影响因子：7.5
发表时间：2024年8月
涉及组学：转录组，GWAS，eQTL
摘 要
在桃子育种中，选择有益健康且风味佳的水果至关重要，但外观与风味化学物质的遗传互作仍是难题。本研究通过分析184个种质的挥发物，确定了影响消费者偏好的关键挥发物，发现红肉种质中芳樟醇和Z-3-己烯基乙酸酯显著减少。进一步鉴定出474个基因调控网络（GRN），其中GRN05的NAC转录因子PpBL在调控红肉和挥发物含量方面发挥关键作用，其过表达会降低PpNAC1（一种促进Z-3-乙酸己烯酯和芳樟醇合成的正调节因子）的表达。此外，还发现三种PpAAT串联的单倍型与基因表达及酯含量降低显著相关，为提升水果质量提供了遗传资源。
前言
蔷薇科（Rosaceae）在全球水果产量中占约20%，其中桃子作为重要成员，年产量超过2400万吨，过去十年增长了20%。然而，现代商业桃品种风味质量的下降成为消费者关注的问题。大多水果品种为追求高产量和长保质期，往往牺牲风味。近年来，高花青素含量的红色品种受到关注，但其风味优化面临挑战。
此外，桃子作为多年生木本植物，育种周期长，成本高，难以快速记录表型。传统连锁、关联图谱及全基因组关联研究（GWAS）虽用于解析水果性状遗传基础，但香气分析因环境敏感性和低浓度挥发物的挑战，进展缓慢。目前关于水果颜色与香气等品质性状相互作用的研究较少，而整合多组学分析（如GWAS、eQTL定位和分子分析）在理解风味与营养变化联系方面仍需进一步探索。
研究思路
研究结果
1、消费者评估和代谢组分析显示，红肉桃中与风味相关的挥发物显著损失
为了改善桃子的营养和风味，研究团队通过消费者评估，从33种挥发物中鉴定了11种与喜好正相关的挥发物，包括内酯、酯类和萜烯。然而，检测发现红肉桃品种的挥发物含量普遍较低，尤其是芳樟醇和Z-3-乙酸己烯酯的含量显著下降，分别降低了96.3%和51.9%，这与消费者对红肉桃香气偏好降低的现象一致。研究进一步通过杂交实验和多组学分析，建立了一个遗传平台，揭示了红肉与多数挥发物含量呈负相关，并确定了芳樟醇和Z-3-乙酸己烯酯是区分不同果肉颜色果实的关键挥发物。
图1 不同果色桃果实的挥发性分析
2、通过全基因组重测序揭示肉色和挥发物的遗传位点
基于重测序数据，PCA分析显示两个亲本之间遗传背景差异大，后代存在显著性差异。遗传力分析显示肉色、芳樟醇和Z-3-乙酸己烯酯表现高遗传力，为GWAS分析提供了基础。在染色体Pp05上鉴定到一个与红肉密切相关的主要基因座，该基因座附近的NAC转录因子PpBL被发现是红肉桃中花色苷生物合成的调节因子。研究发现hap2种质中PpBL的表达比hap1种质高263倍，且红肉桃中存在一个位于PpBL基因上游320 bp的长末端重复-反转录转座子（LTR-RT），是导致PpBL高表达的原因。
图2 桃果实中与果色和香气相关挥发物相关的遗传位点
3、eQTL 图谱鉴定 GRN05 与红色果色和挥发性内容物的联系
本研究通过在184个样本的CSFP群体中进行eQTL分析，发现了数万个eQTL，其中约80%为顺式eQTL，且在染色体Pp05上发现了一个名为Red-fleshed.Pp05的eQTL热点，与红肉、芳樟醇和Z-3-乙酸己烯酯相关。基于GWAS和eQTL数据构建的474个基因调控网络（GRN）中，GRN05与红肉和挥发物相关。GO分析显示，红肉果实中上调的基因与类黄酮代谢相关，而下调的基因与脂质和萜类代谢相关。此外，GWAS和eQTL的联合分析显著提高了表型解释率，例如芳樟醇（从13.3%提高到38.3%）和Z-3-乙酸己烯酯（从11.8%提高到26.9%）。这些结果表明eQTL分析为理解红肉果实中挥发物减少的分子机制提供了有力支持。
图3 CSFP 和基因调控网络的 eQTL 图谱
4、串联复制的 PpAAT 区域的序列变化与红肉桃中 Z-3-己烯乙酸酯的丢失有关
研究通过GWAS在染色体Pp05上鉴定到一个与Z-3-乙酸己烯酯相关的遗传位点，该位点包含五个串联的醇酰基转移酶（AAT）基因，其中PpAAT1表达水平最高。进一步研究发现PpAAT2和PpAAT3也能利用Z-3-己烯醇合成Z-3-乙酸己烯酯。eQTL分析显示PpAAT1、PpAAT2和PpAAT3均为顺式调控基因，且启动子区的SNP（Pp05_1981473）显著影响这些基因的表达水平。红肉桃中，PpAAT1的hap2单倍型、PpAAT2和PpAAT3的表达水平显著降低，与酯含量呈正相关。这些变异（包括SNP、插入缺失和结构变异）可能削弱了PpNAC1转录因子对PpAAT1的激活作用，并最终导致红肉果实中Z-3-乙酸己烯酯含量降低。
图4 串联重复的 PpAAT 与 Z-3-乙酸己烯酯含量的变化有关
5、PpBL 和 PpNAC1 级联调节参与芳樟醇合成的多个基因的表达
研究发现，红肉桃果实中与芳樟醇生物合成相关的多个基因（如PpDXS1、PpDXR、PpMCT等）转录水平显著降低。eQTL分析显示这些基因受Red-fleshed.Pp05位点的反式调控，其中PpBL在该位点的表达因单倍型不同而存在显著差异。此外，PpNAC1可激活MEP通路中的多个基因表达，并在转基因番茄中验证了其对芳樟醇合成的调节作用。
图5 GRN05 级联反应中的转录因子调节参与芳樟醇合成的多个基因的表达
6、挥发性合成的遗传机制在商业栽培品种中是保守的
在其他不相关的桃品种中，研究团队验证了CSFP群体中发现的表型和调控机制。结果显示，红肉品种中芳樟醇和Z-3-乙酸己烯酯的含量显著低于白肉品种，与CSFP群体的观察一致。携带PpAAT1-hap2基因型的红肉桃果实中Z-3-乙酸己烯酯水平显著降低，表明PpAAT1的hap1单倍型对提升果实香气品质至关重要。此外，红肉品种中PpBL和PpMYB10.1的转录水平高于白肉品种，而PpNAC1的表达则相反，这进一步揭示了红肉桃香气相关基因的调控模式，为培育香气更强的红肉桃提供了重要遗传资源。
图6 桃果实中红果肉和香气相关挥发物的调控
总结
1.风味挥发物的损失与遗传位点的鉴定：消费者评估和代谢组分析显示，红肉桃中与风味相关的挥发物显著降低，尤其是芳樟醇和Z-3-乙酸己烯酯。
2.eQTL分析与基因调控网络的构建：基于GWAS和eQTL数据构建的基因调控网络（GRN05）揭示了红肉与挥发物之间的联系，且联合分析显著提高了表型解释率。
3.关键基因和调控机制的验证：PpBL和PpNAC1级联调节多个参与芳樟醇合成基因的表达，进一步改善红肉桃的风味品质。
参考文献：Cao X, Su Y, Zhao T, et al. Multi-omics analysis unravels chemical roadmap and genetic basis for peach fruit aroma improvement. Cell Rep. 2024, 43: 114623.
