全 文 ：园艺学报，2016，43 (5)：935–946.
Acta Horticulturae Sinica
doi：10.16420/j.issn.0513-353x.2016-0140；http：//www. ahs. ac. cn 935
收稿日期：2016–03–28；修回日期：2016–05–02
基金项目：福建省自然科学基金项目（2013J01097）；福建省科技创新平台建设项目（2014N2006）；福建省财政专项—省农业科学院科
技创新团队项目（CXTD-2-1320）；福建省农业科学院青年英才计划项目（YC2015-19）
* 通信作者 Author for correspondence（E-mail：slqiu79@163.com）
紫背天葵高通量转录组测序分析
张少平 1,2，洪建基 1，邱珊莲 1,*，郑云云 1,2，张 帅 1，吴松海 1，何炎森 1，
郑开斌 1,2，郑加协 1
（1 福建省农业科学院亚热带农业研究所，福建漳州 363005；2 福建省农业科学院作物研究所，福州 350013）
摘 要：为探讨紫背天葵（Gynura bicolor）花青素等物质合成的遗传基础，采用高通量测序技术
（Illumina HiSeq 2500）对其嫩叶进行转录组测序，共获得 21 387 624 个序列读取片段（reads），将测序数
据进行序列组装后，获得 33 314 个单基因簇（Unigene），其中超过 1 kb 的 7 792 个 Unigene 中共检测到
2 387个SSR位点。对所得Unigene进行不同数据库注释，22 048和 14 417个Unigene 分别在Nr和SwissProt
数据库有同源比对信息，并发现有 29 个 Unigene 与花青素合成相关；Pfam 功能注释到 13 909 个 Unigene
分为 5 198 类相关蛋白功能区域，有 12 个 Unigene 涉及到花青素合成；GO 注释到 11 613 个 Unigene 分为
细胞组分、分子功能及生物学过程等 3 大类 51 个功能组，有 24 个 Unigene 与花青素合成有关；COG 注
释到的 6 589 个 Unigene 功能系统分为 24 类，而 KOG 注释到的 13 498 个 Unigene 功能系统分为 25 类；
以 KEGG 数据库为参考，将 4 466 个 Unigene 定位到 108 个代谢途径分支，其中有 47 个 Unigene 与类黄
酮生物合成相关。
关键词：紫背天葵；转录组；测序；基因分析；功能注释
中图分类号：S 567 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2016）05-0935-12

Sequencing and Analysis of the Transcriptome of Gynura bicolor
ZHANG Shao-ping1,2，HONG Jian-ji1，QIU Shan-lian1,*，ZHENG Yun-yun1,2，ZHANG Shuai1，
WU Song-hai1，HE Yan-sen1，ZHENG Kai-bin1,2，and ZHENG Jia-xie1
（1Subtropical Agriculture Research Institute，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Zhangzhou，Fujian 363005，
China；2Crop Sciences Institute，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou 350013，China）
Abstract：Gynura bicolor is rich in anthocyanidin and other functional components. In order to
explore genetic basis for the synthesis of these active substances，the transcriptome of Gynura bicolor was
sequenced by Illumina HiSeq 2500 platform，a total of 21 387 624 reading fragments were generated
which formed 33 314 unigenes by sequence splicing. 2 387 SSR were found in 7 792 unigenes over 1 kb.
All unigenes were annotated by different databases. 22 048 and 14 417 unigenes were annotated against Nr
and SwissProt database respectively，and 29 unigenes were related to anthocyanidin biosynthesis；by Pfam
database the 13 909 unigenes were included in 5 198 families of protein functional regions and 12
unigenes were related to anthocyanidin biosynthesis；by GO database the 11 613 unigenes were divided
into 3 categories containing 51 function groups and 24 unigenes were related to anthocyanidin

Zhang Shao-ping，Hong Jian-ji，Qiu Shan-lian，Zheng Yun-yun，Zhang Shuai，Wu Song-hai，He Yan-sen，Zheng Kai-bin，Zheng Jia-xie.
Sequencing and analysis of the transcriptome of Gynura bicolor.
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biosynthesis；by COG and KOG databases the 6 589 and 13 498 unigenes were grouped into 24 functional
categories and 25 ones，respectively；by KEGG database the 4 466 unigenes were divided into 108
metabolism pathways，47 unigenes involved flavonoid biosynthesis.
Key words：Gynura bicolor；transcriptome；sequencing；gene analysis；function annotation

紫背天葵（Cynura bicolor DC.）为菊科三七草属（Gynura Cass.）多年生草本植物，广泛分布
于中国以及日本和马来西亚等东南亚地区，其俗称有两色三七草、紫背菜、血皮菜、观音菜、红（背）
菜及红凤菜等（张少平 等，2014）。紫背天葵富含黄酮类化合物、维生素 A 原以及铁、铜、锌和酶
化剂锰等元素，具有提高人体免疫力及增强记忆力等作用（Li et al.，2009；Chen et al.，2012a，2012b；
Chao et al.，2015；Jiang et al.，2015；Teoh et al.，2015）；同时富含矢车菊色素、天竺葵色素、翠雀
素以及锦葵素等花青素，既是理想的观叶植物，又是天然食用色素的重要来源（Yoshitama et al.，1994；
Sodagari et al.，2015），因此紫背天葵近年来在园艺、保健及医药等方面备受关注。目前紫背天葵在
人工驯化栽培、营养保健成分分析及相关功效验证等方面都有详细研究报道（Shimizu et al.，2010b；
Wu et al.，2013，2015），关于紫背天葵花青素相关合成酶（如 CHS、CHI、DFR 和 ANS）及其调控
基因（如 MYB、MYC）也有报道（Shimizu et al.，2010a，2011）。以上关于紫背天葵花青素基因克
隆研究都是根据拟南芥、玉米、葡萄等作物花青素相关基因保守区进行克隆及分析，这极大地限制
了紫背天葵更多关键基因的系统研究，一些重要花青素相关基因（如 3GT、bHLH，WD40 等）尚
未见报道。
近年来，高通量转录组测序技术已广泛应用于生物体转录组基因表达分析，采用该技术能全面
快速地获取研究对象在某一状态下基因转录信息（Dassanayake et al.，2009；Lu et al.，2010；Sangwan
et al.，2013），从中挖掘重要功能基因，揭示不同生物学性状的分子机制。本研究中利用高通量测序
技术 Illumina HiSeq 2500 对紫背天葵嫩叶进行转录组测序，通过生物信息学方法对 Unigene 进行基
因功能注释、功能分类及代谢途径分析等，为进一步挖掘紫背天葵特殊保健成分、花青素相关功能
表达基因及开发分子标记奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料及 RNA 提取
紫背天葵（Cynura bicolor DC.）来源于福建省农业科学院亚热带农业研究所原生蔬菜种质资源
圃内，于 2015 年 3 月取其健壮枝条扦插于大田，长至八叶一心（约 10 cm 长）时将待测试的健康植
株 3 株移植于小盘内（根部带上适当土球），做好标号及包装后快递至北京百迈克生物科技有限公司。
采用 Trizol 法分别提取 3 株嫩叶总 RNA，每个样本取等量混合组成 1 个 RNA 池，用带有 Oligo(dT)
的磁珠富集 mRNA，将得到的 mRNA 逆转录成 dsDNA，对其末端修复，加 poly(A)并连接测序接头，
制备测序文库，PCR 富集测序样本。
1.2 转录组测序
通过 Illumina HiSeq 2500 的测序平台，采用 PE125 的测序方法，构建紫背天葵转录组文库后进
行测序并获取相关数据。测序得到的原始图像数据经碱基识别（base calling）转化为原始读序（raw
reads），raw reads 经过滤得到干净读序（clean reads），再利用 Trinity（Grabherr et al.，2011）软件进
张少平，洪建基，邱珊莲，郑云云，张 帅，吴松海，何炎森，郑开斌，郑加协.
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行组装，通过序列之间的重叠（overlap）信息组装得到重叠群（Contigs），然后局部组装得到转录
本（Transcripts），最后用 TGICL（Pertea et al.，2003）和 Phrap 软件（de la Bastide & McCombie，
2007）对 Transcripts 进行同源聚类和拼接得到单基因簇（Unigene）。分析项目包括测序组装结果分
析、FPKM 统计分析及 SSR 分析。
1.3 功能注释
通过 Blastx 比对工具，将紫背天葵 Unigene 与蛋白数据库进行比对（E 值 ≤ 1e-5），根据基因
的相似性进行功能注释，得到与给定 Unigene 具有最高序列相似性的蛋白，从而得到该 Unigene 的
蛋白功能注释信息。合并归纳 Unigene 得到的所有注释详细信息。蛋白数据库包括 Nr（Non-redundant
protein database，非冗余蛋白数据库）、SwissProt（SwissProt protein database，蛋白质序列数据库）、
COG（Cluster of Orthologous Groups，蛋白质直系同源数据库）、Pfam（Protein families database，蛋
白质家族域数据库）、GO（Gene Ontology，基因本体论数据库）、KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes
and Genomes，东京基因与基金组百科全书）。此外，通过上述数据库进行花青素基因注释，找到参
与紫背天葵花青素生物合成途径的关键基因。
2 结果与分析
2.1 测序结果及从头组装
2.1.1 测序结果与数据组装
通过 Illumina HiSeq 2500 技术对紫背天葵嫩叶转录组测序，共获得 21 387 624 个读序（reads），
其中包含了 5 388 471 674（5.39 G）个核苷酸序列信息；Q20（测序错误率小于 1%）、Q30（测序错
误率小于 0.1%）及 GC 含量百分比依次为 96.69%、89.49%和 44.38%。由上表明，转录组测序数据
量和质量都较高，为后续的数据组装提供了很好的原始数据。
将测序所得读序进行转录组组装，获得 1 909 443 个重叠群，总长度 110 654 052 bp（0.11 Gb），
其中小于 300 bp 的重叠群数量占 98.37%，300 ~ 2 000 bp 以及 2 000 bp 以上各占 1.47%和 0.16%。可
见重叠群的分布特征符合 Illumina 测序的预期结果，为后续再组装提供了很好的数据。所得重叠群
再次组装共获得 73 239 个转录本，序列信息达 73 148 083 bp（73.15 Mb），平均长度为 998.76 bp，
N50（判断紫背天葵基因组拼接结果优劣的依据）为 1 482 bp。所得转录本序列进一步组装得到 33 314
个单基因簇（Unigene），序列信息为 23 909 300 bp（23.91 Mb），平均长度是 717.7 bp，N50 为 1 153
bp。其中 200 ~ 500 bp、500 ~ 1 000 bp、≥1 000 bp 的各占 55.94%、20.67%和 23.39%（表 1）。

表 1 紫背天葵转录组 Contig，Transcript 和 Unigene 数据组装质量统计
Table 1 Data assembly for Contig，Transcript and Unigene in the transcriptome of Gynura bicolor
重叠群 Contig 转录本 Transcript 单基因簇 Unigene 长度范围/bp
Length range 数量 Number 百分比/% Percentage 数量 Number 百分比/% Percentage 数量 Number 百分比/% Percentage
200 ~ 300 1 878 320 98.37 13 853 18.91 11 064 33.21
300 ~ 500 10 439 0.55 12 438 16.98 7 572 22.73
500 ~ 1 000 9 437 0.49 17 946 24.50 6 886 20.67
1 000 ~ 2 000 8 186 0.43 20 853 28.47 5 881 17.65
≥ 2 000 3 061 0.16 8 149 11.13 1 911 5.74

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2.1.2 基因表达量分析
在已获得的 21 387 624 个紫背天葵的 reads 中，基因表达量分析比对得到 6 069 440 个 reads，占
总量的 28.38%，其中只比对到一个位置的 reads 占 57.16%（3 469 178 个），比对到多个位置的 reads
（可能是多基因家族）占 42.84%（2 600 262 个）。33 314 个 Unigene 的 FPKM 值在 0 ~ 25 123.6 之
间，平均值为 58.17，其中 11 149 个 Unigene 的 FPKM 值大于 10，而 2 062 个 Unigene 的 FPKM 值
小于 1，除 0 外（其中 1 365 个 Unigene 的 FPKM 值为 0），最小值为 0.4。
2.1.3 SSR分析
从紫背天葵转录组中筛选到 1 kb 以上的 Unigene 共 7 792 个（表 1），总长度达 13 457 260（13.46
Mb），从中进行 SSR 位点分析，搜索标准为：1 ~ 6 个紫背天葵核苷酸基序（motif）重复次数分别
为大于等于 9、6、5、5、5 和 5，分别被标记为 p1、p2、p3、p4、p5 和 p6。结果表明（表 2），共检
测到 2 387个 SSR 位点分布于 1 891个 Unigene中。2 387个 SSR 位点中 p1最多，为 1 237个（51.82%），
其次为三核苷酸，共 662 个（27.73%），最少为五核苷酸，只有 3 个（0.13%）。在检测到的 SSR 位
点中，p1 中出现频率最高的核苷酸基序为 A/T（1 234 个），而 C/G 极少（3 个），且 p1 中以(A)10/(T)10
最多，有 547 个，其次为(A)11/(T)11，有 249 个，再次为(A)12/(T)12，162 个，以上三者占 p1 总个
数的 77.45%。p2 中以 AG/CT 最多，有 199 个，其次为 AC/GT（140），再次为 AT/TA（112 个）。
p3 中以 GAA/TTC（99 个）、GAT/ATC（82 个）、TCA/TGA（65 个）占优势。

表 2 紫背天葵 SSR 不同重复基序分布及优势碱基组成
Table 2 Distribution and compositions of the dominant repeat of the different repeat motifs for SSR
重复基元长度
Length of repeat motif
重复次数
Replicates
数量
Number
百分比/%
Percentage
优势重复基序
Advantage repeat motif
p1：单核苷酸 Mononucleotide ≥9 1 237 51.82 A/T
p2：二核苷酸 Dinucleotide ≥6 451 18.90 AG/CT、AC/GT、AT/TA
p3：三核苷酸 Trinucleotide ≥5 662 27.73 GAA/TTC、GAT/ATC、TCA/TGA
p4：四核苷酸 Tetranucleotide ≥5 27 1.13 AAAG/CTTT、AAAT/ATTT
p5：五核苷酸 Pentanucleotide ≥5 3 0.13 每个 SSR 位点均不同 Every site is different
p6：六核苷酸 Hexanucleotide ≥5 7 0.29 每个 SSR 位点均不同 Every site is different
总 SSR 位点数 Total SSR sites 2 387 100 –

在含有SSR位点的1 891个Unigenes中，带p1类型的Unigene有1 054个，含有p2类型的Unigene
有 413 个，含有 p3 类型的有 605 个，含有 p4 类型的有 27 个，含有 p5 类型的有 3 个，含有 p6 类型
的有 7 个。单个 Unigene 含有≥ 2 个 SSR 位点的 Unigene 有 395 个，其中含 2 个 SSR 位点的 Unigene
有 312 个，含 3 个 SSR 位点的有 70 个，含 4 个 SSR 位点的有 9 个，含 5 个 SSR 位点的有 3 个，含
7 个 SSR 位点的有 1 个。在≥ 2 个 SSR 位点的 395 个 Unigene 中，含有 2 个及以上相连 SSR 位点
的 Unigene 有 15 个。
紫背天葵及其三七草属植物大多含有多种活性功能成分，研究价值很高，因此，上述 SSR 特征
分析，为进一步开展紫背天葵及其近缘种基因组差异表达分析、通用性引物设计及其遗传图谱构建
等打下了良好基础。
2.2 Unigene 功能注释相关结果分析
2.2.1 Unigene的 Nr及 SwissProt数据库比对分析
通过 BLAST 程序，对所组装获得的紫背天葵 Unigene 分别进行 Nr 和 SwissProt 数据库比对（表
3）。结果表明，22 048 个（占总 Unigene 数的 66.18%）Unigene 在 Nr 数据库比对到相似序列，其中
E 值等于 0 的 Unigene 有 3 531 个（占 22 048 个 Unigene 的 16.02%），E 值介于 1e-5 到 1e-50 的最多，
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有 10 093 个（占 45.78%）；在 Nr 数据库中，匹配序列相似度（Identity）达到 100%的 Unigene 有 86
个（占 0.39%），介于 60%到 80%之间的最多，有 9 882 个（占 44.82%）。Nr 功能注释到的匹配物种
中，葡萄 Unigene 最多（2 899 个），后依次为烟草（2 347 个）、芝麻（1 638 个）、咖啡（1 521 个）、
可可（808 个）、马铃薯（682 个）、猴面花（625 个）、麻风树（620 个）等。
14 417 个（43.28%）Unigene 在 SwissProt 数据库中可找到相似序列，其中 E 值等于 0 的 Unigene
有 1 885 个（占 13.07%），E 值介于 1e-5 到 1e-50 的 Unigene 最多，有 7 679 个（53.26%）；在 SwissProt
数据库中，匹配序列相似度达到 100%的 Unigene 有 72 个（0.50%），介于 60%到 80%之间的与相似
度介于 40%到 60%之间的 Unigene 数量相当，分别为有 4 950 个（34.33%）和 4 969 个（34.47%），
这两者的数量占绝大多数。SwissProt 功能注释匹配的物种中，拟南芥 Unigene 最多（11 036 个），
后依次为水稻（658 个）、烟草（410 个）、土豆（162 个）、番茄（126 个）、大豆（101 个）、玉米（98
个）、豌豆（98 个）等。SwissProt 功能注释到紫背天葵中有 29 个 Unigene 与花青素合成有关，其中
14 个与拟南芥花青素合成相关酶基因相关。SwissProt 功能注释与 Nr 相比，可找到相似度高（E <
1e-150，Identity > 80%）序列的 Unigene 大幅减少，这一结果符合数据库特征，SwissProt 数据来源
很严格，其所有序列条目都经过有经验的分子生物学家和蛋白质化学家通过计算机工具并查阅有关
文献资料仔细核实，而 Nr 数据库整合标准较宽松，只要有任何差异的两条序列都当成 2 条不同的
记录。
表 3 紫背天葵 Unigene 的 Nr 及 SwissProt 比对分析
Table 3 Nr and SwissProt mapping analysis of Gynura bicolor unigenes
非冗余蛋白数据库 Nr database 蛋白质序列数据库 SwissProt database 指标
Indicator
范围
Value range 单基因簇个数
Unigene number
单基因簇百分比/%
Unigene percentage
单基因簇个数
Unigene number
单基因簇百分比/%
Unigene percentage
E 值 0 3 531 16.02 1 885 13.07
E Value 0 ~ 1e-150 1 144 5.19 623 4.32
1e-150 ~ 1e-100 2 577 11.69 1 439 9.98
1e-100 ~ 1e-50 4 703 21.33 2 791 19.36
1e-50 ~ 1e-5 10 093 45.78 7 679 53.26
相似性/% 100 86 0.39 72 0.50
Identity 80 ~ 100 4 183 18.97 1 833 12.71
60 ~ 80 9 882 44.82 4 950 34.33
40 ~ 60 6 494 29.45 4 969 34.47
0 ~ 40 1 403 6.36 2 593 17.99

2.2.2 Unigene的 Pfam数据库分析
利用 Pfam 数据库，对紫背天葵 33 314 个 Unigene 进行蛋白功能区域分析研究，结果表明：Pfam
功能数据库共注释到 13 909 个 Unigene，其相关蛋白功能区域分为 5 198 类，其中注释到 PPR 重复
区家族蛋白最多，有 152 个 Unigene，其他注释到较多 Unigene 的蛋白功能区域分别有：WD 域/ G-beta
重复（103 个）、细胞色素 P450（75 个）、反转录酶（73 个）、线粒体载体蛋白（66 个）、AP2 结构
域（66 个）、转移酶家族（60 个）、RNA 识别基序（59 个）、WRKY 转录因子结构域（57 个）、螺
旋–环–螺旋结构域（53 个）、NB-ARC 域（51 个）、GRAS 家族（51 个）、类 GDSL 脂肪酶/酰基
水解酶（48 个）以及尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶（45 个）等，而 Pfam 数据库中只注释到 1 个
Unigene 的蛋白结构域种类占大多数，共个 3 269 个。另外，注释结果表明，有 12 个 Unigene 涉及
到花青素合成，而其中 5 个 Unigene 都为尿苷二磷酸葡萄糖醛酸/尿苷二磷酸葡萄糖转移酶
（UDP-glucoronosyl and UDP-glucosyl transferase）基因。
2.2.3 Unigene的 GO分类
GO 数据库是一个国际标准化的基因功能分类数据库，用于全面描述不同生物中基因的生物学
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特征。通过 GO 数据库，对紫背天葵 Unigene 进行基因生物学特征功能分类。
结果（表 4）表明：11 613 个紫背天葵 Unigene 分为细胞组分、分子功能、生物学过程 3 个本

表 4 紫背天葵 Unigene 的 GO 分类
Table 4 GO fuctional categories of Gynura bicolor unigenes
GO 分类 GO classify 单基因簇数量 Unigene number
细胞组分 胞外区域 Extracellular region 310
Cellular component 细胞 Cell 5 145
拟核 Nucleoid 10
膜结构 Membrane 2 958
病毒体 Virion 3
细胞连接 Cell junction 244
胞外基质 Extracellular matrix 3
膜关闭内腔 Membrane-enclosed lumen 116
复杂大分子 Macromolecular complex 1 298
细胞器 Organelle 3 888
胞外基质部分 Extracellular matrix part 1
胞外区域部分 Extracellular region part 10
细胞器部分 Organelle part 1 727
病毒体部分 Virion part 3
膜部分 Membrane part 1 540
细胞部分 Cell part 5 180
结合蛋白转录活性 Protein binding transcription factor activity 20
核苷酸结合转录因子活性 Nucleic acid binding transcription factor activity 221
催化活性 Catalytic activity 5 866
受体活性 Receptor activity 53
鸟嘌呤核苷酸交换因子活性 Guanyl-nucleotide exchange factor activity 31
结构分子活性 Structural molecule activity 341
转运活性 Transporter activity 843
结合活性 Binding 4 969
电子载体活性 Electron carrier activity 181
抗氧化活性 Antioxidant activity 77
金属伴侣蛋白活性 Metallochaperone activity 2
酶调节活性 Enzyme regulator activity 103
翻译调控活性 Translation regulator activity 2
营养贮存活性 Nutrient reservoir activity 11
分子功能
Molecular function
分子转导活性 Molecular transducer activity 114
生物学过程 繁殖 Reproduction 190
Biological process 细胞杀伤 Cell killing 4
免疫系统过程 Immune system process 160
代谢进程 Metabolic process 7 607
细胞进程 Cellular process 6 342
繁殖进程 Reproductive process 560
生物黏附 Biological adhesion 53
信号传导 Signaling 476
多细胞进程 Multicellular organismal process 825
发育进程 Developmental process 1 115
生长 Growth 204
细胞活动 Locomotion 6
单生物进程 Single-organism process 5 547
生物相 Biological phase 30
节律进程 Rhythmic process 15
应激反应 Response to stimulus 2 277
定位 Localization 1 821
有机体进程 Multi-organism process 388
生物调节 Biological regulation 2 090
细胞组织部分或生物合成 Cellular component organization or biogenesis 1 421
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体共 51 个功能组，通过进一步分析发现：22 436 个 GO 条目归属于细胞组分中的 16 个功能组；12 834
个 GO 条目归属于分子功能中的 15 个功能组；31 131 个 GO 条目归属于参与生物学过程中的 20 个
功能组。其中，代谢进程（7 607 个）、细胞进程（6 342 个）、催化活性（5 866 个）、单有机体过程
（5 547 个）、细胞部分（5 180 个）、细胞（5 145 个）和结合活性（4 969 个）功能组中涉及的 Unigene
较多，而细胞杀伤（4 个）、病毒体（3 个）、胞外基质（3 个）、病毒部分（3 个）、胞外基质部分（1
个）、金属伴侣蛋白活性（2 个）和翻译调节活性（2 个）功能组中涉及 Unigene 较少。
上述结果从宏观上认识了紫背天葵叶片中表达基因的功能分布特征。注释结果还表明，有 24
个 Unigene 与花青素合成有关，其中 23 个 Unigene 分布于分子功能及生物学过程 2 个本体，且大多
数是花青素 3–O–葡萄糖基转移酶（3-O-glucosyltransferase，3GT）基因，该酶是花色素苷
（Anthocyanins）生物合成途径中的关键酶，它主要负责将不稳定的花色素转变为稳定的花色素苷。
2.2.4 Unigene的 COG及 KOG相关功能分类
COG 数据库是对基因产物进行直系同源分类的数据库。COG 分为两类，一类是原核生物
的，称为 COG数据库；另一类是真核生物，称为 KOG数据库。将紫背天葵 Unigene 与 COG 数
据库进行比对并根据其功能进行分类统计。结果（表 5）表明：COG 注释到 6 589 个 Unigene 并根
据其功能分为 24 类，KOG 注释到 13 498 个 Unigene 并分为 25 类；其中 COG 注释到 Unigene 最多
的功能类别是未知功能，共 1 312 个，其次为一般功能预测（528 个），但未能注释到 RNA 加工与
修饰；而 KOG 注释到 Unigene 最多的是一般功能预测，共 3 103 个，其次为翻译后修饰、蛋白折叠
和分子伴侣（997），最少的是细胞运动（2 个）。从表 5 可知，紫背天葵 Unigene 涉及到生长发育过
程中绝大多数生命活动。

表 5 紫背天葵 Unigene 的 COG 及 KOG 系统分类
Table 5 COG and KOG classifications of Gynura bicolor unigene
COG 分类名
Class Name
COG 注释的基因数
Unigene number
annotated by COG
KOG 注释的基因数
Unigene number
annotated by KOG
RNA 加工与修饰 RNA processing and modification 0 440
转录 Transcription 4 702
重复、重组和修饰 Replication，recombination and repair 10 420
染色体结构和活力 Chromatin structure and dynamics 42 185
细胞周期控制、蛋白质折叠和分子伴侣 Cell cycle control，cell division，chromosome partitioning 65 339
核结构 Nuclear structure 85 70
防卫机制 Defense mechanisms 100 103
信号传导 Signal transduction mechanisms 109 936
细胞壁膜生物合成 Cell wall/membrane/envelope biogenesis 132 212
细胞运动 Cell motility 154 2
细胞构架 Cytoskeleton 156 334
胞外结构 Extracellular structures 189 48
细胞内转运、分泌和小泡运输 Intracellular trafficking，secretion，and vesicular transport 228 752
翻译后修饰、蛋白折叠和分子伴侣 Posttranslational modification，protein turnover，chaperones 229 997
能量生成和转换 Energy production and conversion 239 612
碳水化合物运输和代谢 Carbohydrate transport and metabolism 276 742
氨基酸运输和代谢 Amino acid transport and metabolism 284 553
核苷酸运输和代谢 Nucleotide transport and metabolism 298 127
辅酶运输和代谢 Coenzyme transport and metabolism 317 114
脂质运输和代谢 Lipid transport and metabolism 386 501
矿脂运输和代谢 Inorganic ion transport and metabolism 418 376
次生代谢物合成、运输和代谢 Secondary metabolites biosynthesis，transport and catabolism 502 504
翻译、核糖体结构和生物合成 Translation，ribosomal structure and biogenesis 526 566
一般功能预测 General function prediction only 528 3 103
未知功能 Function unknown 1 312 760
总基因数 Total unigene number 6 589 13 498
Zhang Shao-ping，Hong Jian-ji，Qiu Shan-lian，Zheng Yun-yun，Zhang Shuai，Wu Song-hai，He Yan-sen，Zheng Kai-bin，Zheng Jia-xie.
Sequencing and analysis of the transcriptome of Gynura bicolor.
942 Acta Horticulturae Sinica，2016，43 (5)：935–946.
2.2.5 Unigene的 KEGG分析
KEGG 是一个整合了基因组、化学和系统功能信息的数据库，是系统分析基因产物在细胞
中的代谢途径以及基因产物功能的数据库。如表 6所示，本研究中以 KEGG 代谢途径数据库为

表 6 紫背天葵 Unigene 的 KEGG 代谢途径分析
Table 6 KEGG analysis of metabolic pathway of Gynura bicolor unigene
编号 No. 代谢途径 Pathway 编码 ID 基因数 Number
1 糖降解/糖异生 Glycolysis / Gluconeogenesis ko00010 1
2 柠檬酸循环 Citrate cycle（TCA cycle） ko00020 2
3 戊糖磷酸途径 Pentose phosphate pathway ko00030 2
4 戊糖和糖醛酸转换 Pentose and glucuronate interconversions ko00040 3
5 果糖和甘露糖代谢 Fructose and mannose metabolism ko00051 4
6 半乳糖代谢 Galactose metabolism ko00052 5
7 抗坏血酸代谢 Ascorbate and aldarate metabolism ko00053 6
8 脂肪酸生物合成 Fatty acid biosynthesis ko00061 6
9 线粒体脂肪酸延伸 Fatty acid elongation in mitochondria ko00062 6
10 脂肪酸代谢 Fatty acid metabolism ko00071 6
11 酮体合成和降解 Synthesis and degradation of ketone bodies ko00072 7
12 泛醌和其他帖醌生物合成 Ubiquinone and other terpenoid-quinone biosynthesis ko00130 7
13 氧化磷酸化 Oxidative phosphorylation ko00190 7
14 光合作用 Photosynthesis ko00195 8
15 光合作用—天线蛋白 Photosynthesis - antenna proteins ko00196 8
16 嘌呤代谢 Purine metabolism ko00230 8
17 咖啡碱代谢 Caffeine metabolism ko00232 8
18 嘧啶代谢 Pyrimidine metabolism ko00240 8
19 丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢 Alanine，aspartate and glutamate metabolism ko00250 9
20 甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢 Glycine，serine and threonine metabolism ko00260 9
21 半胱氨酸和蛋氨酸代谢 Cysteine and methionine metabolism ko00270 9
22 缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸降解 Valine，leucine and isoleucine degradation ko00280 9
23 缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸生物合成 Valine，leucine and isoleucine biosynthesis ko00290 11
24 赖氨酸生物合成 Lysine biosynthesis ko00300 11
25 赖氨酸降解 Lysine degradation ko00310 12
26 精氨酸和普氨酸代谢 Arginine and proline metabolism ko00330 12
27 组氨酸代谢 Histidine metabolism ko00340 13
28 络氨酸代谢 Tyrosine metabolism ko00350 14
29 苯丙氨酸代谢 Phenylalanine metabolism ko00360 14
30 色氨酸代谢 Tryptophan metabolism ko00380 15
31 苯丙氨酸、络氨酸和色氨酸生物合成 Phenylalanine，tyrosine and tryptophan biosynthesis ko00400 15
32 丙氨酸代谢 beta-Alanine metabolism ko00410 16
33 牛磺酸和亚牛磺酸代谢 Taurine and hypotaurine metabolism ko00430 16
34 硒化合物代谢 Selenocompound metabolism ko00450 16
35 氰基乙酸代谢 Cyanoamino acid metabolism ko00460 19
36 谷胱甘肽代谢 Glutathione metabolism ko00480 20
37 淀粉和糖代谢 Starch and sucrose metabolism ko00500 21
38 N—多糖生物合成 N-Glycan biosynthesis ko00510 23
39 其他聚糖降解 Other glycan degradation ko00511 24
40 聚糖生物合成 Other types of O-glycan biosynthesis ko00514 24
41 氨基酸和核苷酸糖代谢 Amino sugar and nucleotide sugar metabolism ko00520 25
42 多糖降解 Glycosaminoglycan degradation ko00531 25
43 甘油磷脂代谢 Glycerolipid metabolism ko00561 25
44 磷酸肌醇代谢 Inositol phosphate metabolism ko00562 25
45 磷酸肌醇生物合成 Glycosylphosphatidylinositol(GPI)-anchor biosynthesis ko00563 26
46 甘油磷脂代谢 Glycerophospholipid metabolism ko00564 26
47 醚脂质代谢 Ether lipid metabolism ko00565 26
48 花生四烯酸代谢 Arachidonic acid metabolism ko00590 28
49 亚麻酸代谢 alpha-Linolenic acid metabolism ko00592 28
50 鞘脂类代谢 Sphingolipid metabolism ko00600 29
张少平，洪建基，邱珊莲，郑云云，张 帅，吴松海，何炎森，郑开斌，郑加协.
紫背天葵高通量转录组测序分析.
园艺学报，2016，43 (5)：935–946. 943

续表 6
编号 No. 代谢途径 Pathway 编码 ID 基因数 Number
51 甘油磷脂代谢 Glycosphingolipid biosynthesis- globo series ko00603 30
52 丙酮酸代谢 Pyruvate metabolism ko00620 30
53 乙醛酸和二羧酸代谢 Glyoxylate and dicarboxylate metabolism ko00630 30
54 丙酸乙酯代谢 Propanoate metabolism ko00640 31
55 丁酸乙酯代谢 Butanoate metabolism ko00650 31
56 支链二元酸代谢 C5-Branched dibasic acid metabolism ko00660 32
57 叶酸碳库 One carbon pool by folate ko00670 33
58 光合作用碳固定 Carbon fixation in photosynthetic organisms ko00710 38
59 硫胺素代谢 Thiamine metabolism ko00730 38
60 烟酰胺代谢 Nicotinate and nicotinamide metabolism ko00760 39
61 泛酸脂和 CoA 生物合成 Pantothenate and CoA biosynthesis ko00770 39
62 生物素代谢 Biotin metabolism ko00780 40
63 叶酸生物合成 Folate biosynthesis ko00790 41
64 萜类骨架生物合成 Terpenoid backbone biosynthesis ko00900 41
65 柠檬烯和蒎烯降解 Limonene and pinene degradation ko00903 41
66 二萜类化合物合成 Diterpenoid biosynthesis ko00904 41
67 油菜素内酯生物合成 Brassinosteroid biosynthesis ko00905 42
68 类胡萝卜素生物合成 Carotenoid biosynthesis ko00906 44
69 玉米素生物合成 Zeatin biosynthesis ko00908 45
70 氮素代谢 Nitrogen metabolism ko00910 46
71 硫化物代谢 Sulfur metabolism ko00920 46
72 苯丙素生物合成 Phenylpropanoid biosynthesis ko00940 46
73 类黄酮生物合成 Flavonoid biosynthesis ko00941 47
74 黄酮和黄酮醇生物合成 Flavone and flavonol biosynthesis ko00944 48
75 芪类、二苯基庚酮和姜酚生物合成 Stilbenoid，diarylheptanoid and gingerol biosynthesis ko00945 48
76 异喹啉生物碱生物合成 Isoquinoline alkaloid biosynthesis ko00950 48
77 莨菪烷、哌啶和吡啶生物碱生物合成 Tropane，piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis ko00960 49
78 芥子油苷的生物合成 Glucosinolate biosynthesis ko00966 51
79 氨酰–tRNA 合成酶 Aminoacyl-tRNA biosynthesis ko00970 52
80 脂肪酸合成 Biosynthesis of unsaturated fatty acids ko01040 55
81 转运蛋白 ABC Transporters ABC ko02010 57
82 核糖体合成 Ribosome biogenesis in eukaryotes ko03008 58
83 核糖体 Ribosome ko03010 59
84 RNA 转运 RNA transport ko03013 59
85 mRNA 监视途径 mRNA surveillance pathway ko03015 63
86 RNA 降解 RNA degradation ko03018 64
87 RNA 聚合酶 RNA polymerase ko03020 66
88 转录因子 Basal transcription factors ko03022 69
89 复制 DNA replication DNA ko03030 71
90 剪接体 Spliceosome ko03040 71
91 蛋白酶体 Proteasome ko03050 73
92 蛋白质输出 Protein export ko03060 81
93 碱基切除修复 Base excision repair ko03410 81
94 核苷酸切除修复 Nucleotide excision repair ko03420 84
95 错配修复 Mismatch repair ko03430 86
96 同源重组 Homologous recombination ko03440 89
97 非同源末端连接 Non-homologous end-joining ko03450 91
98 磷脂酰肌醇信号系统 Phosphatidylinositol signaling system ko04070 97
99 激素信号传导 Plant hormone signal transduction ko04075 112
100 泛素介导的蛋白水解 Ubiquitin mediated proteolysis ko04120 115
101 硫中继系统 Sulfur relay system ko04122 118
102 内质网中的蛋白质处理 Protein processing in endoplasmic reticulum ko04141 120
103 内吞作用 Endocytosis ko04144 127
104 吞噬体 Phagosome ko04145 130
105 过氧物酶体 Peroxisome ko04146 133
106 植物与病原体互作 Plant-pathogen interaction ko04626 145
107 自然杀伤细胞介导细胞毒性 Natural killer cell mediated cytotoxicity ko04650 191
108 植物昼夜节律 Circadian rhythm-plant ko04712 191

Zhang Shao-ping，Hong Jian-ji，Qiu Shan-lian，Zheng Yun-yun，Zhang Shuai，Wu Song-hai，He Yan-sen，Zheng Kai-bin，Zheng Jia-xie.
Sequencing and analysis of the transcriptome of Gynura bicolor.
944 Acta Horticulturae Sinica，2016，43 (5)：935–946.
依据，可将 4 466 个紫背天葵的 Unigene 分为 108 个代谢途径，其中涉及较多的有植物昼夜节
律（191 个）、自然杀伤细胞介导细胞毒性（191 个）及植物与病原体互作（145 个）等，较少
的为糖降解/糖异生（1 个）、柠檬酸循环（2 个）及戊糖磷酸途径等（2 个）。紫背天葵富含花青
素及黄酮，花青素属类黄酮化合物，本研究中在 KEGG 代谢途径数据库注释到 47 个 Unigene
与类黄酮生物合成相关，48 个 Unigene 与黄酮和黄酮醇生物合成相关。这些 Unigene 及其注
释信息为今后深入开展紫背天葵花青素、黄酮类合成代谢途径及相关功能基因等研究奠定了
基础。
3 讨论
有关紫背天葵在园艺、食品及医药保健等方面的研究已广受关注（Hsieh et al.，2013；Chao et al.，
2014；Chen et al.，2015；张少平 等，2015），对其花青素相关功能表达基因（如 GbMYB、GbMYC、
GbCHS、GbCHI、GbDFR 及 GbANS 等）的研究也有部分报道（Shimizu et al.，2010a，2011），但尚
未有关于紫背天葵转录组的研究。
本研究采用 Illumina HiSeq 2500 测序技术对紫背天葵转录组进行测序及分析，Q30（89.49%）、
N50（1 482 bp）等测序结果表明测序质量非常可靠，满足转录组分析的基本要求。对测序结果进行
组装获取到 33 314 个 Unigene，在 7 792 个≥ 1 kb 的 Unigene 中共检测到 2 387 个 SSR 位点，并对
所获得 SSR 位点进行了特征分析，这有助于进一步开展紫背天葵及其三七草属植物通用性标记引物
开发以及相关功能基因的挖掘等相关研究。
利用 NCBI 中 Nr 及 SwissProt 蛋白质数据库，将本研究获取的紫背天葵 33 314 个 Unigene 进行
比对分析后发现以上两个数据库分别有 11 266 个（占总体的 33.82%）和 18 897 个（占总体的 56.72%）
Unigene 未注释到相关信息。大量的 Unigene 不能在 Nr 和 Swissprot 数据库找到匹配蛋白序列这一
现象在许多物种的转录组测序结果中均存在，如黄秋葵（Schafleitner et al.，2013）、鸟巢蕨（贾新
平 等，2014）、大岩桐（费元 等，2015）等。这与所得有些 Unigene 片段太短、相关数据库基因注
释信息缺乏、紫背天葵中新基因的存在等因素都有关联。通过 Pfam 数据库进行蛋白功能区域分析
研究，其中 13 909 个 Unigene 共注释到 5 198 类相关蛋白功能区域，以上数据可为下一步进行紫背
天葵结构域相关研究提供重要的指导信息。利用 GO 数据库进行紫背天葵注释基因相关功能分类及
其生物学特征等分析，所注释到紫背天葵的 11 613 个 Unigene 可分为 3 大类 51 个功能组共 66 401
个 GO 条目，但由于 GO 数据库存在功能分类不完全等缺陷，使得 21 701 个 Unigene 未注释到可能
的 GO 条目，因而还需用其他生物信息学方法对紫背天葵 Unigene 功能分类进行补充。根据 NCBI
中 COG 和 KOG 两个数据库，分别进行紫背天葵 Unigene 基因直系同源功能注释，其中 COG 注释
到 6 589 个 Unigene 在原核生物功能系统中分为 24 类，而 KOG 注释到 13 498 个 Unigene 在真核生
物功能系统中分为 25 类，通过以上两种基因直系同源关系数据库进行紫背天葵 Unigene 基因功能分
类，可从转录组水平获得直系同源体，预测紫背天葵未知开放阅读框生物学功能。KEGG 功能注释
到 4 466 个 Unigene 涉及到 108 个代谢途径，参与到碳水化合物代谢、氨基酸代谢、脂类物质代谢、
次生物质代谢、转录、翻译等代谢途径中，这些数据为紫背天葵特殊代谢途径相关基因等研究提供
了基础数据。
一般植物叶片以绿色为主，也有少量的彩叶植物，而极少如紫背天葵在正常环境下生长时叶片
正面为绿色、背面为紫色，因此其叶片除含有叶绿素外还富含花青素。逆境生理如干旱或强光直射
张少平，洪建基，邱珊莲，郑云云，张 帅，吴松海，何炎森，郑开斌，郑加协.
紫背天葵高通量转录组测序分析.
园艺学报，2016，43 (5)：935–946. 945

等都将导致紫背天葵叶片花青素含量减少，而长期的病毒感染或用茉莉酸甲酯等试剂处理的紫背天
葵组培苗将导致其叶片完全变绿。本研究进行正常生长环境下的紫背天葵嫩叶高通量转录组测序，
通过以上 7 个数据库进行功能注释，共获得叶绿素相关 Unigene 119 个，花青素相关 Unigene 29 个，
以上两种色素相关 Unigene 的获得，为进一步开展紫背天葵花青素退变相关分子机理、花青素生物
合成相关基因克隆及功能分析等研究打下了坚实基础。
本研究为首次在国内外采用 Illumina HiSeq 2500高通量测序技术建立了紫背天葵转录组数
据库，获得了大量的转录本信息并进行了功能注释及 SSR位点分析，揭示了紫背天葵叶片转录
组的整体表达特征，可为后续研究紫背天葵的功能基因克隆及分子标记开发提供参考，为菊科
三七草属植物的分子生物学研究提供了丰富的数据资源。

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