谷黄稻香瓜果脆，又是一年丰收季，回顾过去的一年，诺禾致源与合作伙伴们深耕科研领域，硕果累累，在这个丰收的季节里，山西农业大学杂粮分子育种团队在小米驯化选择中代谢物定向变化的遗传机制研究上产生了重大突破！该研究对398份小米材料进行了全基因组重测序，通过基因组、转录组、代谢组和抗炎指数的多组学联合分析，揭示了小米从绿色狗尾草驯化的过程中代谢物变异及其遗传机制。2022年7月，山西农业大学杂粮分子育种团队在SCI一区期刊 Molecular Plant 上发表了题为"Multi-omics analyses of 398 foxtail millet accessions reveal genomic regions associated with domestication, metabolite traits and anti-inflammatory effects"的研究论文，该研究通过对398份小米材料的多组学分析揭示了小米代谢物驯化的遗传机制和抗炎效果。本研究由诺禾致源提供测序服务。

文章题目

Multi-omics analyses of 398 foxtail millet accessions reveal genomic regions associated with domestication, metabolite traits and anti-inflammatory effects

多组学解析398份小米代谢物驯化的遗传机制和抗炎效果

发表杂志：Molecular Plant

影响因子：21.949

发表时间：2022.07.07

发表单位：山西农业大学杂粮分子育种团队

本文亮点：本研究包含小米群体的基因组、转录组和代谢组数据，特别是抗炎指数。还通过基因编辑技术验证了PSY1的功能。进行了不同组学数据之间的关联分析，为进一步的功能基因组学研究和小米营养改善打下了坚实的基础，得到的数据将为未来植物代谢途径的研究和营养质量的提高提供有价值的资源。

研究结果

1.多组学数据集的生成与分析

对398份地理上不同的小米资源进行了全基因组重测序，鉴定了4158075个筛选单核苷酸多态性（SNPs）和插入缺失多态性（InDels），并发现在这些SNP中，30.5%发生在基因编码区域；遗传多样性分析、系统发育树及主成分分析（PCA）显示，所有品种在主成分分析中形成三个主要聚类，南方品种与北方品种间有明显分离，而地方品种与栽培品种间无明显分离；对小米的代谢物水平进行分析，结果表明21%的代谢物的广义遗传力(H2)大于0.50，5%的代谢物的H2值甚至超过0.70，56%的代谢物观察到的变异系数大于50%；为了探索基因表达与代谢物水平和含量之间的关系，通过转录组深度测序（RNA序列）分析了灌浆后期的小米转录组，在RNA序列数据中检测到24800个表达基因，占注释基因的72.0%。进行加权相关网络分析，确定了23个高度相关的共表达模块。

图1 398个小米种质资源的分布、系统发育关系与代谢热图

2.小米驯化过程中的选择信号及谷粒颜色和品质性状相关基因的GWAS鉴定

PHYTOENE SYNTHASE1 (PSY1)基因是一个与驯化相关的关键基因，是类胡萝卜素生物合成途径上的第一个合成酶，也是主要限速酶。小米驯化的一个显著特征是去壳后谷粒为黄色，大多数地方品种和小米品种生产黄色的小米，其颜色主要是由于果皮、糊粉层和胚乳中类胡萝卜素和类黄酮的积累。谷粒黄色和小米品质是小米驯化过程中重要的育种性状，对小米的颜色进行GWAS分析，发现 PSY1 上信号显著。单倍型分析结果显示，在PSY1位点的5’非翻译区，68.75%的绿色狗尾草携带A单倍型，98.4%的小米材料携带G单倍型，G单倍型与A单倍型相比，谷粒颜色的b*值更高。野生型的比例在本地品种中低于2.6%，在栽培品种中低于0.7%，表明驯化过程中G单倍型受到驯化选择。大多数优良品种的谷粒都是黄色的，而野生品种通常具有均匀的灰色粒。单倍型网络表明，PSY1单倍型具有地理结构分布。为了建立SiPSY1和谷粒颜色之间的联系，使用CRISPR-Cas9基因组编辑技术为SiPSY1生成突变材料，结果表明纯合子基因编辑植株谷粒中类胡萝卜素含量远低于野生型谷粒，纯合子谷粒叶黄素和玉米黄质含量比野生型谷粒分别降低25.5%和34.4%。

图2 驯化分析、谷粒颜色GWAS和PSY1功能鉴定

3.小米提取物的抗炎作用

体外细胞炎症试验表明，谷粒中的83种代谢物具有抗炎作用。测定了与1 mg/ml模拟炎症的脂多糖（LPS）和200 mg/ml小米提取物共同培养的单核/巨噬细胞样细胞RAW264.7中IL-1b、IL-6和TNF-a的水平，发现LPS处理显著增加了IL-1b、IL-6和TNF-a的水平，在向培养基中添加小米提取物后，这些水平会降低。与单独的LPS处理相比，96%以上的小米提取物处理显示出显著（p<0.05）的阻止这三种细胞因子产生的能力，其中一些来自小米的小米提取物甚至产生的细胞因子水平与未经处理的对照组一样低。这些结果表明，小米提取物比IL-1b或IL-6更能抑制TNF-a的生成。

图3 抗炎模型和GWAS对抗炎性状的影响

4.转录组、代谢组和抗炎指数网络

在这项多组学研究中，通过计算每个转录物、代谢物丰度和抗炎指数之间的相关系数来连接转录组、代谢组和抗炎特性。结果表明，转录预测结构和代谢物预测结构数据集之间的总联合方差分别达到31.5%和17.8%。转录数据和代谢物数据的独特差异程度分别达到34.0%和26.8%。大量的联合分析表明，相当大比例的代谢物水平变化伴随着基因表达的变化。最后，将总共9415个基因代谢物对纳入代谢物转录网络，鉴定了具有抗炎特性的代谢物，如类黄酮、酰胺和有机酸。这两种代谢物用于早期抗炎试验，并显示出良好的抗炎效果。

图4 基于代谢物、基因和抗炎指数之间相关性的网络

参考文献

[1] Li X., Gao J., Song J., Guo K., Hou S., Wang X., He Q., Zhang Y., Zhang Y., Yang Y., Tang J., Wang H., Persson S., Huang M., Xu L., Zhong L., Li D., Liu Y., Wu H., Diao X., Chen P., Wang X., and Han Y. (2022). Multi-omics analyses of 398 foxtail millet accessions reveal genomic regions associated with domestication, metabolite traits, and anti-inflammatory effects. Mol. Plant. 15, 1367–1383.