烟草多组学图谱：组织发育与品种类型的转录组解析

《Scientific Data》：A transcriptomic profiling across tissues, developmental stages, and types of Nicotiana tabacum

本研究针对烟草品种间基因表达差异机制不清的问题，通过跨组织（根/茎/叶/花）、发育阶段（苗期/旺长期/打顶期/采收期）和类型（烤烟/雪茄烟）的大规模转录组测序，构建了包含72个样本的高质量数据集。研究发现雪茄烟在采收期富集于萜类合成通路（sesquiterpene biosynthesis），而烤烟特异基因主要参与病毒防御响应，揭示了品种特异性代谢与防御策略的转录基础，为烟草品质改良提供了分子靶点。

　　

作为全球重要的经济作物和次生代谢研究模型，烟草（Nicotiana tabacum）在120多个国家被广泛种植。虽然所有栽培烟草均属于同一物种，但不同品种类型（如烤烟、雪茄烟、晒烟等）在表型和化学成分上存在显著差异，尤其是次生代谢产物的组成直接影响烟草的香气品质和加工特性。然而，当前研究对烟草不同品种类型间基因表达差异的系统性解析仍存在空白，限制了对烟草品质形成机制的深入理解。

为解决这一问题，云南省烟草农业科学院与浙江大学联合研究团队在《Scientific Data》上发表了题为“A transcriptomic profiling across tissues, developmental stages, and types of Nicotiana tabacum”的研究论文。该研究通过对烤烟品种F_K326和两个雪茄烟品种（C_104、C_010）的24个样本（涵盖4个组织、4个发育阶段）进行72个转录组测序，构建了迄今最全面的烟草转录组图谱。

研究团队采用BGISEQ-500平台进行RNA测序，使用fastp进行数据质控，通过HISAT2将清洁读数比对至ZY300参考基因组。基因表达量采用TPM（transcripts per million）和FPKM（fragments per kilobase of exon per million mapped fragments）标准化，利用DESeq2进行差异表达分析，并通过Mfuzz进行时间序列表达模式聚类。功能注释基于GO（Gene Ontology）和KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）数据库完成。

数据质量验证

研究获得了4,554.78 Gb原始数据，经质控后得到4,215.31 Gb高质量清洁数据。FastQC评估显示97.19%的清洁碱基质量值超过Q30（错误率<0.1%），HISAT2比对率达到94.27%。主成分分析（PCA）表明生物学重复间高度一致，证实数据可靠性。

差异表达基因分析

通过|log₂(Fold Change)|>2且调整P值<0.05的标准，研究发现品种间DEGs数量显著少于组织和发育阶段间差异，表明品种类型对基因表达的影响相对较小。在采收期（S4）的品种比较中，雪茄烟C_104富集于丙酸代谢和淀粉/蔗糖代谢通路，而C_010则显著富集于光合作用天线蛋白和DNA复制通路。

表达模式聚类分析

Mfuzz聚类识别出6个主要表达模式（Pattern A-F）。其中Pattern C在旺长期（S2）至打顶期（S3）呈现品种特异性分化：烤烟F_K326表达上升，而两个雪茄烟品种均显著下降。对该簇基因的深入分析发现，烤烟特有基因主要富集于"对卵菌响应"和"病毒防御响应调控"等防御相关过程，而雪茄烟特有基因则显著富集于"倍半萜生物合成过程"和"萜烯合酶活性"等次生代谢通路。

本研究首次系统揭示了烤烟与雪茄烟在关键发育阶段的转录组差异规律。研究发现雪茄烟在采收期优先激活萜类合成和光合作用相关通路，而烤烟则强化防御响应机制，这种差异可能直接导致两类烟草在香气成分和抗逆性上的表型分化。特别值得注意的是，Pattern C基因簇在旺长期至打顶期的相反表达趋势，提示品种特异性发育调控程序的存在。该数据集为解析烟草次生代谢产物合成机制提供了宝贵资源，对通过分子育种改良烟草品质具有重要指导意义。研究人员表示，未来整合代谢组和表观基因组数据将有助于全面揭示烟草品种特性形成的分子基础。