Integrated Transcriptomics and Metabolomics Unveil the Mystery of Elaeagnus mollis Diels Seed Viability Decline
《BMC Genomics》：Integrated transcriptomics and metabolomics to explore the mechanisms of Elaeagnus mollis diels seed viability decline
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为探究翅果油树（Elaeagnus mollis Diels）种子活力下降的机制，山西农业大学研究人员对新鲜种子及室温储存 1、3 个月的种子，开展种子活力、抗氧化系统、转录组和代谢组变化的研究。结果发现多个关键基因和代谢通路参与调控，该研究为延缓种子活力下降提供理论依据。
翅果油树是中国特有的珍稀濒危木本植物，具有药用、食用和生态等多种价值。在自然状态下，其种子活力下降迅速，这严重限制了种群的更新，使其处于濒危状态。目前，虽然对种子活力下降的研究在其他植物中有一定进展，但关于翅果油树种子活力下降的基因水平和代谢物差异仍不清楚，这使得难以制定有效的保护措施来延缓其种子活力的下降。
为了解开这一谜团，山西农业大学的研究人员开展了一项深入研究。他们以新鲜的翅果油树种子为对照，对比分析了种子在室温下储存 1 个月和 3 个月时，种子活力、抗氧化系统、转录组和代谢组的变化情况。该研究成果发表在《BMC Genomics》上，为深入理解翅果油树种子活力下降的机制提供了重要线索，也为保护这一珍稀物种的种质资源奠定了理论基础。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过 RNA 测序（RNA-seq）技术，对不同储存时间的种子进行转录组分析，以确定差异表达基因（DEGs）；其次，利用代谢分析技术，包括真空冷冻干燥、研磨、萃取等步骤，结合 UPLC-MS/MS 系统对种子代谢物进行定性和定量分析，筛选出差异积累代谢物（DAMs）；最后，运用生物信息学方法，对转录组和代谢组数据进行整合分析，挖掘与种子活力下降相关的关键基因、代谢通路以及它们之间的相互作用。
研究结果
- 种子活力分析：在自然状态下，室温储存 1 个月后，翅果油树种子活力开始大幅下降，3 个月后进一步显著降低，5 个月和 7 个月时下降趋势变缓，与 3 个月时的活力差异不显著。
- 生理指标分析：储存 1 个月和 3 个月后，种子内超氧阴离子（O2??）、过氧化氢（H2?O2?）和羟基自由基（?OH）含量显著高于新鲜种子；超氧化物歧化酶（SOD）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDHAR）、抗坏血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH）的活性或含量下降，而过氧化氢酶（CAT）活性逐渐升高12。
- 转录组分析：共鉴定出 76,429 个基因，新鲜种子与储存 1 个月种子之间有 801 个 DEGs，新鲜种子与储存 3 个月种子之间有 1,524 个 DEGs。KEGG 富集分析表明，这些 DEGs 主要参与代谢途径、光合作用中的碳固定、乙醛酸和二羧酸代谢、氮代谢等多个与种子活力相关的途径。其中，与抗氧化系统相关的基因，如 CAT、SOD、GR 等的表达变化与生理指标结果相符34。
- 代谢组分析：共获得 1,298 种代谢物，新鲜种子与储存 1 个月种子之间有 99 个 DAMs，新鲜种子与储存 3 个月种子之间有 142 个 DAMs。主要的 DAMs 类型为类黄酮、氨基酸及其衍生物和酚酸。同时，定性和定量分析发现，一些关键代谢物质的表达随储存时间延长而发生显著变化56。
- 转录组和代谢组联合分析：DEGs 和 DAMs 在类黄酮生物合成和色氨酸代谢途径中显著富集。在类黄酮生物合成途径中，检测到 6 个关键基因；在色氨酸代谢途径中，检测到 5 个关键基因。这些基因与种子活力下降密切相关，且两个途径中的关键基因和代谢物之间存在复杂的相互作用78。
- 转录因子分析：预测并鉴定出 25 个参与调控翅果油树种子活力变化的转录因子（TFs），其中 MYB-related、bHLH、AP2/ERF-ERF 等转录因子家族在种子活力下降过程中起重要调控作用910。
研究结论和讨论
本研究首次整合生理、转录组和代谢组学分析，揭示了翅果油树种子在自然状态下不同储存时间后活力下降的机制。生理指标表明抗氧化防御系统参与调节种子活力变化；转录组分析确定了 WRKY、C3H 等关键调节因子；类黄酮生物合成和色氨酸代谢途径通过作用于抗氧化防御系统，影响种子活力。
该研究在理论上深入解析了翅果油树种子活力下降的分子机制，为进一步研究种子衰老过程提供了重要参考。在实践中，其研究成果有助于制定针对性的种子保存策略，对延缓翅果油树种子活力下降、保护其种质资源具有重要意义，为珍稀濒危植物的保护提供了新的思路和方法。
