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从路边的狗尾巴草到结出小米的谷子，经过老祖先几千年的驯化选择，小米成为生活中最主要的杂粮之一，凝练出至今仍然适用的购物指南——黄灿灿的小米最好吃，这背后的遗传机制直到最近才被真正挖掘。7月7日，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联合华中农业大学、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和抗炎效果。该研究已发表在植物学领域顶级期刊Molecular Plant。
C4作物再探索
为什么要研究谷子？山西是小米的故乡，太行山以西、太岳山以东的地区，历来是山西小米的主产区，也是优质小米生长的地方。同时，谷子是公认的C4禾谷类的模式植物，山西农业大学等单位多年来与农科院合作利用迷你谷子构建C4禾谷类作物研究的模式植物体系。因此，以谷子为目标开展规模庞大的全基因组重测序具有十分重要的现实及科研意义。
自然界的植物主要有C3和C4两种类型，以及极少数介于两者中间的类型。山西农业大学生命科学院王兴春教授介绍道，简单来说，C4植物比C3植物多了一个“加压泵”，可以加快植物吸收二氧化碳参与光合作用的速度。水稻就是典型的C3植物，国外科学家想把水稻改造为C4植物，以此大幅提高产能，以解决人口增长带来的粮食安全问题，但至今人类对于C4植物的认识还不够深入。两年前，山西农业大学王兴春教授开发了禾谷类C4模式植物，以谷子作为参照物就成为研究C4植物的首选。
2017-2019年，在山西太谷的山西农业大学校区里，生命科学学院的本科生、研究生和老师们共同经营了一片谷子试验田，这里种植了400多个谷子品种，包括栽培品种、农家品种、野生狗尾草品种，每个品种的谷子种植了四排。这些品种大多来自国家种质资源库，还有部分野生狗尾草品种是由学生们在各自家乡特意收集。
谷子在籽粒灌浆中期只有两周时间，这是籽粒内含物从液体向乳液转化的关键时期，但取样时机对于从未接触谷子种植的学生们来说并不容易判断。冒着烈日，李旭凯花了两个月时间来带着学生们如何判断取样时机，他们在体验了籽粒手感后，拿镊子一粒粒小心夹住小米装在液氮的不锈钢容器，因为部分品种没有存活，最终收集了398份谷子品种作为研究材料。
“此次样本规模不算小，我们委托百迈客生物基因对这些研究对象进行高通量全基因重测序，这是我们该研究的起点”，李旭凯介绍道。
“金色的小米最好吃”
为了探究不同谷子种质资源间代谢物差异，论文第一作者李旭凯副教授委托其他高校，利用超高效液相色谱-串联质谱对谷子籽粒代谢产物进行了定量分析。以迷你谷子模式植物xiaomi为参考基因组，研究者们开展了籽粒代谢产物图谱分析，研究结果清晰地体现的遗传标记之间的进化关系。
研究者们分析灌浆中期籽粒转录组，探讨了基因表达与代谢产物水平和含量的关系。在数据中检测到24,800个表达基因，占注释基因的72.0%，通过加权相关网络分析，确定了23个高度相关的共表达模块。将这些模块进行注释，以确定其潜在的生物学功能，并确定了几种代谢模式，例如，研究者给工作中的分子分配了不同的身份，戴上了相应的“帽子”。类黄酮和类胡萝卜素生物合成在“蓝色”和“青色”模块中高度富集；脂肪酸代谢在“绿色”模块中富集；二萜类生物合成在“粉色”模块中富集。
其中，研究者们发现PSY1蛋白在催化类胡萝卜素生成中起着起步且关键的功能，他们利用基因编辑技术获得了该基因突变体材料，发现突变体材料籽粒中的类胡萝卜素含量远低于野生型籽粒；同时与野生型相比，叶黄素和玉米黄质分别降低了25.5%和34.4%。这些结果表明了PSY1基因与谷子颜色变异之间的联系，同时也说明了mGWAS方法是识别与代谢产物相关性状相关的关键候选基因的有效手段。
剥开狗尾巴的种子，会发现他们的种子是灰黑色，口感也是十分干涩，还有极稀少的白色、绿色谷。经过老祖先的驯化选择，百姓收获的谷子籽粒慢慢都变成了金灿灿的颜色，这些都是老祖先“意外之举”，而上述研究也验证了这一选择的“科学性”。
李旭凯介绍道，“PSY1基因和类胡萝卜素生物合成有很大关联，丰富的不饱和脂肪酸是米油的来源，研究发现，不饱和脂肪酸和类胡萝卜素分子通过化学键紧密且牢固的联系在一起，它们的外在表现就是黄色的籽粒。经过几千年的驯化选择，流传下来的受欢迎的品种都是黄色为主，小米中不饱和脂肪酸和类胡萝卜素含量与小米营养价值相关，我们找到了老百姓的直觉背后的科学依据。”
印证小米能缓解肠胃炎症
2018年，李旭凯在武汉听了一个场关于谷子代谢物抗炎效果的学术报告，当时已有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。李旭凯和团队其他研究者们产生了深入此项研究的想法。
细胞因子因其抗炎功能而闻名。为了研究不同谷子粉末提取物的抗炎作用，研究者们开展了大规模的离体抗炎实验，发现了83种潜在功效物质。这83种潜在功效物质中只有极少数是已知物质。
此外还发现了具有抗炎特性的代谢物，如类黄酮、酰胺和有机酸。代谢抗炎因子网络显示，除了wh1094（柚皮素查尔酮、黄烷酮）和wh1526”（5-O-p-香豆酰奎宁酸、氨基酸）两种小分子化合物之外，大多数代谢产物并没有鉴定出其物质结构和类型，小米抗炎物质精准鉴定提供了丰富的侯选库。已有研究表明这两种代谢物具有显著的抗炎活性。
李旭凯表示，很多功能物质都来自不同生物的次级代谢物，我们研究了上百种次级代谢物，其中包括非常多未知的化合物这些是后期小米营养保健品、新型药用合成物活新型功效的筛选和挖掘的基础。后续有关小米营养成分的科学机理是我们的研究方向，真正找到它的营养秘诀。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.07.003
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