整合转录组和代谢组分析揭示柳兰雌雄花发育机制，为植物研究提供新视角

为探究柳兰（Salix variegata）雌雄花发育机制，研究人员整合转录组和代谢组分析，发现关键调控因子，为植物研究提供依据。

　　# 整合组学解析柳兰雌雄花发育机制，为植物研究开辟新路径
在植物的奇妙世界里，开花是一场生命的盛大庆典，它关乎着植物的繁衍和物种的延续。然而，对于许多植物来说，开花过程中的性别分化和花朵发育机制却如同神秘的宝藏，等待着科学家们去挖掘。柳兰（Salix variegata Franch.）作为一种典型的雌雄异株植物，不仅具有强大的繁殖和适应能力，在生态修复和堤坝防护方面发挥着重要作用，还拥有独特的花朵发育过程，但其背后的分子机制却鲜为人知。此前，虽然对柳兰的生态适应性研究颇多，但关于其雌雄花发育的分子机制和代谢动态的探索却寥寥无几。这一知识缺口，就像迷雾笼罩着柳兰的生命奥秘，激发着科研人员的探索热情。

为了揭开柳兰雌雄花发育的神秘面纱，西南大学的研究人员踏上了探索之旅。他们整合转录组和代谢组分析技术，对柳兰雌雄花发育过程进行了深入研究。研究成果发表在《Scientific Reports》上，为理解植物性别分化和花朵发育提供了新的视角和理论依据。

在研究过程中，研究人员主要运用了转录组分析、代谢组分析以及两者的整合分析这几个关键技术。在转录组分析方面，构建了柳兰雌雄花三个发育阶段的 cDNA 文库并测序，以柳兰基因组为参考量化基因表达水平，筛选差异表达基因（DEGs） ，并进行 GO 和 KEGG 富集分析；代谢组分析则利用液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）平台测定代谢物，通过多种方法筛选差异表达代谢物（DEMs）并进行 KEGG 富集分析；最后通过 MetaboAnalyst 5.0 进行转录组和代谢组的整合分析。

柳兰雌雄花发育过程中的转录组变化

研究人员对柳兰雌雄花三个不同发育阶段的 18 个 cDNA 文库进行测序，获得了大量高质量数据。主成分分析（PCA）结果显示，不同样本分组能够明显区分，且雌雄花在同一花期的表达模式相似。通过严格筛选标准，共鉴定出 12,245 个 DEGs。在雌花的不同比较组中，F1 vs. F2 筛选出的 DEGs 最多，表明从花芽到花期，雌花发育涉及更多基因；在雄花的不同比较组中，M1 vs. M2 筛选出的 DEGs 最多，意味着雄花从花芽到花期的发育也有较多基因参与。在同一花期的雌雄花比较组中，F2 vs. M2 的 DEGs 最为丰富。聚类热图进一步展示了不同基因在雌雄花不同发育阶段的表达差异，以及各生物重复组内的高度相似性。

差异表达基因的功能分析

对 DEGs 进行 GO 和 KEGG 富集分析发现，雌雄花在不同发育阶段的 DEGs 主要富集在生物过程、细胞组分和分子功能等领域。雌花显著富集在解毒、节律过程、转运体活性和转录调节因子活性等方面；雄花主要富集在解毒、转运体活性和转录调节因子活性等方面。不同比较组的 DEGs 还分别富集在植物激素信号转导、光合作用、苯丙烷类和黄酮类生物合成等众多代谢途径中，表明这些途径在雌雄花发育过程中起着重要作用。

差异表达基因的聚类分析

通过 K - means 聚类分析，研究人员获得了 12,245 个 DEGs 在雌雄花发育过程中的表达趋势。在雌花中，不同聚类的基因在不同发育阶段呈现出不同的高表达特征，如 Cluster 2、3、5、6 和 13 中的基因在 F3 和 F2 高表达，涉及苯丙烷类生物合成、氮代谢等途径；在雄花中，不同聚类的基因同样在不同发育阶段表现出特异性高表达，如 Cluster 1、4、8、9 和 15 中的基因在 M3 高表达，与苯丙烷类生物合成、植物激素信号转导等途径相关。这些结果表明，DEGs 主要调节黄酮类、苯丙烷类和多种氨基酸的生物合成，是柳兰雌雄花发育的关键途径。

转录因子分析

研究人员进一步对柳兰雌雄花发育过程中高表达的转录因子（TFs）进行鉴定和分析，发现了大量不同类型的 TFs。其中，RLK、ERF、MYB、bHLH、C2H2、MIKC_MADS 和 NAC 等 TFs 在雌雄花不同花期均有表达。总体而言，TFs 在雄花各阶段的表达水平高于雌花，且雌雄花在不同时期下调的 DEGs 多于上调的 DEGs。不同基因家族的 TFs 在雌雄花不同发育阶段呈现出不同的表达变化趋势，暗示它们在柳兰雌雄花发育过程中发挥着重要的调控作用。

代谢物的统计分析

利用 LC - MS/MS 技术，研究人员共检测和定量了 5,855 种代谢物。PCA 分析和聚类热图结果表明，柳兰雌雄花在不同发育阶段的代谢物存在显著差异。代谢物被分为四个聚类，不同聚类的代谢物在雌雄花不同发育阶段的积累特征各异。这表明柳兰雌雄花在不同发育阶段的代谢物发生了显著变化，这些变化可能与花朵的发育和功能密切相关。

差异表达代谢物的功能分析

基于 OPLS - DA 模型等筛选标准，研究人员共筛选出 4,145 个 DEMs。不同比较组的 DEMs 数量和变化趋势不同，在雌花中，F2 vs. F3 的 DEMs 最多；在雄花中，M1 vs. M3 的 DEMs 最多。KEGG 富集分析显示，不同比较组的 DEMs 显著富集在多种代谢途径中，其中苯丙烷类生物合成和黄酮类生物合成在花期和花末期更为富集，表明这些代谢途径在柳兰雌雄花发育后期起着重要作用。

转录组和代谢组的联合分析

通过比较 DEGs 和 DEMs 涉及的代谢途径，研究人员发现了多个共同代谢途径，其中苯丙烷类生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸相互转化以及黄酮类生物合成途径在柳兰雌雄花发育过程中最为显著。进一步构建整合途径和基因共表达网络，发现一些关键基因和 TFs 可能介导苯丙烷类和黄酮类的代谢，从而调节柳兰花的发育。qRT - PCR 验证结果表明，转录组数据准确可靠。

研究结论表明，该研究通过整合转录组和代谢组分析，全面揭示了柳兰雌雄花发育的分子机制和代谢动态变化。研究发现的大量 DEGs、DEMs 以及关键 TFs，为深入理解柳兰的繁殖生物学提供了丰富的信息。这些结果不仅有助于我们更好地认识柳兰这一重要生态植物的繁殖奥秘，还为其他雌雄异株植物的相关研究提供了宝贵的参考，为进一步利用分子生物学手段调控植物花朵发育和次生代谢产物积累奠定了理论基础，在植物科学研究领域具有重要的意义。