中國農大田豐團隊利用LCMS實現對植物幼苗的代謝譜檢測

　　近日，The Plant Cell在線發表了中國農業大學田豐教授和李溱副教授團隊的合作論文"Evolutionary Metabolomics Identifies Substantial Metabolic Divergence between Maize and Its Wild Ancestor, Teosinte"。該研究結合代謝組學、群體遺傳學和數量遺傳學，系統解析了玉米馴化過程中的代謝分化，并進一步通過多組學分析鑒定了控制代謝分化的功能基因。

　　玉米是大約9000年前由分布于墨西哥西南部的大芻草馴化而來的。在馴化過程中，玉米的植株形態發生了巨大的變化，如分蘗減少、雌穗變大、籽粒由果殼包被到裸露等；而且，玉米馴化后向高緯度地區傳播過程逐漸適應了廣泛的溫帶環境，適應性發生了根本性的變化。代謝物是連接基因型與表型的橋梁，在植物生長發育和環境適應性方面發揮著重要作用。然而，代謝物在玉米馴化和適應過程中發生了怎樣的分化還知之甚少。

　　該研究利用非靶標液相色譜-質譜聯用（LC-MS）對大芻草、熱帶玉米和溫帶玉米幼苗進行了代謝譜檢測，獲得了豐富的代謝組數據。研究發現從大芻草到熱帶玉米和溫帶玉米進化過程中，玉米幼苗代謝組發生了逐步的分化，在玉米兩個進化階段不同的代謝物受到了強烈選擇。例如，萜類、脂質和生物堿主要在大芻草和熱帶玉米間發生分化；而苯并噁嗪類化合物主要在熱帶玉米和溫帶玉米間發生分化。這些代謝物在大芻草和不同玉米群體間發生分化可能是玉米適應不同生長環境造成的結果。例如，苯并噁嗪代謝途徑中HDMBOA在熱帶玉米中含量較高，此代謝物可以有效抑制熱帶地區咀食性昆蟲的危害；而DIMBOA在溫帶玉米中含量較高，它通過誘導胼胝質積累可以降低溫帶地區的蚜蟲等刺吸式昆蟲的危害。

　　為了研究這些代謝物發生分化的遺傳基礎，作者利用大芻草和栽培玉米雜交、回交衍生得到的重組自交系群體對分化代謝物進行了mQTL定位分析。研究發現最近發生的代謝分化相對早期的代謝分化遺傳基礎更簡單。研究鑒定到大量mQTL熱點區域，這些區域特異地影響某類代謝物。作者進一步結合該重組自交系群體的幼苗轉錄組數據，鑒定出了調控mQTL的候選基因。與群體基因組數據的整合發現，分化代謝物mQTL的候選基因在玉米馴化過程中更傾向于受到選擇。作者通過轉基因和突變體分析，證實了FHT1、Pr1和ZmTPS1在類黃酮和萜類代謝物分化中發揮了重要作用。該研究不僅揭示了玉米馴化、適應過程伴隨著深刻的代謝分化，而且展示了多組學數據的結合在解析數量性狀遺傳基礎上的強大功效。

　　中國農業大學博士研究生許光輝和曹晶晶為論文共同第一作者，農學院田豐教授和生物學院李溱副教授為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、青年千人計劃和中央高校基本科研業務費專項資金資助。