2022年7月7日，植物学领域TOP期刊《Molecular Plant》在线发表了山西农业大学杂粮种质创新与分子育种山西省重点实验室与华中农业大学、北京工商大学、中国农业科学院作物科学研究所等单位合作完成的研究论文：“Multi-omics analyses of 398 foxtail millet accessions reveal genomic regions associated with domestication, metabolite traits and anti-inflammatory effects”。该研究以398份谷子自然群体为研究材料，通过全基因组重测序、转录组、代谢组、抗炎组多组学联合分析，揭示了谷子驯化选择中代谢物定向变化的遗传机制，为小米中重要代谢物关键遗传基础的解析奠定了基础，也为小米服务于大健康产业提供了理论支撑。
▲植物学期刊《Molecular Plant》官网截图
谷子（Setaria italica）由野生绿色狗尾草（Setaria viridis）驯化而来，驯化的显著特征之一是脱壳后籽粒为黄色（狗尾草是灰色）。小米不仅营养丰富，还具有很好的药用价值。明代李时珍在《本草纲目》中记载：小米“治反胃热痢，补虚损，开肠胃。”小米是北方人喜爱的主要粮食之一，食用小米有利于补血，保护发质，还可滋润皮肤，具有补脾胃、补肾、养心安神、美容养颜等功效，除此之外，小米还能预防糖尿病、肥胖症等，研究表明食用小米可以减轻甚至治愈慢性消化系统疾病，但小米代谢产物含量和特征变化背后的关键遗传基础，以及代谢物与消炎养胃作用之间的关联尚不清楚。
研究人员首先对398份自全国各地的谷子品种进行了全基因组重测序，包括162个栽培品种、198个地方品种和38个野生种狗尾草（S. viridis）（图1A）。进化树和主成分分析都揭示北方和南方谷子以及野生种狗尾草之间有明显的基因型差异。但是，在北方或南方的地方品种和栽培品种之间没有明确的基因型划分（图1B），说明谷子的驯化并没有水稻、玉米等作物显著。
通过对小米代谢物图谱分析发现，所有材料品种分为三个主要的集群（图2A），这与遗传标记的进化关系表现一致。此次共鉴定了1104种代谢产物，野生种狗尾草的含量与谷子差异明显（图1C）。为了进一步揭示小米代谢性状背后的遗传机制，研究人员对398份谷子材料进行了mGWAS分析（图1D），结果显示，每个检测到的代谢物至少有197个显著相关性，平均每个代谢物有24个相关性。
▲图1 398份谷子种质的系统发育关系和代谢积累
为了揭示谷子驯化的遗传特点，研究人员共鉴定了57个与主要农艺性状相关的驯化位点（图2C、3A），其中八氢番茄红素合成酶基因（PSY1）受到显著的驯化选择（图3A）。研究人员对小米次生代谢物相对含量进行了GWAS分析，在染色体4、5和6上分别观察到与小米的b*值相关的GWAS信号（图3B、3C）。PSY1基因单倍型分析表明，在5'UTR处，68.75%的野生种狗尾草具有A/A基因型，而98.4%的谷子具有G/G基因型（图3C），该位点基因型与米色和粉末颜色b*值显著正关联（图3E）。A/A基因型在地方品种中的比例低于2.6%，在栽培品种中低于0.7%，表明该位点受到驯化选择（图3F）。
为了验证PSY1基因的功能，研究人员使用CRISPR-Cas9技术对PSY1基因进行了编辑，获得了该基因的突变谷子材料。结果发现，突变体的籽粒中类胡萝卜素含量远低于野生型。与WT相比，小米中叶黄素和玉米黄质的含量分别减少25.5%和34.4%（图3D）。
▲图2 基于代谢组的PCA和mGWAS分析
▲图3 驯化分析、米色性状GWAS和PSY1功能鉴定
为了验证不同谷子的抗炎作用，研究人员检测了在1 μg/mL LPS（脂多糖，可引起炎症反应）和200 μg/mL小米粉末提取物共培养的RAW264.7细胞中IL-1β、IL-6和TNF-α的水平（图4A）。结果显示，与LPS诱导相比，96%以上的小米提取物处理显著抑制三种细胞因子的产生，一些小米品种的提取物甚至可以将细胞因子水平维持在与对照一样低的水平（图4B）。将抗炎指数作为性状进行GWAS分析，结果发现分别在2、6和1号染色体上确定了与IL-1β、IL-6和TNF-α指数关联的位点，相关基因与叶酸转运（Si2g05580）、脂质代谢（Si6g04690）和醛脱羰酶（Si1g36380）有关。这些来自叶酸、脂质和类黄酮合成途径的基因可能在小米提取物的抗炎作用中发挥作用（图4C）。
▲图4 抗炎模型和GWAS对抗炎特性的影响
研究人员进一步通过对谷子籽粒灌浆中期转录组、代谢物含量和抗炎指数之间的相关性进行分析，找到了转录组、代谢组和抗炎特性之间的网络联系（图5）。在代谢物转录网络中总共包括9415个基因代谢物，其中大多数基因来自“棕色”模块（WGCNA获得基因模块）（图5A）。代谢物抗炎因子网络显示，除“wh1094”（柚皮素查尔酮、黄烷酮）和“wh1526”（5-O-p-香豆酰奎宁酸、氨基酸）外，大多数代谢物并没有鉴定出其物质结构和类型（图5B）。已有研究表明柚皮素查尔酮和香豆酰奎宁酸具有显著的抗炎活性。
▲图5 代谢物、基因和抗炎指数之间的相关性网络图
总之，本研究人员以398份谷子自然群体为材料，通过全基因组重测序、转录组、代谢组、抗炎组多组学全面联合分析，发现在不同的谷子亚群之间，存在着随代谢物变化而产生的自然变异及其潜在的遗传结构，主要是谷子黄粒相关基因等位基因的选择导致了代谢产物的改变，如类胡萝卜素和内源性植物激素。并通过基因组编辑验证了小米中PSY1的功能，结果表明突变体中类胡萝卜素含量与WT相比显著下降。而体外细胞炎症实验表明，小米提取物中有83种代谢物具有抗炎作用。本项研究为进一步了解谷子品质与不同代谢物之间的关系提供了理论支撑，同时也为未来谷子遗传研究及营养改良等方面奠定了坚实的基础。
山西农业大学生命科学学院李旭凯副教授、高建华副教授、北京工商大学宋靖仪博士、美国密西根大学郭凯博士为论文的共同第一作者；山西农业大学韩渊怀教授、王晓闻教授、华中农业大学陈鹏副教授、中国农业科学院作物科学研究所刁现民研究员、北京工商大学吴华副教授为论文的共同通讯作者。丹麦哥本哈根大学和美国普渡大学等单位参与了部分研究。
感谢山西农业大学外事处、科研处和人事处在人才引进、团队建设和科学研究方面给予的支持和帮助！感谢美国普渡大学的马渐新教授、姜亦巍教授，英国诺丁汉大学的Don Grierson院士，浙江大学李明定教授，中国农业大学潘清春副教授在实验设计和论文写作方面给予的指导和帮助！特别感谢中国农业科学院作物科研究所刁现民研究员长期以来给予的支持和帮助！由衷感谢山西农业大学杂粮分子育种团队的全体老师们、同学们！
本研究得到国家重点研发计划“杂粮作物核心资源遗传本底评价和深度解析”（2019YFD1000700）、国家自然科学基金、国家自然科学基金联合基金和山西省重点研发计划的资助。
（文 山西农业大学杂粮功能基因组学中心）
