陳春旭李琦郭元新杜傳來丁志剛
(1. 安徽科技學院食品藥品學院,鳳陽 233100;2. 深圳市坪山新區環境監測站,深圳 518118)
基于高通量測序的發芽苦蕎轉錄組學研究
陳春旭1李琦2郭元新1杜傳來1丁志剛1
(1. 安徽科技學院食品藥品學院,鳳陽 233100;2. 深圳市坪山新區環境監測站,深圳 518118)
采用新一代高通量測序技術Illumina SolexaHiseq 2500對發芽蕎麥轉錄組進行測序,結合生物信息學方法開展基因表達譜研究和功能基因預測。通過測序,獲得了42 953 962個序列讀取片段(reads),包含了5.37 Gb堿基序列信息。對reads進行序列組裝,獲得45 278個單基因簇(unigenes),平均長度862 bp,序列信息達到了39 Mb。另外,從長度分布、GC含量、表達水平等方面對unigenes進行評估,數據顯示測序質量好,可信度高。數據庫中的序列同源性比較表明,2 127個unigenes與其他生物的己知基因具有不同程度的同源性。發芽苦蕎轉錄組中的unigenes與細胞進程、細胞和蛋白結合相關。將unigenes與KOG數據庫進行比對,根據其功能大致可分為24類。以KEGG數據庫作為參考,依據代謝途徑可將unigenes定位到328個代謝途徑分支,包括核糖體代謝通路、碳水化合物代謝等,并且篩選出38條參與GABA合成的氧化磷酸化代謝的unigenes。SSR位點查找發現,從71 366個unigenes中共找到7 141個SSR位點。SSR不同重復基序類型中,出現頻率最高的為A/T,其次是AAG/CTT和AT/AT。
發芽苦蕎;Illumina;轉錄組;高通量測序
苦蕎(tartary buckwheat)是一種蓼科蕎麥屬雙子葉植物,又名韃靼蕎麥[1](Fagopyrum tataricum),是藥食兩用的糧食珍品,原產于我國西南部的四川涼山地區,目前在西北和西南等地區廣有種植[2]。苦蕎不僅營養價值豐富,還含有黃酮類等活性成分,具有降糖脂、降膽固醇、抗氧化、清除自由基和消炎等功效[3]。研究表明,苦蕎在萌發后氨基酸更為均衡,萌發過程可以富集γ-氨基丁酸(GABA)、黃酮和蘆丁[4]。目前,國內外在苦蕎蘆丁和蛋白分離及功能性方面已有較多的研究[5-7],但發芽苦蕎的分子生物學研究較少,造成其分子標記開發、遺傳圖譜構建、生長發育及其抗逆機理方面的研究相對滯后。在特定基因方面,趙海霞等[8]采用半定量RT-PCR分析發芽6 d苦蕎其黃酮合成途徑中主要關鍵酶基因,以及其轉錄因子基因相對表達水平;李成磊等[9]用同源克隆和cDNA末端快速克隆技術,獲得苦蕎CYP81家族同源基因FtP450-R4。在物種多樣性方面,高帆等[10]用正交設計法篩選適用于苦蕎SSR標記分析的PCR反應體系,篩選出19對引物進行苦蕎遺傳多樣性分析。
近年來,包括基因組、轉錄組、蛋白質組等各種組學技術在揭示細胞生理活動規律和生物代謝機理的研究中起著越來越重要的作用,而轉錄組學是率先發展起來及應用最為廣泛的技術,能全面快速地獲得某一物種特定細胞或組織在某一狀態下的基因表達情況[11]。同時,隨著高通量測序技術的發展,測序成本的降低,基于高通量測序技術的轉錄組分析逐漸成為非模式植物中發掘功能基因的一種有效手段[12]。因此,本研究以Illumina SolexaHiseq 2500高通量測序技術對發芽苦蕎進行轉錄組測序,旨在獲得更多發芽苦蕎的轉錄本和更為全面的轉錄組信息,發掘苦蕎發芽過程中的重要基因表達。
1.1 材料
實驗材料為苦蕎發芽子葉,樣品由安徽科技學院食品藥品學院食品科學與工程課題組提供。將苦蕎種子(內蒙古自治區烏蘭察布市生產)以去離子水清洗后,用1%的次氯酸鈉消毒15 min后沖洗至pH中性,于去離子水中30℃浸泡2 h,置于鋪有兩層濾紙的培養皿中,每8 h噴去離子水1次,在30℃的培養箱內避光發芽2 d后,選取長勢良好、健康的植株子葉,迅速將其放入紙帶內,立即經液氮速凍后保存于實驗室超低溫冰箱中備用。提取嫩葉的RNA作為本次實驗的需要的RNA。
1.2 方法
1.2.1 RNA提取 樣品在液氮中研磨至粉末狀,加入TrizoI試劑混合均勻,利用TrizoI法提取試驗材料苦蕎發芽葉片的總RNA。cDNA文庫的構建參考文獻[13]的方法。
1.2.2 文庫的建立與測序 提取樣品總RNA后,用帶有Oligo(dT)的磁珠富集真核生物mRNA。加入fragmentaion buffer將 mRNA打斷成短片段,以mRNA為模板,用六堿基隨機引物(random hexamers)合成第一條cDNA鏈,然后加入緩沖液、dNTPs、RNase H 和DNA polymerase I合成第二條cDNA鏈,在經過QiaQuick PCR試劑盒純化并加EB緩沖液洗脫之后做末端修復、加polyA并連接測序接頭,然后進行瓊脂糖凝膠電泳并分離純化,最后進行PCR擴增,得到建好的測序文庫并將其用Illumina HiSeq 2500進行雙端測序(paired-end)。
1.2.3 數據的過濾 因為測序得到的reads(即Raw reads)并不都是有效的,里面含有帶接頭或污染的reads,這些reads會影響組裝和后續分析,我們必須對下機的reads進行過濾,得到有效reads(即Clean reads)。
1.2.4 組裝 最后利用Trinity軟件對Clean reads進行拼接。通過reads overlap關系得到的不含N的組裝片段Contig,然后以paired-end reads將來自同一轉錄本的不同Contig連接,得到兩端不能再延長的非冗余序列(即unigenes)。
1.2.5 功能注釋 首先通過blastn程序將unigenes比對到NCBI-Nt核酸數據庫。通過blastx程序將unigenes比對到蛋白質數據庫。蛋白質數據庫包括NR、Swiss-Prot、KEGG、GO和KOG,E值<1e-5。其中,unigenes通過COG、GO和KEGG數據庫的分類的參考文獻[14]的方法。
1.2.6 CDS預測 通過BLAST軟件將unigenes序列與蛋白質數據庫比對,得到unigenes編碼區的核酸序列(序列方向5'-3')和氨基酸序列。后以orfpredict軟件預測沒有比對到蛋白質數據庫的unigenes的CDS序列和氨基酸序列。
1.2.7 SSR位點的篩選 SSR位點的篩選利用MISA軟件在所有unigenes中搜索SSR位點,參數設置如下:單核苷酸、二核苷酸至少重復次數為10,三核苷酸、四核苷酸、五核苷酸和六核苷酸至少重復次數均為5,對查找的SSR類型進行特征分析。
2.1 蕎麥轉錄組數據的組裝
采用Illumina HiSeq 2500高通量測序技術對蕎麥發芽嫩葉組織轉錄組進行測序,共得到42 953 962條長度為125 bp的Raw reads。去除adapter和低質量reads后,得到42 818 102條Clean reads。因為Clean reads中Q20的百分率為93.8%(>90%),所以質量合格,可進行后續分析。對Clean reads序列進行組裝,采用Trinity軟件,在拼接序列去重復后共獲得71 366條長度大于200 bp的contig,長度79 Mb。最大長度、平均長度及N50分別為15 658、1 102和1 748 bp。取每條Loci下最長的轉錄本作為unigenes,得到了45 278條unigenes,總長度為39 Mb,平均長度與N50分別為862 bp和1 476 bp。其中,大于2 000 bp的序列共有4 426條(圖1),占unigenes總數的9.78%,說明測序質量較好。

圖1 Unigenes長度分布圖
另外,GC含量是基因組堿基序列的重要特征之一,能反映基因的結構、功能和進化信息,GC分布不均勻導致基因組不同GC含量序列其性質和功能也有差異。蕎麥發芽嫩葉組織的GC含量平均值為42.50%,其中GC含量過高(大于80%)或過低(小于20%)的unigenes不存在,GC含量基本呈正態分布(圖2),從另一方面說明測序質量較好。

圖2 Unigenes GC含量分布圖
2.2 Unigenes的功能注釋、分類和代謝途徑分析
2.2.1 Unigenes的序列相似性分析 使用BLAST程序將組裝得到的unigenes與NT、NR、KOG、Swissprot、KEGG數據庫進行比對,進行unigenes的序列相似性分析。結果(表1)顯示,在NR注釋成功的unigenes的數量最多(64.62%),其后依次是Swissprot(49.79%),KOG(38.08%),KEGG(12.43%)。對該4組數據庫進行拓撲分析,結果(圖3)表明,共有2 981條unigenes四條數據庫中同時標注成功,占總unigenes數的6.58%。并且在以上4條數據庫中至少1條數據庫注釋成功的unigenes有29 901條,占總unigenes數的66.04%。其中,Swissprot數據庫有少部分(48條)超出NR數據庫范圍,這可能是由于注冊過程中兩種數據庫對于特定基因的更新不同步所致。以NR數據庫為例進行分析,結果(圖4)表明,12 779條unigenes在NR數據庫中可找到相似序列。在大于4%相似序列匹配的近緣物種中,葡萄(Vitis vinifera)所占比例最高(23.87%),其后依次是可可(Theobroma cacao,11.58%),楊毛果(Populus trichocarpa,6.88%),桃(Prunus persica,6.82%)及番茄(Solanum lycopersicum,4.54%),其他物種占17.26%。
2.2.2 Unigenes的KOG功能分類研究 真核生物蛋白相鄰類的聚簇(clusters of orthologous groups for eukaryotic complete genomes,KOG)是對基因產物進行直系同源分類的數據庫[15],將發芽苦蕎與KOG數據庫進行對比,可預測unigenes功能并進行分類統計。結果表明,共有17 241條unigenes(占unigenes總數的38%)被注釋到24種KOG分類中(圖5中用A-Z表示)。從圖中可以看出unigenes涉及的KOG功能類別比較全面,涉及了大多數的生命活動。其中,“一般功能基因”是最大類別,包含2 197條unigenes,占被注釋到unigenes總數的12.74%;其次是“信號傳導機制”,包含2 059條unigenes;而“未命名蛋白”(2個)和“核結構”(12個)類基因較少;其他類別的基因表達豐度都各不相同。

表1 注釋結果統計

圖3 注釋上各數據庫韋恩圖

圖4 NR注釋物種分布圖
2.2.3 Unigenes的GO分類研究 基因本體論(gene ontology,GO)是一個國際標準化的基因功能分類數據庫,用于全面地描述不同生物中基因的生物學特征[16]。結合GO數據庫對發芽苦蕎的unigenes進行功能分類,可從宏觀上認識發芽苦蕎表達基因的功能分布特征。結果(圖6)表明,有22 376條unigenes被注釋上GO分類,其中,樣本基因數量在10 000條以上且功能在參與的生物學過程(biological process)分類中主要聚集于細胞進程(cellular process)(14 033個)和代謝過程(metabolic process)(12 612個);在細胞組分(cellular Component)主要聚集于細胞(cell)(16 492個)和細胞成分(cell part)(16 492個);在分子功能(molecular function)分類中主要聚集于蛋白結合(binding)(12 890個)和催化活性(ca talytic activity)(11 714個)。

圖5 KOG分類圖

圖6 GO注釋上的基因分布
2.2.4 Unigenes的KEGG代謝途徑分析 (kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)是系統分析基因產物在細胞中的代謝途徑以及基因產物功能的數據庫。根據KEGG數據庫的注釋信息能進一步得到unigenes的Pathway注釋[17]。結合KEGG數據庫,對發芽苦蕎的unigenes可能參與或涉及的代謝途徑進行了統計分析。結果表明,3 662條unigenes參與到328個代謝通路中,其中包含unigenes最多的代謝通路是核糖體(ko03010)(表2),共有410條unigenes,這可能是因為苦蕎萌發時,預存在種子里的mRNA指導合成部分蛋白質,形成各種酶,接著這些酶進一步促使新的mRNA的生成,合成更多的蛋白質,導致核糖體以及線粒體也同時形成[18];其次是碳水化合物代謝(ko01200),包含176條unigenes。而參與氧化磷酸化(ko00190)的代謝通路的unigenes共有143條。
2.2.5 氧化磷酸化基因篩選 苦蕎發芽過程可以富集γ-氨基丁酸(GABA),而GABA代謝過程與氧化磷酸化過程密不可分,當植物線粒體氧化磷酸化作用減弱,還原電位增加時,琥珀酸半醛脫氫酶活性降低。從而消弱了琥珀酸半醛生成琥珀酸的反應,有利于發芽苦蕎中GABA的合成積累[19]。因此,結合KEGG數據庫,對pathway中關于氧化磷酸化通路中發掘到的unigenes進行注釋,共統計篩選出38條參與氧化磷酸化合成的unigenes(表2),編碼7個關鍵酶,其中4個unigenes編碼輔酶細胞色素C還原酶;13個unigenes編碼NAD(P)H-醌氧化還原酶;1個unigenes編碼細胞色素C氧化酶;1個unigenes編碼正鐵血紅素IX轉移酶;9個unigenes編碼無機焦磷酸酶;5個unigenes編碼F型H+轉運β亞基ATP酶;5個unigenes編碼H+轉運ATP酶。由氧化磷酸化代謝通路(ko00190)的注釋結果(圖7)可以看出,除編號為1.6.99.3、2.7.4.1和3.6.3.10的基因外,其余基因均被注釋成功。

表2 KEGG注釋上Unigenes最多的5個代謝通路
2.2.6 CDS預測 編碼序列(coding sequence,CDS)指完整的編碼蛋白質序列,CDS的預測可對后續苦蕎麥的基因功能研究和基因組圖譜的繪制提供重要的資源。結果表明,通過與NR數據庫的比對,得到的CDS序列44 995個,對未與NR數據庫比對上的unigens,用orfpredict軟件進行CDS的預測。CDS的長度分布如圖8所示。

表3 參與氧化磷酸化的酶
2.2.7 SSR分析 簡單重復序列(simple sequence repeats,SSR)又稱短串聯重復序列,廣泛存在于真核生物基因組中,一般采用SSR分子標記法對物種種質資源進行遺傳多樣性分析[20]。本實驗利用MISA軟件在發芽苦蕎的71 366條unigenes中共搜索到7 141個SSR位點,占unigenes總序列的10.00%。SSR的類型豐富,單核苷酸至五核苷酸重復類型均存在,所占比例變化較大(表4)。其中,單核苷酸重復所占比例最高,達到了53.06%;比例最低的是五核苷酸重復,僅為0.18%;二核苷酸重復和三核苷酸重復所占比例大致相當,分別為17.53%和28.46%。在檢測到的SSR中,出現頻率最高的10類基序為:A/T(3 744個)、AAG/CTT(690個)、AT/AT(607個)、AG/CT(536個)、ATC/ATG(357個)、ACC/GGT(271個)、AGG/CCT(176個)、AAC/GTT(166個 )、AGC/CTG(154個 )、AC/GT(107個)。上述SSR特征分析,有助于開展苦蕎嫩葉組織及其同屬物種的基因組差異分析、通用性標記開發和遺傳圖譜構建的研究。

圖7 氧化磷酸化代謝通路(ko00190)的注釋結果

圖8 CDS長度分布圖

表4 SSR不同重復序列分布及優勢堿基組成
本研究首次采用相對于454測序技術和SOLiD測序技術在測序成本和數據量輸出方面更具優勢的Illumina SolexaHiseq 2500高通量轉錄組測序平臺[21],對發芽苦蕎的轉錄組進行測序和功能分析。結果表明,經過預處理,各樣本數據留存率均在99%以上,并且樣本原始數據量均達到5 Gb以上序列平均長度約為117.91 bp,滿足分析需求。并且序列組裝后得到了45 278個unigenes,平均長度為862 bp,N50值(指從組裝最長的unigenes依次向下求長度的總加和,當累加長度達到組裝長度的一半時,對應的unigenes長度是N50長度)為1 746 bp,組裝得到的長片段數量較多,組裝效果較好[22]。此次序列組裝的質量和長度可以滿足轉錄組分析的基本要求。
45 278 個unigenes只有26 248個在Blast、同源性搜索中得到注釋,剩下19 030個unigenes可能是由于較短而未與公共數據庫中的序列比對上,也可能是非編碼序列或者是新的基因[23]。利用KOG數據庫對發芽苦蕎unigenes進行基因功能分類,可從基因組水平上找尋直系同源體,預測未知ORF的生物學功能,可以大大提高基因功能注釋的準確性。根據KEGG數據庫對上述unigenes進行代謝途徑分析,涉及328個具體的代謝途徑分支,參與到發芽苦蕎體內的核糖體代謝、碳水化合物代謝、氧化磷酸化等過程中,為進一步大量挖掘苦蕎發芽過程中的重要表達基因,開展發芽苦蕎的基因克隆及功能驗證等研究提供了基礎數據。其中GABA代謝過程與氧化磷酸化過程密不可分。
苦蕎中含有黃酮類物質,其主要成分為蘆丁。黃酮類化合物代謝途徑中的相關基因,如表5所示[24,25],但測序結果均未涉及,這與之前文獻[4]中的結論并不一致,這可能與萌發階段有關[26]。

表5 黃酮類化合物合成途徑中的相關基因
本研究在發芽苦蕎中發掘到7 141個SSR位點,其中單核甘酸和二核甘酸的重復占總數的70.59%,為保證SSR位點的潛在多態性,在篩選過程中對于三、四和五核甘酸的最小重復次數同樣設置為5,一定程度上影響了這3類核昔酸重復在總SSR位點中所占比例。本研究結果為今后研究蕎麥在發芽過程中相關基因的調控作用,特別是發芽過程中GABA代謝產物的代謝途徑奠定了基礎。
本研究通過Illumina SolexaHiseq 2500高通量測序,獲得5.37 Gb的發芽苦蕎轉錄組序列,拼接獲得45 278條unigenes,發掘出38條參與氧化磷酸化的unigenes以及7 141個SSR位點。
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(責任編輯 馬鑫)
Transcriptome Analysis of Germinated Tartary Buckwheat Based on High-throughput Sequencing Technology
CHEN Chun-xu1LI Qi2GUO Yuan-xin1DU Chuan-lai1DING Zhi-gang1
(1. College of Food and Drug,Anhui Science and Technology University,Fengyang 233100;2. Pingshan Environmental Monitoring Station,Shenzhen 518118)
Illumina SolexaHiseq 2500 high-throughput sequencing technology was used to get the comprehensive transcriptome from germinated tartary buckwheat. As a result,42 953 962 sequence reads containing 5.37 Gb nucleotide sequence information were obtained. After de novo assembly by the software of Trinity,a total of 45 278 unigenes were generated,corresponding to a total of 39 Mb with an average length 862 bp. In addition,the data from the evaluation of the unigenes indicated fine sequencing quality and high reliability from the aspects of length distribution,GC content,and expression level. The comparison of sequence homology in database showed that 2 127 unigenes had various degrees of homology with other known biological genes. The unigenes in the transcriptome of germinated tartary buckwheat were correlated with cellular processes,cell and protein binding. According to KOG database,the unigenes were broadly divided into 24 categories. Referring to KEGG database,unigenes were located into 328 metabolic pathways,including ribosome,carbohydrate metabolism and so on. And 38 unigenes involved in the synthesis of GABA in oxidative phosphorylation metabolism were screened. Total 7 141 unigenes were found from 71 366 by SSR and the highest frequency was A/T,followed by AAG/CTT and AT/AT.
germinated tartary buckwheat;Illumina;transcriptome;high-throughput sequencing technology
10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.07.006
2015-09-12
安徽省自然科學基金項目(1308085MC32),安徽科技學院農產品加工及貯藏工程重點學科項目(AKZDXK2015B04)
陳春旭,男,碩士,助教,研究方向:食品飲料生產工藝及品質控制;E-mail:ccx1205@126.com
郭元新,男,博士,教授,研究方向:農產品加工及品質控制;E-mail:guoyuanxiner@163.com