Mol Plant | 山西农业大学杂粮分子育种团队多组学解析小米代谢物驯化的遗传机制和抗炎效果

谷子 (Setaria italica) 是二倍体自花授粉作物，基因组较小，具有高质量的参考基因组，是极具发展潜力的C4禾谷类模式植物 (Yang et al., 2020)，由野生绿色狗尾草 (Setaria viridis) 驯化而来 (Mamidi et al., 2020)，具有很高的营养和药用价值。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”。研究表明食用小米可以减轻甚至治愈慢性消化系统疾病 (Wu and Liang, 2018)。直到今天，北方妇女生小孩坐月子仍偏爱吃小米粥进行身体恢复。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。

2022年7月7日，山西农业大学杂粮分子育种团队在植物学领域TOP期刊Molecular Plant发表了题为Multi-omics analyses of 398 foxtail millet accessions reveal genomic regions associated with domestication, metabolite traits and anti-inflammatory effects的研究论文。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、抗炎组多组学全面联合分析，揭示了谷子驯化选择中代谢物定向变化的遗传机制。

FST分析结果发现，八氢番茄红素合成酶基因 (PSY1) 受到驯化选择，该基因是类胡萝卜素生物合成途径上的第一个合成酶，也是关键限速酶。谷子驯化的显著特征之一是脱壳后籽粒为黄色（狗尾草是灰色）。米色则主要是由种皮、糊粉层和胚乳中类胡萝卜素和类黄酮的含量决定。对小米米色性状GWAS分析发现，最显著的信号也位于 PSY1 上。单倍型分析表明，在PSY1 5'UTR处，68.75%的狗尾草具有A/A基因型，而98.4%的谷子具有G/G基因型，且该位点基因型与小米颜色b*值显著正关联，进一步使用CRISPR-Cas9技术对PSY1基因进行编辑，创制了谷子中该基因突变体。与WT相比，突变株系中的类胡萝卜素含量显著降低，其小米中叶黄素和玉米黄质的含量分别减少25.5%和34.4%。

离体抗炎实验发现，小米群体代谢组与抗炎活性之间具有一定的关联性。其中83种代谢物具有抗炎作用，能显著抑制炎症因子的产生，甚至能达到未处理对照组中一样的低水平。例如柚皮素查尔酮和香豆酰奎宁酸已报道具有显著的抗炎活性。揭示了小米抗炎效果是多组分的综合效果，参与小米抗炎代谢的组分除部分已知的以外，还有很多需要进一步分离和鉴定。

本研究为小米中重要代谢物关键遗传基础的解析奠定了基础，为小米在中国作为药食同源的食材和服务于大健康产业提供物质基础和理论支撑。

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助理教授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。该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。

转自：植物科学最前沿

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