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2026年4月13日，扬州大学吴鹏副教授等为第一作者，扬州大学李良俊教授、华北理工大学宋小明教授为共同通讯作者，在《Plant Physiology》发表题为“Multi-omics analysis reveals regulation of rhizome swelling in Nelumbo nucifera”的研究论文。该研究揭示了DNA甲基化与生长素协同调控藕莲根状茎膨大的核心机制，为藕莲的高产分子育种和品质改良提供重要的理论依据和基因资源。
本研究以藕莲（Nelumbo nucifera Gaertn.）为材料，首次组装了高质量藕莲参考基因组，并通过全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）、转录组测序（RNA-seq）等多组学技术结合生理生化实验，系统解析莲根状茎从匍匐茎（stolon）到膨大根状茎（swelling rhizome）（莲藕）发育过程中的表观遗传调控网络。研究揭示了DNA甲基化（尤其是CHH甲基化）与生长素（auxin）信号通路协同调控根状茎膨大的核心机制，发现生长素通过激活ARF转录因子直接调控蔗糖转运蛋白（NnSUT1/2）和淀粉合成关键基因（NnSS1、NnSBEII）表达，从而协同调控“源-库”间的蔗糖转运与淀粉积累，最终促进根状茎产量形成。易基因WGBS助力揭示DNA甲基化参与调控莲藕作物高产育种机制。
英文标题：Multi-omics analysis reveals regulation of rhizome swelling in Nelumbo nucifera
译文标题：多组学分析揭示藕莲根茎膨大的调控机制
发表时间：2026年4月13日
发表期刊：Plant Physiology
影响因子：IF6.9/Q1
技术平台：基因组组装、RNA-seq、WGBS等
作者单位：扬州大学、华北理工大学
DOI:10.1093/plphys/kiag208
研究摘要
作物贮藏器官膨大是一项具有重要经济价值的农艺性状，然而影响贮藏器官膨大的信号机制尚未完全阐明。本研究组装了首个高质量藕莲（Nelumbo nucifera Gaertn.）基因组，大小为759 Mb，其中99.98%的序列锚定于8条染色体上。比较基因组分析揭示了其与中国古代莲（China Antique）的保守共线性，并鉴定出64,886个结构变异。研究系统观察了藕莲从匍匐茎到膨大阶段发育过程中的生理变化，并确定膨大转变期是根状茎膨大启动的关键时期。
在根状茎膨大过程中，全基因组DNA甲基化水平显著增加，主要归因于CHH甲基化增加，并与DNA去甲基化酶基因表达下调相关。大规模时序转录组动态分析表明，与植物激素信号及蔗糖和淀粉代谢过程通路相关的差异甲基化基因和差异表达基因与根茎膨大密切相关。此外，研究通过分析从匍匐茎到膨大阶段的特异性表达模式和共表达模块，发现生长素通路在转变期尤为活跃，并确定生长素响应因子（ARF）是该转变期调控网络的核心调控因子。
进一步实验表明，生长素诱导NnARF2与蔗糖转运蛋白1/2（NnSUT1/2）和淀粉合酶1（NnSS1）互作，同时NnARF12与淀粉分支酶II（NnSBEII）互作，直接激活“源-库”协同介导的淀粉积累，从而提高产量。综上，本研究为阐明DNA甲基化和生长素对根状茎膨大及“源-库”蔗糖转运调控作用机制提供了重要见解。
易小结
本研究通过整合多组学与分子实验系统揭示了DNA甲基化与经典生长素信号通路如何协同调控植物地下器官膨大的精细网络，为理解根茎类作物（如莲、马铃薯、甘薯、山药等）产量和品质改良的共性机制提供了全新视角。
研究中WGBS技术成功绘制了单碱基分辨率的DNA甲基化动态图谱，精准描绘了与发育转换关键期相关的表观遗传变化，阐明了表观基因组学在解析复杂农艺性状中的强大能力。
研究方法
1、植物材料培养与取样
将“Mrh”藕莲品种根状茎发育过程分为10个发育阶段（Si、Ii、I-3、II-3、III-3、IV-3、I-5、II-5、III-5、IV-5），包括匍匐茎期（Si，直径~0.5cm）、膨大起始期（Ii，直径~1.5cm）、以及不同节位直径3cm和5cm的膨大早、中、后期样本，每个阶段3个生物学重复。
2、基因组测序与组装
对“Mrh”进行de novo测序和组装，获得759 Mb大小、挂载到8条染色体、Contig N50达56.13 Mb的高质量基因组。
3、比较基因组与变异分析
将组装的藕莲基因组与已公布的中国古代莲、太子莲、太空莲等基因组进行比较，鉴定结构变异（SVs）。
4、生理与细胞学分析
分析不同发育阶段淀粉、蔗糖、支链淀粉含量，观察细胞分裂与膨大情况，检测内源生长素（IAA）含量。
5、全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）
对10个发育阶段的样本进行WGBS建库测序，计算CG、CHG、CHH三种序列环境中的单碱基甲基化水平，鉴定差异甲基化区域（DMRs）。
6、转录组测序（RNA-seq）
对相同10个发育阶段样本进行RNA-seq，分析基因表达动态和差异表达基因（DEGs）。利用WGCNA构建共表达网络，挖掘关键模块和枢纽基因。
7、分子实验验证
外源处理：对植株进行外源IAA喷施处理，观察对藕产量、膨大时间及淀粉、蔗糖含量的影响。
瞬时转化：在藕切片中瞬时过表达或敲低NnARF2和NnARF12，检测下游靶基因表达及淀粉含量变化。
Y1H与EMSA实验：验证NnARF2和NnARF12蛋白与NnSUT1/2、NnSS1、NnSBEII基因启动子的直接互作。
结果图形
（1）藕莲与其他类型莲的基因组比较分析
本研究成功组装了藕莲“Mrh”的高质量基因组（759 Mb，8条染色体）。与已公布的中国古代莲（CA）、太子莲（TZ）、太空莲（TKL）基因组进行比较基因组学分析（图1），揭示了基因组间的共线性和显著结构变异（SVs），共鉴定出64,886个SVs。对位于编码区或启动子区的SVs相关基因进行KEGG富集分析发现，这些基因显著富集于植物激素信号、糖酵解/糖异生等通路。表明藕莲在进化过程中积累的基因组结构变异可能与其特异性膨大表型及环境适应性相关。
（2）藕莲根状茎发育中的潜在的膨大转变期
通过形态解剖和生理指标测定，研究人员明确了藕莲根状茎的发育阶段（图2A-B）。石蜡切片显示，在膨大起始期（Ii），薄壁细胞中可观察到有丝分裂图像，表明细胞增殖活跃；而在直径3cm和5cm的膨大阶段，细胞分裂停止、细胞明显膨大、淀粉颗粒增多（图2C）。淀粉、支链淀粉和蔗糖含量测定表明，5cm直径的藕段中这些物质含量显著高于3cm直径的藕段（图2D）。这些证据共同表明，膨大起始期（Ii）是从匍匐茎生长转向储藏器官膨大的关键转变期，该阶段完成细胞增殖，并为后续的细胞膨大和物质积累奠定基础。
（3）CHH甲基化在藕莲根状茎膨大过程中整体增加
研究人员通过WGBS技术对10个发育阶段的根状茎样本进行全基因组甲基化分析，结果显示CG和CHG甲基化水平在各阶段均显著高于CHH，表明对称位点存在强烈的甲基化维持机制（图3A）。重要的是，在根状茎膨大过程中，全基因组及CHH区域的DNA甲基化水平逐渐升高，而CG和CHG区域几乎无变化。基因体（Genebody）和转座元件（TE）的甲基化分布模式分析显示基因区域在转录起始位点（TSS）和转录终止位点（TTS）的甲基化水平显著下降，而在TE区域甲基化水平增加；CHH甲基化在基因体及其侧翼区域显著增加（图3B-C）。与Si阶段相比，I/II/III/IV-5阶段的CHH甲基化水平显著升高，表明CHH甲基化增加是诱导整体DNA甲基化水平升高的主要因子。
（4）去甲基化基因表达下调导致藕莲根状茎膨大过程中甲基化水平增加
为探究DNA甲基化升高的分子机制，研究人员分析了DNA甲基化建立（RdDM通路）、维持（甲基转移酶）和去除（去甲基化酶）相关基因的表达模式。结果显示，多个RdDM通路基因（如NnRDR2、NnDCL3）以及DNA去甲基化酶基因（NnROS1、NnDME2、NnDML）和其辅助因子基因（NnIDM1s）的表达水平在膨大过程中逐渐下降，且与DNA甲基化水平呈显著负相关（图4A-D）。而DNA甲基转移酶基因的表达与甲基化水平关联不大，表明根状茎膨大过程中DNA甲基化整体增加主要归因于去甲基化酶基因表达下调，而非甲基化活性增强。以Si为对照，利用WGBS数据鉴定差异甲基化区域（DMRs）发现，研究鉴定出30,009-54,411个高甲基化DMRs和7,790-17,550个低甲基化DMRs，其中CHG-DMRs最丰富（占69%），高甲基化DMRs占基因体DMRs的89%（图4E）。整合甲基化组与转录组数据，发现差异甲基化基因（DMGs）与差异表达基因（DEGs）在植物激素信号、淀粉和蔗糖代谢等通路显著富集（图4F），提示DNA甲基化通过调控这些关键通路基因表达参与膨大过程。
（5）生长素通路在膨大转变期激活以启动藕莲根状茎膨大
转录组分析将10个发育阶段聚类为三类：Clade I（Si和Ii，非膨大期和转变期，细胞增殖活跃）、Clade II（n-3，细胞扩张启动）和Clade III（n-5，膨大成熟期）（图5A）。时序聚类分析鉴定出32,246个表达模式，其中Clade I高表达基因富集于核酸结合、DNA复制、核糖体等细胞增殖相关功能；Clade II富集碳水化合物代谢，Clade III富集转运和细胞壁组织。有趣的是，转变期特异性上调基因达9,071个，为各阶段之最，显著富集于核糖体、三羧酸循环和氧化磷酸化通路（图5B）。共表达网络分析（WGCNA）鉴定出一个与过渡期（Ii）显著相关的“Turquoise模块”，该模块的枢纽基因多为生长素相关基因，包括生长素合成基因YUCCs、转运基因PINs和响应基因ARFs、AUXs、IAAs、SAURs，这些基因与源代谢、淀粉代谢、细胞分裂和细胞扩张基因密切相关（图5C）。内源IAA含量测定显示，转变期（Ii）IAA含量达7.25 ng/g，显著高于n-3期（平均2.64 ng/g）和n-5期（平均2.02 ng/g），升高约3倍（图5D）。进一步分析显示，NnYUCCA5、NnPIN3、NnARF12、NnARF16等生长素基因以及NnSUS4、NnHK2等糖代谢基因的启动子甲基化水平与表达量呈显著负相关，表明DNA甲基化变化可能通过调控生长素网络基因表达影响根状茎膨大。
（6）生长素参与“源-库”协同介导的淀粉积累
为验证生长素的关键作用，研究进行外源IAA处理实验。结果显示，处理使藕提前膨大，产量、长度以及蔗糖、支链淀粉含量均显著增加（图6A）。分子实验表明，IAA处理上调了NnARF2、NnARF12以及蔗糖转运蛋白（NnSUT1/2）和淀粉合成酶基因（NnSS1、NnSBEII）的表达（图6A）。酵母单杂交和EMSA实验证明，NnARF2能直接结合NnSUT1/2和NnSS1启动子中的生长素响应元件（AuxRE），NnARF12能直接结合NnSBEII启动子中的TGA元件（图6B-D）。在藕莲中瞬时过表达NnARF2/12能上调靶基因表达并增加淀粉含量，而沉默这些基因则产生相反效应（图6E-F）。这些结果阐明了生长素通过ARF2/12转录因子直接激活“源”（叶）到“库”（藕）的蔗糖转运及藕中淀粉合成，从而协同促进淀粉积累和藕莲膨大的分子通路。
结论和启示
本研究通过WGBS等多组学整合分析，系统阐明了藕莲根状茎膨大的调控网络，揭示藕莲根状茎膨大存在一个关键转变期，该阶段生长素信号激活是膨大启动的关键；膨大过程中，DNA去甲基化酶表达下调导致全基因组DNA甲基化（特别是CHH甲基化）水平增加；生长素通过NnARF2和NnARF12转录因子直接激活蔗糖转运和淀粉合成基因，协同调控源-库间的碳水化合物分配，最终促进淀粉积累和藕膨大。
（1）组装了首个高质量藕莲参考基因组，鉴定了丰富的结构变异；
（2）明确了Ii阶段为根状茎膨大的关键转变期，具有特异性细胞和生理特征；
（3）发现CHH甲基化整体增加是根状茎发育的表观遗传标志，且归因于去甲基化酶基因表达下调；
（4）揭示生长素通过ARF2/12直接激活蔗糖转运和淀粉合成基因，实现源-库协同介导的产量形成机制。
参考文献：Wu P, Ling W, Qu C, Sun Y, Liu A, Liu Z, Wang T, Fang Y, Jinping Z, Zhao S, Feng K, Song X, Li L. Multi-omics analysis reveals regulation of rhizome swelling in Nelumbo nucifera. Plant Physiol. 2026 Apr 13. pii: 8653374. doi: 10.1093/plphys/kiag208. PubMed PMID: 41974124.
