2025-07-10
文章信息
文章题目：Unraveling the regulatory network of barley grain metabolism through the integrative analysis of multiomics and mQTL
中文标题：通过多组学和mQTL的整合分析揭示大麦籽粒代谢的调控网络
发表期刊：Nature Communications
影响因子：15.7
发表时间：2025年7月
涉及组学：转录组、代谢组和mQTL
摘 要
尽管大麦籽粒代谢物已有研究，但其发育过程中代谢物动态变化与基因表达调控机制仍不清楚。本研究利用华大麦6号与华艾11号六个发育阶段的代谢组和转录组数据，鉴定出986种代谢物和18,868个共表达基因。在二者衍生的DH群体中，检测到1,057个mQTL与553种代谢物相关，并整合多组学数据构建了籽粒代谢共表达调控网络。进一步分析揭示了类黄酮代谢途径的关键转录因子和结构基因，明确了HvC1-1和HvMYC-1调控籽粒颜色分化的机制。该研究系统揭示了大麦籽粒发育的代谢调控网络，为营养品质改良和分子育种提供了重要资源。
前 言
大麦（Hordeum vulgare L.）作为全球广泛种植的谷类作物，不仅可作为食品和饲料，还在营养保健、酿造加工等方面发挥重要作用，因此被誉为“多元化作物”。近年来，随着对其黄酮类化合物、维生素等生理活性物质含量的关注，大麦逐渐被视为具有保健和药用价值的营养食品，尤其青稞的摄入被认为有助于降低多种慢性疾病风险。
苯丙烷代谢途径是植物中重要的次生代谢通路，其产物在植物生长发育和环境互作中发挥关键作用。类黄酮的生物合成起始于苯丙烷代谢途径，受结构基因（如PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、UGT等）和调控基因（如MYB、bHLH、WD40等）共同调控。尽管该通路在水稻、拟南芥等模式植物中已有较深入研究，但在大麦中仍缺乏系统性解析。
研究内容
1、大麦籽粒发育过程中的代谢分析
采用HPLC-MS/MS技术在大麦籽粒中共检测到986种代谢物，包括419种注释代谢物和567种未知代谢物，其中黄酮类化合物最为丰富，占注释代谢物的21.48%。代谢物聚类与主成分分析（PCA）均将样本清晰划分为细胞分裂期（7–21 DPA）和胚乳发育期（28–42 DPA）两个阶段，且同一阶段内样本间代谢物含量高度相关，表现出明显的阶段特异性。同时，转录组分析显示，22,925个基因在籽粒发育过程中表达，PCA和聚类分析同样将样本分为两个发育阶段，且基因表达模式与代谢物积累趋势一致，进一步说明大麦籽粒发育过程中代谢与基因表达均具有阶段特异性特征。
图1 代谢组和转录组分析概要
2、大麦代谢组和基因表达在对应于不同发育阶段的 9 个簇中共同调控
为揭示大麦籽粒发育过程中代谢物积累的动态变化，将986种代谢物分为9个簇（MC），其中簇7和8包含最多代谢物，主要积累于早期（7 DPA），随后逐渐消耗；而簇2和6的代谢物则在胚乳发育阶段（28 DPA后）开始积累，分别在42 DPA和35 DPA达到峰值。类黄酮、氨基酸及其衍生物等活性物质在各簇中呈现多样的积累模式。进一步分析发现，18,868个基因的表达水平与代谢物积累高度相关（r ≥ 0.8，p < 0.01），这些基因也被分为9个表达簇（GC），与MC高度一致。KEGG富集分析显示，GC2中富集于氨基酸代谢通路，对应MC2中富集氨基酸及其衍生物；GC5中富集类黄酮和苯丙烷合成通路，对应MC5中富集相关代谢物。结果表明，大麦籽粒中基因表达与代谢物积累在发育过程中高度协同。
图2 不同发育阶段大麦籽粒代谢物积累和基因表达模式之间的动态变化
3、mQTL 和共表达簇的联合分析，构建全球共表达调控网络
在去壳大麦HB6与裸大麦HA11的籽粒发育过程中，代谢物积累模式存在品种差异：簇1、2、4、5、6和8中的代谢物在两品种中趋势一致但含量不同。这种差异可能与调控基因的表达水平及功能变异有关。为系统解析代谢物积累的遗传基础在HA11×HB6衍生的DH群体中对1150种代谢物（555种已知）进行了mQTL分析，共鉴定出1057个mQTL，其中510个与已知代谢物相关，类黄酮类代谢物贡献最多（164个），其次是氨基酸类（48个）和维生素类（19个），并将其与代谢共表达簇整合，构建了涵盖籽粒发育全过程的大麦代谢调控网络（BMRN）。
图3 鉴定的 mQTL 的染色体分布
4、大麦籽粒发育过程中类黄酮生物合成途径的重建
利用构建的大麦代谢调控网络（BMRN）重点解析了类黄酮代谢途径的调控机制。共鉴定出90种类黄酮代谢物及其在染色体上的164个遗传位点，其中超过90%为糖基化修饰产物。网络中筛选出4个糖基转移酶基因（HvUGT-1至HvUGT-4）。此外，还鉴定到多个结构基因（如HvPAL-1、Hv4CL-1、HvCHS-1、HvCHI-1、HvFNS-1等）和2个R2R3-MYB转录因子（HvMYB-1和HvMYB-2），它们与类黄酮代谢物及结构基因共表达，并在胚乳发育阶段高表达。
图4 大麦中类黄酮生物合成途径重要基因的鉴定
5、NAC 转录因子的鉴定调节类黄酮代谢途径
在共表达分析中发现HvNAC-1与类黄酮代谢途径高度相关，并与HvMYB-1/2共享多个共表达基因和代谢物。瞬时过表达HvNAC-1显著提升了Tricin O-鼠李糖苷等类黄酮代谢物的积累，同时降低了木犀草素O-丙二酰己糖苷等物质的含量。亚细胞定位显示HvNAC-1定位于细胞核。LUC和LCI实验表明，HvNAC-1能激活类黄酮结构基因（如HvPAL-1、HvCHS-1、HvUGT-1等）的表达，Y1H分析进一步证实其通过CGT结合元件与这些基因启动子结合。在HvNAC-1过表达大麦株系中，叶片总类黄酮含量及关键酶基因表达显著下降。综上，HvNAC-1首次被证实参与调控大麦类黄酮代谢途径。
图5 鉴定调节类黄酮生物合成的 HvNAC-1
6、成熟大麦籽粒中类黄酮相关 mQTL 和颜色相关位点分析
在本研究中，发现大麦DH群体及其亲本在籽粒颜色上存在明显分化。代谢组分析显示，颜色较深的4&5级品系中富集了15种与色度相关的代谢物，主要为类黄酮，且其积累高峰出现在籽粒发育中后期（28–42 DPA）。QTL定位共鉴定出35个颜色相关QTL，主要集中在2H、3H、4H和7H染色体，并与类黄酮mQTL共定位形成3个热点区域。此外，2H和7H热点分别包含转录因子HvMYC-1和HvC1-1，二者在亲本间启动子区存在差异，且表达水平随籽粒颜色加深而升高。愈伤组织转化实验显示，过表达HvC1-1或HvMYC-1可诱导粉红色表型，进一步证实其参与籽粒颜色形成。综上，类黄酮代谢物积累与关键调控基因共同决定了大麦籽粒颜色的形成。
图6 大麦DH群体中成熟籽粒颜色相关基因的鉴定
总 结
本研究利用华大麦6号与华艾11号六个发育阶段的代谢组和转录组数据，系统揭示了大麦籽粒发育过程中代谢物的动态变化规律。
整合多组学数据构建了籽粒代谢共表达调控网络，明确了类黄酮代谢途径的关键转录因子（如HvC1-1和HvMYC-1）和结构基因，阐明了籽粒颜色分化的调控机制。
全面解析了大麦籽粒发育的代谢调控网络，为营养品质改良和分子育种提供了重要的理论依据和基因资源。
参考文献
Song R, Wang Y, Li Y, et al. Unraveling the regulatory network of barley grain metabolism through the integrative analysis of multiomics and mQTL. Nat Commun. 2025, 16:5544.
