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板蓝根为菘蓝的根部，具有多种药用价值。四倍体菘蓝具有优良的表型性状如更高的产量、更高的生物活性物质积累和更强的抗逆性。本研究对板蓝根同源四倍体及其父本进行了转录和代谢组学比较研究。

实验材料：菘蓝（2n=2X=14）、通过秋水仙素诱导形成的同源四倍体菘蓝（4n=4X=28），各取根部，设置三份生物重复；

实验设计：对二倍体和同源四倍体菘蓝幼苗进行转录组和广泛靶向代谢组分析；

技术路线：

（1）板蓝根同源多倍化后代谢组学的变化

采用UPLC-TOF/MS对二倍体板蓝根（D）及其四倍体提取物（T）进行广靶代谢谱分析，鉴定出283种带注释的代谢物。其中70种代谢物表达差异，主要为生物碱、酚酸、木脂素和黄酮醇。其中木脂素和黄酮类化合物是板蓝根中苯丙烷类化合物的两大类，本研究结果明显说明板蓝根中苯丙烷类化合物的多倍体诱导作用。值得注意的是，同源多倍体促进了落叶松脂醇葡萄糖苷的生物合成，在类黄酮方面，四倍体也提高了根皮苷的积累，这些化合物可以认为是多倍化的指示性成分。

图1 代谢组检测代谢物分析

（2）板蓝根同源多倍化后转录组学的变化

基于RNA-seq建立的转录图谱，对同源多倍化后的板蓝根基因表达和随后的代谢途径进行分析。通过差异分析鉴定出了2065个差异基因，其中1251个基因在多倍体中表现上调，814个基因在多倍体中表现为下调。结合KEGG数据库对差异基因进一步注释、分类和富集分析。发现主要富集在苯丙素生物合成和植物激素信号转导。进一步对2065个差异基因进行功能分类，在应激反应、生长发育调控、激酶和信号、转运蛋白等方面均出现差异调控。此外，在板蓝根中还鉴定出26个差异转录因子，其中18个转录因子（包括bZIP40、NAC29、Myb59）和8个转录因子（包括ERF36/70和NAC41）分别被多倍体上调和下调。

图2 差异基因KEGG富集

（3）多倍化后的系统性转录和代谢转变

采用皮尔逊相关系数对代谢组和转录组进行结合分析，以显示多倍化过程中的动态变化。综合分析表明，1584个差异基因与70种差异代谢物高度相关。使用15个差异转录因子和67个差异代谢物构建TF-代谢物关联网络，直观展示参与多倍体诱导的板蓝根代谢组和转录组改变的转录因子。在15个多倍体改变的转录因子中，Bhlh44/63/129/、ERF70、ASIL2、NF-YC-1和HsfB2b与差异代谢物高度相关。值得注意的是，多倍体诱导的NAC54与多倍体增强的两种代谢物（芥子醇、槲皮素二甲醚）正相关。多倍体中，喹啉、芥子醇、迷迭香酸等均与HsfB2b、ASIL2、Bhlh129和Bhlh63这四种转录因子呈现正相关；同时也有3种下调的转录因子NF-YC-1、bHLH44和ERF70等呈现负相关。

图3 差异转录因子和差异代谢产物网络

（4）多倍化调控木脂素代谢的代谢组和转录组综合分析

为了对木脂素生物合成的多倍体响应变异有一个系统的认识，我们对木脂素合成的一般苯丙烷途径、木脂素生物合成的转录本和相应的代谢产物进行了构建木脂素生物合成途径的研究。参与苯丙醇途径的几种关键代谢物（如松柏醛和松柏醇）和木脂素化合物（如落叶松脂醇葡萄糖苷）在多倍化后显著增加。此外不同的催化基因（如C4H、4CL、COMT和F5H）表现出类似的上调模式，与增加的代谢物相对应，这表明木脂素的生物合成途径受到多倍化的调控。

图4 板蓝根多倍体对木脂素代谢的调控

在多倍体改变的TFs-木脂素网络中，有10个差异TFs和17个波动的苯丙烷途径化合物，这表明多倍体介导的转录调控导致木脂素代谢的转录和代谢变化。

图5 板蓝根多倍体差异转录因子和木脂素调控网络

本研究通过使用转录组+代谢组学的方法，通过分析代谢合成的关键节点，构建基因-代谢物网络，表明多倍化是同源四倍体板蓝根活性物质含量较高的原因，其中基因-木脂素途径网络分析也鉴定出了多种多倍体响应的关键功能基因和调控因子。