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项目文章 | 多组学联合解析，深入探秘莳萝风味成分的合成机制
英文标题：Insights into dill (Anethum graveolens) flavor formation via integrative analysis of chromosomal-scale genome, metabolome and transcriptome
发表期刊：Journal of Advanced Research
发表时间：2025.3（IF：11.4）
2025年3月，南京农业大学熊爱生教授团队在Journal of Advanced Research发表了题为“Insights into dill (Anethum graveolens) flavor formation via integrative analysis of chromosomal-scale genome, metabolome and transcriptome”的研究论文。该研究成功组装了莳萝高质量的染色体水平的基因组，揭示了转座元件在其进化中的重要作用，同时结合代谢组和转录组学，系统地鉴定了莳萝风味形成关键的VOCs（挥发性有机化合物）及其合成路径中重要的基因家族成员，为莳萝基因功能研究、生物活性物质开发以及种质资源的鉴定和利用奠定了基础。
贝纳基因参与了该项目HiFi、Hi-C等测序工作，以及基因组组装和部分分析工作。
研究背景
莳萝（Anethum graveolens）是伞形科的一种重要药用植物，由于挥发性有机化合物（VOCs）含量较高，莳萝常被用于精油提取以及其他的药用用途。然而，莳萝中关键VOCs的生物合成机制目前尚未得到充分的研究。本文通过构建莳萝染色体水平的基因组，并结合代谢组和转录组学的研究，深入解析了萜类、酯类和芳香族化合物以及其生物合成路径中的关键基因在莳萝风味形成中的重要作用，为理解萜类化合物的生物合成和莳萝的分子育种提供了新的视角。
研究结果
1. 莳萝基因组组装
本研究以蕨叶莳萝培养株为材料，通过流式细胞术和二代测序确定其基因组大小约为1059.1Mb，杂合度为0.59%。利用Pacbio HiFi、二代测序、Hi-C等测序数据对莳萝基因组进行组装，并将组装的基因组成功锚定到染色体上，最终获得了莳萝高质量染色体水平基因组。该基因组大小为1.17Gb，contig N50为10.78Mb，包含了11条染色体（图1）。
图1 莳萝染色体水平基因组
2. 莳萝基因组重复序列鉴定及分析
莳萝基因组含85.15%的重复序列，包括散在重复序列（TEs）和串联重复序列。本文对莳萝的TEs类型进行了统计分析，并与其伞形科的同源物种胡萝卜的TEs进行了比较分析，发现莳萝基因组中TEs的占比高达76.98%，而胡萝卜中的TEs仅占其基因组序列的53.51%。莳萝基因组中长末端重复逆转录转座子（LTR-RT）占比最高，主要可以分为LTR-Copia和LTR-Gypsy。自2百万年前这些LTR-RT就开始不断扩增。
图2 莳萝与胡萝卜转座因子的比较
3. 基因家族聚类和进化分析
本研究对莳萝和其它10个物种的同源基因家族进行了分析，共鉴定出69441个基因家族，其中共有基因家族有8354个，莳萝特有的基因家族有7050个。GO功能富集分析表明这些特有的基因家族主要与植物激素信号转导、核糖体和内质网蛋白质有关。根据莳萝和其它10个物种的单拷贝基因家族序列构建系统进化树，发现莳萝和芹菜亲缘关系最近。全基因组复制分析发现莳萝经历了被子植物特有的γ- WGT事件、核心真双子叶植物共有的WGD事件，以及伞形科植物特有的WGD事件。
图3 莳萝和其他物种的比较基因组分析
4. 莳萝叶片中的挥发性化合物（VOCs）鉴定和差异分析
本研究通过代谢组学方法，对莳萝叶片在不同生长发育时期（播种后45，70，100天，即45 DAS，70 DAS，100 DAS）的VOCs成分进行了系统鉴定。共鉴定出776种VOCs，主要是萜类化合物、酯类、杂环化合物、碳氢化合物等。其中，萜类化合物的占比最高，尤其是在70 DAS，总体上在不同时期VOCs的组成没有太大变化。大部分VOCs的相对气味活性值（rOAV）在70 DAS达到峰值，VOCs的含量也在这个时候最高，提示该时期可能是莳萝风味物质积累的关键时期。
图4 莳萝叶片中VOCs的统计分析
5. 莳萝发育过程中萜类化合物的生物合成
由于萜类化合物在莳萝发育过程中变化最显著，而且对其风味的贡献最大，本研究进一步对萜类化合物合成路径（MVA和MEP路径）的基因表达情况进行了分析。萜类化合物合成过程中主要涉及14个重要的基因家族，和拟南芥、胡萝卜相比，莳萝的HDR和DXS基因家族发生了扩增。TPS基因家族和萜类化合物的合成和多样性密切相关，本文在莳萝基因组中共鉴定到了20个该家族的基因，结合33个拟南芥和16个胡萝卜的TPS基因构建了系统发育树，TPS-b亚家族中仅3个在莳萝中高表达。组织特异性的基因表达分析显示有5个基因在莳萝根部高表达，2个基因在叶柄高表达。
图6 莳萝萜类化合物的生物合成
6. 莳萝萜类化合物合成相关的转录因子（TFs）分析
为了进一步揭示调控萜类化合物合成的关键因子，该研究根据基因表达相关性对莳萝基因进行聚类，共划分出26个基因共表达模块。由于70 DAS样本VOCs的丰度比较高，后续选取70 DAS样本相关的基因模块进行深入分析。根据70 DAS萜类化合物含量、基因相关性和基因表达情况，最终选定了一个模块的基因进行分析。该模块共有2270个基因，其中12个基因在KEGG注释中和萜类化合物合成相关。进一步分析发现与这12个萜类合成相关基因受到89个TFs调控，涵盖27个TFs家族。
图7 莳萝萜类化合物合成的调控网络
7. 莳萝代表性的酯类和芳香族VOCs的合成
除萜类化合物外，酯类和芳香族化合物在莳萝发育过程中也呈现显著变化，作者针对这两类化合物的DEMs也进行了分析。结果显示，茴香脑和乙酸肉桂酯在100 DAS时含量显著增加，进一步结合基因表达情况分析，发现2个AIS家族基因和2个AMT家族基因在100 DAS的高表达，推测与其积累密切相关。
图8 莳萝中茴香脑和乙酸肉桂酯的合成
研究结论
本研究构建了莳萝高质量的染色体水平的基因组，从基因组层面揭示了莳萝的进化特征，系统解析了与莳萝风味形成相关的VOCs以及相关合成路径中的关键基因和调控因子，为理解莳萝风味形成机制提供了分子基础，推动了莳萝的分子育种和应用。
参考文献：Wang Y H, Liu P Z, Zhang R R, et al. Insights into dill (Anethum graveolens) flavor formation via integrative analysis of chromosomal-scale genome, metabolome and transcriptome[J]. Journal of Advanced Research, 2025.
