Nature Communications | 基因组所联合湖南省烟草科学研究所等单位绘制完成首张全基因组尺度烟草代谢调控网络图谱

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）联合湖南省烟草科学研究所、郑州烟草研究院等单位在《自然通讯（Nature Communications）》上发表题为“Multi-omics analyses reveal regulatory networks underpinning metabolite biosynthesis in Nicotiana tabacum”的研究论文。该研究基于多种基因-代谢物聚类与关联算法，构建了全基因组尺度的烟草代谢调控网络，揭示了多个高价值代谢物的关键调控枢纽，并构建了高效能烟草生物反应器。该研究为烟草代谢工程提供了“导航罗盘”，并为植物生物反应器的设计提供了新思路和新策略。

植物具备高生物量与碳固定能力，是构建新型合成反应器、通过基因编辑和代谢工程生产高价值生物产品的重要底盘。烟草作为全球使用最广泛的植物底盘，可以被遗传改造用于瞬时或稳定合成多种外源天然产物以及高附加值的内源代谢物。与大肠杆菌、酵母等微生物底盘不同，烟草叶片含有极其丰富的代谢物。虽然这为各类合成目标提供了丰富的底物来源，但其代谢调控机制也高度复杂，导致目标代谢物在烟草中的合成效率普遍偏低，难以整体设计和精准构建可用于大规模生产的烟草生物反应器。

跨生态区研究：捕捉真实环境下的代谢动态

为了精准解析自然环境中烟草的代谢调控规律，研究团队选择了中国两个生态差异显著的典型烟草种植区—高海拔山区（HM）和低海拔平原区（LF）开展田间试验。通过对两地气候数据的系统分析，发现温度是影响烟草生长和代谢稳态的关键环境因子，两地在温度范围、平均温度和最高温度上存在极显著差异，而这种差异为后续构建稳定可靠的代谢调控网络提供了理想的环境扰动条件。

高海拔山区（左）和低海拔平原区（右）

通过整合LC-MS/MS、GC-MS等多种检测技术，团队成功鉴定并定量了 633 种代谢物，涵盖黄酮类、脂质、生物碱等 14 个主要类别；同时通过转录组测序，获得了34839个蛋白编码基因的表达数据。多组学分析显示，无论是代谢组还是转录组，都呈现出显著的 “地域特异性高于时间特异性” 特征，证实了环境对烟草基因表达和代谢积累的深刻影响。

图1|实验设计示意图及真实环境下的转录与代谢动态

多维网络构建：解锁上百万调控关系

为了从多维角度处理和分析这些海量的组学数据，研究团队首先通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）、皮尔逊相关系数（PCC）分析和 k-means 聚类等方法筛选核心调控关系，再结合基尼系数（GINI）和随机森林捕捉非线性调控关联，最终成功将 25984 个基因和 633 个代谢物映射到 了317 万条高置信度调控对，从而构建出首个烟草全基因组代谢调控网络（GMRN）。ERF、WRKY 和 MYB 家族是调控网络中最核心的转录因子家族，为验证网络的可靠性，团队针对 ERF 和 WRKY 家族转录因子构建了调控子网络。以 ERF为例，网络中排名前五的高连接度 ERF 转录因子中，ERF1 和 DREB3 的调控功能与已报道研究完全吻合，且通过双荧光素酶实验证实，ERF1 可激活脂质转运蛋白基因 BCCP1 和过氧化物酶基因 POD1 的表达，DREB3 则能正向调控单糖转运蛋白基因 MST6，证明了该调控网络的准确性和实用性。

图2|全基因组代谢调控网络为解析转录因子对代谢物的调控机制提供了新视角

关键基因揭秘：三大代谢通路实现精准调控

基于构建的高质量调控网络图谱，研究团队成功挖掘并验证了调控三大关键代谢通路的核心转录因子，为烟草代谢工程提供了直接靶点。在羟基肉桂酸合成通路中，团队发现 MYB 家族转录因子 NtMYB28 是核心调控枢纽。实验证实，NtMYB28 可直接结合肉桂酸羟化酶基因 Nt4CL2A 和苯丙氨酸解氨酶基因 NtPAL2 的启动子区域，激活这两个关键限速酶的表达。在过表达 NtMYB28 的烟草植株中，羟基肉桂酸各组分产量得到了史无前例的显著提升。在脂质合成通路中，此前功能未知的 ERF 家族转录因子 NtERF167 被鉴定为关键调控因子。研究发现，NtERF167 可通过结合长链酰基辅酶 A 合成酶基因 NtLACS2 的 GCC-box 顺式元件，正向调控该基因表达。NtLACS2 作为连接叶绿体和内质网脂质合成途径的关键基因，其表达激活显著改变了烟草的脂质组成，对脂质代谢流进行了重编程。在香气物质合成通路中，团队首次发现 TCP 家族转录因子 NtCYC 可通过调控脂氧合酶基因 NtLOX2 的表达，控制香气物质的生成。NtLOX2 作为催化不饱和脂肪酸氧化的关键酶，其表达水平直接影响类胡萝卜素降解产物（如二氢猕猴桃内酯、紫罗兰酮）的积累，各组分田间产量均得到明显提升，最高可达10倍以上。

图3|NtMYB28调控羟基肉桂酸生物合成及苯丙烷途径相关基因的表达

本研究构建的烟草代谢调控图谱为后续功能基因挖掘和代谢机制研究提供了坚实基础，鉴定的 NtMYB28、NtERF167、NtCYC 等关键转录因子，可用于高羟基肉桂酸、高油脂或高香气烟草品种的分子设计育种。更重要的是，这些基因为烟草成为“植物合成工厂”生产高价值化合物提供了关键靶点，例如通过调控 NtMYB28 可提高具有抗炎、抗氧化功效的绿原酸产量，为医药、食品领域提供低成本原料。此外，该研究建立的多组学整合分析框架—包括线性与非线性关系结合、多聚类方法融合、机器学习优化等策略，能够为植物代谢调控网络构建提供可借鉴的新范式。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）闫建斌研究员与湖南省烟草科学研究所杨佳蒴高级农艺师为论文共同通讯作者。闫建斌团队博士后李嘉明与原科研助理廖庆刚（现云南师范大学马铃薯科学研究院）为论文共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国烟草总公司湖南省公司科技项目、中国农业科学院科技创新工程等项目的支持。