全 文 ：林业科学研究 ２０１６，２９（１）：６１ ６６
ＦｏｒｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈ
文章编号：１００１１４９８（２０１６）０１００６１０６
泡泡刺高通量转录组鉴定及其黄酮类
代谢途径初步分析
马 婧１，邓 楠１，褚建民１，纪 敬１，史胜青１，江泽平１，成铁龙１，２
（１．中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局林木培育重点实验室，北京 １０００９１；２．南京林业大学，江苏 南京 ２１００３７）
收稿日期：２０１５０７０６
基金项目：国家自然科学基金（３１２７０７０７；３１１００４９０）
作者简介：马 婧，在读硕士．主要研究方向：抗逆分子生物学．Ｅｍａｉｌ：ｍａｊｉｎｇ１９９００１２１＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
通讯作者：博士，副研究员．研究方向：林木抗逆分子生物学．Ｅｍａｉｌ：ｃｔｉｅｌｏｎｇ＠１２６．ｃｏｍ
摘要：［目的］为了更好的了解泡泡刺黄酮类生物合成途径及其潜在的抗逆作用，［方法］应用高通量 ＲＮＡｓｅｑ测序
技术对泡泡刺当年生新叶进行了转录组测序及相关生物信息学分析。［结果］表明：泡泡刺当年生叶中获得了
１３０１３４４４ｔｏｔａｌｒｅａｄｓ，总核苷酸数为１１７１２０９９６０ｂｐ（１．０９Ｇｂ），组装拼接后得到４８９２１条ｕｎｉｇｅｎｅ序列；Ｎｒ、Ｓｗｉｓｓ
Ｐｒｏｔ、ＣＯＧ、ＧＯ、ＫＥＧＧ等数据库分析显示，有３０４０７个 Ｎｒ注释，１９６７１个 Ｓｗｉｓｓｐｒｏｔ注释，９２７３个 ＣＯＧ功能注释，
４６１５３个ＧＯ功能注释，１３６５４个ＫＥＧＧ注释，并从ＫＥＧＧ通路中找到参与黄酮类化合物合成途径的关键基因片段
１８６个。［结论］本研究获得了较好的泡泡刺转录组序列信息，并且其中富含黄酮类化合物代谢途径的相关基因，这
为其抗逆机制、药用价值的研究及开发利用提供宝贵资源。
关键词：泡泡刺；转录组；ＲＮＡｓｅｑ；黄酮类化合物
中图分类号：Ｓ７１８．５ 文献标识码：Ａ
ＨｉｇｈｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔＴｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄＦｌａｖｏｎｏｉｄｓ
ＭｅｔａｂｏｌｉｃＰａｔｈｗａｙｓｉｎＮｉｔｒａｒｉａｓｐｈａｅｒｏｃａｒｐａ
ＭＡＪｉｎｇ１，ＤＥＮＧＮａｎ１，ＣＨＵＪｉａｎｍｉｎ１，ＪＩＪｉｎｇ，ＳＨＩＳｈｅｎｇｑｉｎｇ１，ＪＩＡＮＧＺｅｐｉｎｇ１，ＣＨＥＮＧＴｉｅｌｏｎｇ１，２
（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｒｅｅＢｒｅｅｄｉｎｇａｎｄＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ，ＳｔａｔｅＦｏｒｅｓｔｒｙＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ
ＡｃａｄｅｍｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９１，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３７，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：［Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ］Ｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｐａｔｈｗａｙｏｆｆｌａｖｏｎｏｉｄｓａｎｄｉｔｓｒｏｌｅｓｉｎｔｈｅａｄａｐｔａｔｉｏｎｔｏａｂｉｏｔ
ｉｃｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎＮｉｔｒａｒｉａｓｐｈａｅｒｏｃａｒｐａ．［Ｍｅｔｈｏｄ］ＨｉｇｈｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔＲＮＡｓｅｑｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｓｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈｅｔｒａｎ
ｓｃｒｉｐｔｏｍｅｏｆｃｕｒｅｎｔｙｅａｒｌｅａｖｅｓ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．［Ｒｅｓｕｌｔ］Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ１３０１３４４４ｒａｗｒｅａｄｓａｎｄ４８９２１ｕｎｉｇｅｎｅｓｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄａｆｔｅｒｄｅｎｏｖｏａｓｓｅｍｂｌｙ；３０４０７ａｎｎｏｔａｔｉｏｎｓ
ｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄｆｒｏｍＮｒｄａｔａｂａｓｅ，１９６７１ｆｒｏｍＳｗｉｓｓＰｒｏｔｄａｔａｂａｓｅ，９２７３ｆｒｏｍＣＯＧｄａｔａｂａｓｅ，４６１５３ｆｒｏｍＧＯｄａ
ｔａｂａｓｅａｎｄ１３６５４ｆｒｏｍＫＥＧＧｄａｔａｂａｓｅａｆｔｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｎｏｔａｔｉｏｎａｇａｉｎｓｔｆｉｖｅｄａｔａｂａｓｅｓ；１８６ｕｎｉｇｅｎｅｓｗｅｒｅａｓｓｏｃｉａｔ
ｅｄｗｉｔｈｆｌａｖｏｎｏｉｄｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｂｙｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆＫＥＧＧｐａｔｈｗａｙ．［Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ］Ｔｈｅｂｅｔｅｒｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｉｃｄａｔａｗａｓ
ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｉｔｗａｓｒｉｃｈｉｎｔｈｅｇｅｎｅｓｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｆｌａｖｏｎｏｉｄｓｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅ
ｓｔｕｄｉｅｓｏｆｉｔｓｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｍｅｄｉｃｉｎａｌｖａｌｕｅｉｎｆｕｔｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｎｉｔｒａｒｉａｓｐｈａｅｒｏｃａｒｐａ；ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅ；ＲＮＡｓｅｑ；ｆｌａｖｏｎｏｉｄｓ
白刺属（ＮｉｔｒａｒｉａＬ．）植物属于蒺藜科（Ｚｙｇｏ
ｐｈｙｌａｃｅａｅ），为耐盐、耐高温、耐风蚀沙埋、超旱生的
低矮灌木；广泛分布在亚洲、欧洲、非洲和澳大利亚
沙漠地区［１］，是我国西北地区重要建群种之一，能够
林 业 科 学 研 究 第２９卷
在极度缺水、极端气温、伴有高盐的环境中生
长［２－３］。该属植物不仅能够防风固沙、改善土壤物
理性［４］，还因富含黄酮和生物碱等多种生物活性次
生代谢物而具有潜在的开发价值［５－６］。该物种已被
作为研究极端生境植物抗逆机制的理想材料之一。
目前，对白刺抗逆机理研究的报道主要在物候响
应［７］、解剖结构特性［８］、活性氧代谢［９］、耐盐基因克
隆［１０］、蛋白质组表达［３，１１］等方面，由于黄酮类化合
物不仅能够治疗和预防衰老、心血管病等［１２］，而且
能够增强植物抵御逆境胁迫适应［１３］，所以，对其合
成代谢过程的关键酶也有较好的研究，如ＣＨＳ（查耳
酮合成酶）［１４］、ＣＨＩ（查耳酮异构酶）［１５］、ＩＦＳ（异黄酮
合成酶）［１６］等基因。这些相关基因的产物对提高植
物逆境胁迫适应具有非常重要的作用［１３］；然而，目
前有关逆境条件下白刺转录组及黄酮类生物合成途
径的研究报道较少。因此，本研究在笔者对白刺属
植物开展蛋白质组学研究［３，１１］的基础上，以泡泡刺
（ＮｉｔｒａｒｉａｓｐｈａｅｒｏｃａｒｐａＭａｘｉｍ）为研究对象，通过对其
转录组数据的生物信息学分析及其黄酮类生物合成
途径相关基因的发掘，不仅可为该属植物抗逆分子
机制及相关基因功能的研究奠定基础，还可为其药
用价值的研究和开发提供宝贵资源。
１ 材料与方法
１．１ 材料来源
研究地位于甘肃省敦煌市（４０°０５′Ｎ；９４°４２′
Ｅ），该区降水稀少，多年平均降水量仅４０ｍｍ，且主
要集中在夏秋季节（５—９月）。试验地位于市区以
东３０ｋｍ处的山麓砾石洪积扇边缘，土壤为石质荒
漠土，植被以泡泡刺为主，并形成泡泡刺灌丛沙包。
本研究在生长环境相对一致的区域，采用模拟增雨
的方法连续２年对天然泡泡刺灌丛进行处理。增雨
从２００９年开始，并持续到采样期（２０１０年 ８月中
旬）。以当地的多年平均降水量４０ｍｍ为基准，分
别人工补水０％和２００％，并在每年生长季节（５—９
月）分５次完成。每次增雨在１０号左右的上午１０：
００前进行，具体材料培养详见刘殿军等［２］的方法。
第２年的８月中旬分别采集２个增雨处理的当年生
新叶，立即液氮保存，带回实验室，分别提取 ＲＮＡ，
等量混合后建立测序文库。
１．２ ＲＮＡ提取
总ＲＮＡ提取采用 Ｔｒｉｚｏｌ方法，并用 ＤＮａｓｅΙ进
行ＤＮＡ消化处理，随后检测总 ＲＮＡ完整性和质量
（１．２％琼脂凝胶电泳）；然后将２个处理的总 ＲＮＡ
进行等量混合后，进行ｍＲＮＡ分离纯化。
１．３ 转录组测序
使用随机引物及逆转录酶将片段化处理的 ｍＲ
ＮＡ反转为第一链 ｃＤＮＡ片段，随后合成第二链 ｃＤ
ＮＡ；利用试剂盒（ＱＩＡｑｕｉｃｋＰＣＲＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＫｉｔ）对
双链ｃＤＮＡ片段进行纯化，然后对其进行末端修复
及３’末端加‘Ａ’碱基；将 ｃＤＮＡ片段两端连接上特
定的测序接头，电泳回收、ＰＣＲ扩增测序样本，并在
华大基因公司（深圳）采用 ＩｌｕｍｉｎａＨｉＳｅｑＴＭ２０００进
行测序。
１．４ 数据的组装及注释
对测序产生的片段进行ｋｍｅｒ（将１条读出的序
列片段，即 ｒｅａｄ，连续切割，相邻碱基划动得到的一
系列长度为ｋ的核苷酸序列）长度的重叠拆分，然后
进行校正（包括对具有相同前缀但末端核苷酸不同
的ｋｍｅｒ进行校正和排除）。当校正后全部测序片
段成为ｋｍｅｒ并且过滤掉可能有错误的ｋｍｅｒ后，将
丰度最大、出现频率最高的 ｋｍｅｒｓ作为 ｋｍｅｒｓｓｅｅｄ
（使用特殊算法选择基础 ｋｍｅｒｓ长度）。采用 Ｒｅ
ｐｅａｔＳｃｏｕｔ算法来选择 ｓｅｅｄ，５’端至３’端方向或３’
端至５’端的覆盖度指导原则延伸组装转录组序列。
在组装拼接和合并组装拼接中，参数 ｋ＝２５。接着
用 Ｂｌａｓｔ软件将所获得的 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列分别与 Ｎｒ
（ＮＣＢＩ非冗余蛋白数据库）、ＣＯＧ数据库和 Ｓｗｉｓｓ
Ｐｒｏｔ数据库比对（ｅｖａｌｕｅ＜０．００００１），进行功能注
释和分类处理；再对Ｕｎｉｇｅｎｅ序列进行ＧＯ功能注释
和分类，并用软件对ＧＯ注释结果分类作图，然后将
Ｕｎｉｇｅｎｅ与ＫＥＧＧ数据库进行比对，分析相关的代谢
通路。
２ 结果与分析
２．１ 泡泡刺转录组测序结果
对泡泡刺转录组测序共得到 １３０１３４４４ｔｏｔａｌ
ｒｅａｄｓ，共计１１７１２０９９６０ｂｐ（１．０９Ｇｂ），经Ｔｒｉｎｉｔｙ软
件组装共获得４１４５３２个Ｃｏｎｔｉｇ；进一步通过ｐａｉｒｅｄ
ｅｎｄｊｏｉｎｉｎｇ和 ｇａｐｆｉｌｉｎｇ方法，获得 ６７５９１个 Ｓｃａｆ
ｆｏｌｄ；最后通过 ＴＧＩＣＬ软件聚类分析得到４８９２１个
ｕｎｉｇｅｎｅ（表１）。Ｃｏｎｔｉｇ，Ｓｃａｆｏｌｄ和Ｕｎｉｇｅｎｅ序列的平
均长度分别为１３５、３６１、４５４ｂｐ，Ｎ５０（Ｎ５０：将拼接转
录本按照长度从长到短排序，累加转录本的长度到
不小于总长５０％的拼接转录本的长度）分别为９１、
５１５、５９１ｂｐ。Ｃｏｎｔｉｇ序列长度为７５ ４２２７ｂｐ，长度
２６
第１期 马 婧，等：泡泡刺高通量转录组鉴定及其黄酮类代谢途径初步分析
在２００ ５００ｂｐ的序列数量最多，约占 Ｃｏｎｔｉｇ总数
的９７．２７％。Ｕｎｉｇｅｎｅ序列长度分布在１５０ ４９１５
ｂｐ，长度在２００ ５００ｂｐ的序列数所占比例最多，约
占Ｕｎｉｇｅｎｅ总数的７３．４３％（数据未列出）。以上结
果说明，泡泡刺转录组测序质量相对较好，测序数据
准确度较高，能够满足后续分析研究的要求。
表１ 泡泡刺测序数据统计结果
组装结果 数量
Ｒｅａｄｓ／个 １３０１３４４４
Ｔｏｔａｌｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ／ｂｐ １１７１２０９９６０
Ｃｏｎｔｉｇｓ／个 ４１４５３２
Ｓｃａｆｏｌｄｓ／个 ６７５９１
Ｕｎｉｇｅｎｅｓ／个 ４８９２１
２．２ 泡泡刺转录组功能注释
２．２．１ 注释结果统计 将获得的４８９２１个Ｕｎｉｇｅｎｅ
序列分别与多个数据库进行比对，包括 Ｎｒ、Ｓｗｉｓｓ
ｐｒｏｔ、ＣＯＧ、ＧＯ和 ＫＥＧＧ（表２）。本次注释的结果相
对较好，注释成功率相对较高，例如 Ｎｒ数据库中获
得的注释序列最多，总数为３０４０７条，占全部 Ｕｎｉ
ｇｅｎｅ序列总数的６２．１６％。
２．２．２ ＧＯ分类分析 ＧｅｎｅＯｎｔｏｌｏｇｙ（ＧＯ）是一个
国际标准化的基因功能分类体系，能比较全面描述
生物体中基因和基因产物的属性。将全部４８９２１个
表２ 泡泡刺转录组功能注释总结果
数据库 注释序列总数／个 百分比／％
Ｎｒ ３０４０７ ６２．１６
Ｓｗｉｓｓｐｒｏｔ １９６７１ ４０．２１
ＣＯＧ ９２７３ １８．９６
ＫＥＧＧ １３６５４ ２７．９１
ＧＯ ４６１５３ ９４．３４
Ｕｎｉｇｅｎｅ序列进行 ＧＯ功能分类，共获得 ４６１５３个
ＧＯ注释的一致序列，涉及到４２种生物功能基因，可
分为３大类：生物过程（１３５５６个，２９．３７％）、细胞组
分（１８９３３个，４１．０２％）和分子功能（１３６６４个，
２９６１％），表达基因最多的为细胞组分中的 Ｃ１（细
胞）和 Ｃ２（细胞组分），均为６３７５个（１３．８１％），这
一分类结果显示了泡泡刺叶片基因表达谱的总体情
况（图 １）。黄酮类代谢途径所属代谢过程 Ｂ１有
５０７８个（１２３７％），它是生化过程获得注释序列最
多的部分；同时，在生物过程的 Ｂ５（刺激反应）、Ｂ６
（生物调节）部分中，发现了 ＧＯ注释的 Ｕｎｉｇｅｎｅ；同
样在Ｂ１６（死亡）、Ｂ１８（免疫系统过程）和 Ｂ１９（细胞
杀伤）也发现了 ＧＯ注释的 Ｕｎｉｇｅｎｅ，但数量较少。
以上基因可能直接参与了泡泡刺的胁迫响应过程，
这些基因的发掘为其抗逆机制、品质改良等研究奠
定了基础。
Ｂ：Ｂ１代谢过程；Ｂ２细胞过程；Ｂ３定位；Ｂ４胞内定位的建立；Ｂ５刺激反应；Ｂ６生物调节；Ｂ７染色；Ｂ８细胞组分组织；Ｂ９细
胞组分的生物合成；Ｂ１０涉及多细胞有机体的过程；Ｂ１１发育过程；Ｂ１２解剖结构的形成；Ｂ１３多生物过程；Ｂ１４繁殖；Ｂ１５繁殖
过程；Ｂ１６死亡；Ｂ１７生长；Ｂ１８免疫系统过程；Ｂ１９细胞杀伤；Ｂ２０节律性过程；Ｂ２１生物附着。Ｃ：Ｃ１细胞；Ｃ２细胞组分；Ｃ３细
胞器；Ｃ４高分子配合物；Ｃ５细胞器组分；Ｃ６膜；Ｃ７膜蛋白；Ｃ８胞外区；Ｃ９胞外区组分；Ｃ１０病毒；Ｃ１１病毒组分。Ｍ：Ｍ１催化
活性；Ｍ２结合；Ｍ３载体活性；Ｍ４结构分子活性；Ｍ５分子转导活性；Ｍ６转录调节因子活性；Ｍ７酶调节活性；Ｍ８转录调节活性；
Ｍ９抗氧化活性；Ｍ１０电子载体活性。
图１ 泡泡刺转录组Ｕｎｉｇｅｎｅ的ＧＯ分类图
３６
林 业 科 学 研 究 第２９卷
２．２．３ ＣＯＧ分类分析 将获得的 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列进
行ＣＯＧ数据库比对分析后，共获得９２７３个ＣＯＧ功
能注释，包括２５个功能分类（图２）。Ｒ类（一般功
能预测）Ｕｎｉｇｅｎｅ数量为 ２４１９个，占注释总数的
１６５０％，是获得注释数量最多的部分。值得关注的
是黄酮类代谢途径所属的 Ｑ类（次生代谢产物生物
合成、运输和分解代谢），共获得了３８２个（２．６１％）
注释，但涉及到的具体次生代谢通路还需通过
ＫＥＧＧ代谢通路进一步分析；同时，在 Ｔ类（信号传
导机制）和 Ｖ类（防御机制）也获得了注释的 Ｕｎｉ
ｇｅｎｅ，这些注释到的相关基因可能参与了泡泡刺的
胁迫响应过程。
ＡＲＮＡ加工和修改；Ｂ染色体结构等；Ｃ能量生产和转换；
Ｄ细胞周期调控、细胞分裂、染色体分区；Ｅ氨基酸的运输和代
谢；Ｆ核苷酸运输与代谢；Ｇ碳水化合物的运输和代谢；Ｈ辅酶运
输与代谢；Ｉ脂类运输和代谢；Ｊ翻译、核糖体结构和生物转化；
Ｋ转录；Ｌ复制、重组和修复；Ｍ细胞壁／膜／包膜生物合成；Ｎ细胞
运动；Ｏ蛋白质翻译后修饰、蛋白转换、分子伴侣；Ｐ无机离子运输
与代谢；Ｑ次生代谢产物合成、运输和分解代谢；Ｒ一般功能预测；
Ｓ：未知功能；Ｔ信号传导机制；Ｕ细胞内运输、分泌和膜泡运输；Ｖ
防御机制；Ｗ细胞外结构；Ｙ核结构；Ｚ细胞骨架。
图２ 泡泡刺转录组Ｕｎｉｇｅｎｅ的ＣＯＧ分类图
２．２．４ ＫＥＧＧ注释 通过对泡泡刺的 １３６５４个
Ｕｎｉｇｅｎｅ进行 ＫＥＧＧ分析发现，共有１２５个 ＫＥＧＧ代
谢通路，其中，代谢途径、剪接体和植物病原菌互作
是获得注释最多的３个。表３展示了注释数量最多
的前３０个代谢通路，共包括１２７２３个注释的 Ｕｎｉ
ｇｅｎｅ（占全部注释 Ｕｎｉｇｅｎｅ数量的９３．１８％），其中，
泡泡刺次生代谢物相关的Ｕｎｉｇｅｎｅ共３２６９个（占注
释全部 Ｕｎｉｇｅｎｅ数量的２３．９４％），这些次生代谢物
类型主要包括激素类（６８１个）、萜类（４２８个）、生物
碱（１３５０个）和黄酮类化合物（１８６个）。黄酮类化
合物代谢包括类黄酮代谢（１４１个）、黄酮和黄酮醇
代谢（４５个）。这些Ｕｎｉｇｅｎｅ序列为以后的白刺遗传
工程研究提供核酸序列信息，也表明高通量测序技
术鉴定代谢途径相关基因的实用性。
表３ 泡泡刺转录组ＫＥＧＧ分类结果
序号 通路 数量／个 通路编号
１ 代谢途径 ３１８９ ｋｏ０１１００
２ 剪接体 ８３４ ｋｏ０３０４０
３ 植物病原菌互作 ８１１ ｋｏ０４６２６
４ 植物激素的生物合成 ６８１ ｋｏ０１０７０
５ 核糖体 ６３２ ｋｏ０３０１０
６ 苯丙酸的生物合成 ５４７ ｋｏ０１０６１
７ 萜类和类固醇的合成 ４２８ ｋｏ０１０６２
８ 莽草酸途径的生物碱合成 ３７８ ｋｏ０１０６３
９ 鸟氨酸、赖氨酸和烟酸来源的生物碱合成 ３６０ ｋｏ０１０６４
１０ 淀粉和蔗糖代谢 ３３９ ｋｏ００５００
１１ 泛素介导的蛋白降解 ３１８ ｋｏ０４１２０
１２ 组氨酸和嘌呤来源的生物碱合成 ３１４ ｋｏ０１０６５
１３ 嘌呤代谢 ３０９ ｋｏ００２３０
１４ 氧化磷酸化作用 ３０１ ｋｏ００１９０
１５ 萜类化合物和聚酮来源的生物碱合成 ２９８ ｋｏ０１０６６
１６ 苯丙素的合成 ２８２ ｋｏ００９４０
１７ 内吞作用 ２８１ ｋｏ０４１４４
１８ 嘧啶代谢 ２２８ ｋｏ００２４０
１９ 半胱氨酸和蛋氨酸代谢 ２１０ ｋｏ００２７０
２０ ＲＮＡ降解 ２１０ ｋｏ０３０１８
２１ 糖酵解途径 ２０７ ｋｏ０００１０
２２ 过氧化物酶体 ２０４ ｋｏ０４１４６
２３ 黄酮类化合物的生物合成 １８６ ｋｏ００９４１／４
２４ 昼夜节律 １７３ ｋｏ０４７１２
２５ 柠檬烯和蒎烯降解 １７２ ｋｏ００９０３
２６ 氨基糖和核苷酸糖代谢 １７０ ｋｏ００５２０
２７ 芪类化合物及姜辣素的合成 １７０ ｋｏ００９４５
２８ 核苷酸切除修复 １６５ ｋｏ０３４２０
２９ 甘油磷脂代谢 １６３ ｋｏ００５６４
３０ 丙酮酸代谢 １６３ ｋｏ００６２０
２．３ 泡泡刺转录组中黄酮类生物合成基因发掘
从ＫＥＧＧ分析中可看出：获得黄酮类化合物相
关合成基因有１８６个，其在代谢通路中的位置及相
关基因的数量见图３和表４。本研究从泡泡刺当年
生叶中获得了１２个苯丙氨酸解氨酶（ＰＡＬ）基因，该
基因是初生代谢和苯丙烷代谢途径之间的代谢联系
节点。随后，查尔酮合成酶（ＣＨＳ，２个）作为第１个
关键酶，将苯丙烷代谢途径引向黄酮类化合物的合
成；同时，获得了４个查耳酮异构酶（ＣＨＩ），该酶催
化分子内的环化反应；然后，黄碱酮 ３二加氧酶
（Ｆ３Ｈ，１１个）将 ＣＨＩ催化合成的 （２Ｓ）黄烷酮或
（２Ｓ）５脱氧黄烷酮的Ｃ３位羟基化，生成二氢黄酮
醇。另外，本研究获得了 １２个黄酮醇合成酶
（ＦＬＳ），该酶催化黄酮结构中的 Ｃ３位羟基化，从而
形成各种黄酮醇类物质。二氢黄酮醇还原酶（ＤＦＲ，
２５个）是花青素和鞣质合成途径中的关键酶，也是
一个重要的分支点。从上述分析可看出，本研究在泡
４６
书第１期 马 婧，等：泡泡刺高通量转录组鉴定及其黄酮类代谢途径初步分析
图３ 泡泡刺转录组黄酮类化合物合成途径及相关基因（基因名称后的数字表示本研究中从泡泡刺当年生叶获得的该基因数量。）
表４ 泡泡刺转录组黄酮类化合物合成途径中的相关基因
基因名称 基因简称 数量／个 ＥＣ编号
莽草／荃宁酸酯转移酶 ＨＣＴ ３３ ２．３．１．１３３
咖啡酰辅酶ＡＯ甲基转移酶 ＣＣｏＡＯＭＴ ５ ２．１．１．１０４
花青素还原酶 ＡＮＲ ５ １．３．１．７７
类黄酮３′，５′羟化酶 Ｆ３′５′Ｈ １２ １．１４．１３．８８
二氢黄酮醇４还原酶／黄酮４还原酶 ＤＦＲ ２５ １．１．１２．３４
无色花青素还原酶 ＬＡＲ １４ １．１７．１．３
查尔酮异构化酶 ＣＨＩ ４ ５．５．１．６
黄碱酮３二加氧酶 Ｆ３Ｈ １１ １．１４．１１．９
查尔酮合酶 ＣＨＳ ２ ２．３．１．７４
黄酮醇合成酶 ＦＬＳ １２ １．１４．１１．２３
无色花色素双加氧酶 ＬＤＯＸ １２ １．１４．１１．１９
类黄酮３′单加氧酶 Ｆ３′Ｈ ２２ １．１４．１３．２１
香豆酰奎尼酸３′单加氧酶 Ｃ３′Ｈ １０ １．１４．１３．３６
肉桂酸３羟化酶 Ｃ４Ｈ ２ １．１４．１３．１１
泡刺叶中获得了较多的黄酮类代谢相关基因，这些
基因将为后续阐明其忍耐极端环境的机制奠定
基础。
３ 结论与讨论
通过对野外正常降雨与人工增雨条件下泡泡刺
当年生叶转录组测序及相关生物信息学分析，共获
得４８９２１条 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列，平均长度为４５４ｂｐ，Ｎ５０
为５９１ｂｐ。这与其他植物转录组测序结果类似，所
得到的数据量较大，组装效果也较好，如虎杖（Ｐｏ
ｌｙｇｏｎｕｍ ｃｕｓｐｉｄａｔｕｍ Ｓｉｅｂ．ｅｔＺｕｃｃ．）［１７］、中 麻 黄
（ＥｐｈｅｄｒａｉｎｔｅｒｍｅｄｉｎＳｃｈｒｅｎｋ）［１８］，膜果麻黄（Ｅｐｈｅｄｒａ
ｐｒｚｅｗａｌｓｋｉＳｔａｐｆ）［１９］；同时，对注释后的Ｕｎｉｇｅｎｅ进行
ＣＯＧ、ＧＯ和ＫＥＧＧ等分析发现，次生代谢相关基因
在该转录组中占有一定的比例；利用 ＫＥＧＧ通路进
一步分析，共获得１８６个黄酮类化合物合成途径的
５６
林 业 科 学 研 究 第２９卷
关键基因。这为后续研究泡泡刺抗逆分子机制及其
黄酮类合成途径作用奠定基础。
由于黄酮类化合物合成机制在植物次生代谢领
域是十分重要的研究前沿之一，因此，在白刺属植物
上已开展了黄酮化合物的提取、分析及化合物结构的
研究［２０２１］，但很少见有关黄酮类代谢途径的研究；然
而，在其它非模式物种如麻黄［１８－１９］、茶（Ｃａｍｅｌｉａ
ｓｉｎｅｎｓｉｓ（Ｌ．）Ｏ．Ｋｔｚｅ）［２２］、罗汉果（Ｍｏｍｏｒｄｉｃａｇｒｏｓｖｅ
ｎｏｒｉＳｗｉｎｇｌｅ）［２３］等的转录组中已有相关报道，如在罗
汉果转录组ＫＥＧＧ注释结果中发现黄酮类合成相关
基因４５个［２３］；而中麻黄转录组ＫＥＧＧ注释结果中达
２８３个［１８］。本研究对泡泡刺进行分析发现，黄酮类合
成相关基因也达１８６个，这表明沙生植物麻黄和白刺
等富含黄酮类物质可能对其适应极端沙漠生境具有
极其重要的作用。另外，这些基因包括了大部分该代
谢过程中的关键基因，如 ＣＨＳ、ＣＨＩ、ＩＦＳ、Ｆ３Ｈ、ＦＬＳ、
ＤＦＲ、Ｆ３′５′Ｈ和ＦＮＳ等（图３；表４），为进一步在泡泡
刺中克隆其全长、研究其次生代谢调控途径及其在抗
逆中的作用奠定基础。如槲皮素及其衍生物在医学
上可作为最强的抗癌剂之一［２４］，那么在植物抗逆中
的作用如何？本研究从极端生境植物泡泡刺中获得
了其合成关键基因 Ｆ３′５′Ｈ；另外 ＣＨＳ催化合成的查
尔酮是合成黄酮类化合物的重要中间体，同时具有抗
菌活性、抗癌活性等［２５］。这些基因的获得不仅为黄
酮类次生代谢工程研究提供基础，而且对研究其在抗
逆中的作用也起到极其重要的作用。
综上所述，本研究获得了较好的泡泡刺转录组
数据，初步发掘了其黄酮类化合物的代谢途径相关
基因，为克隆该属植物中黄酮合成的关键基因奠定
基础，同时为更好的研究其抗逆机制和药用价值以
及开发提供宝贵资源。
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（责任编辑：詹春梅）
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