转录组和代谢组联合分析揭示紫苏种子打破休眠的奥秘

为探究紫苏种子休眠解除机制，研究人员用转录组和代谢组分析，发现关键通路及调控因子，为育种提供依据。

　　紫苏，这种在东亚地区备受青睐的植物，不仅其鲜嫩的叶子能作为美味的蔬菜，种子还蕴含着丰富的 α- 亚麻酸，在医药、工业和食品领域都有着巨大的开发价值。然而，在自然条件下，紫苏种子有着长达 5 - 7 个月的休眠期，这一特性导致其发芽率低、发芽时间参差不齐，严重制约了紫苏的田间种植和育种进程。此前，关于紫苏种子休眠的特征及潜在分子机制尚无相关报道，这就像在黑暗中摸索，阻碍了紫苏产业的发展。为了打破这一困境，贵州农业科学院的研究人员开展了一项深入研究，试图揭开紫苏种子休眠解除的神秘面纱。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为紫苏的研究和应用开辟了新的道路。

在研究过程中，研究人员主要运用了转录组测序（RNA - Seq）和代谢组测序（LC - MS）技术。转录组测序能够全面分析基因的表达情况，了解在紫苏种子休眠解除过程中哪些基因被激活或抑制；代谢组测序则可以检测代谢物的变化，明确种子在这一过程中的物质代谢规律。研究人员以赤霉素 A₃（GA₃）浸泡的种子（GA）、自然解除休眠的种子（CK）和水浸泡的种子（WA）为研究对象，通过对这些样本进行转录组和代谢组分析，探究紫苏种子休眠解除的分子机制。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. GA₃对紫苏种子萌发的影响：研究发现，与水浸泡的种子相比，GA₃溶液能够打破紫苏种子的休眠，显著促进种子萌发。随着 GA₃浓度的增加，种子的萌发时间先缩短后延长，萌发数量先增加后减少。其中，200mg/L 的 GA₃溶液处理效果最佳，其种子的发芽率、发芽指数和发芽势均显著高于其他处理组。
2. 转录组分析：对种子样本进行 RNA - Seq 分析后，研究人员发现，通过 KEGG 分析，大量 Unigenes 被注释到代谢途径中，其中淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导等通路与紫苏种子休眠解除密切相关。进一步筛选差异表达基因（DEGs）并进行 KEGG 富集分析发现，在不同处理组的比较中，植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢等通路均显著富集，这表明这些通路在种子休眠解除和萌发过程中发挥着重要作用。研究人员还通过 qRT - PCR 对部分 DEGs 进行验证，结果显示其表达趋势与转录组测序结果一致，证明了转录组数据的可靠性。
3. 代谢分析：利用代谢组测序技术对种子样本进行分析，通过主成分分析（PCA）发现不同处理组的种子代谢物存在显著差异。研究人员共检测到 2741 种代谢物，并筛选出差异丰富代谢物（DIMs）进行深入分析。KEGG 功能富集分析表明，不同比较组的 DIMs 在氨基酸生物合成、ABC 转运蛋白、柠檬酸循环（TCA 循环）等多个通路中显著富集。
4. 关联分析：将转录组和代谢组数据进行关联分析，研究人员发现多个共同富集的通路，包括植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、TCA 循环等。这些通路中涉及的 17 种 DIMs 和 67 种 DEGs 在种子休眠解除过程中可能发生了显著变化，发挥着关键作用。通过构建基于这些通路的子网，研究人员发现吲哚 - 3 - 乙酸（IAA）、赤霉素 A₄（GA₄）等代谢物位于网络中心，与多个基因存在密切关联。

综合研究结果和讨论部分，该研究揭示了植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢以及柠檬酸循环（TCA 循环）是与紫苏种子休眠解除密切相关的重要途径。紫苏种子通过调节 GA₄、脱落酸（ABA）、IAA 等植物激素的含量，以及蔗糖、麦芽糖、海藻糖等代谢物的水平来解除休眠。其中，IAA 在打破紫苏种子休眠和促进种子萌发过程中发挥着重要作用，而种子打破休眠和萌发所需的能量主要来源于蔗糖代谢，TCA 循环则是种子萌发过程中主要的能量供应转化途径。

这项研究成果意义重大，不仅为进一步理解 GA₃解除种子休眠的机制提供了理论依据，还为培育高发芽率的紫苏品种提供了有价值的参考，有助于推动紫苏在农业生产中的广泛应用，为相关领域的研究开辟了新的方向。