前言

2022年9月，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)于云艷教授課題組，其中吳岐奎、于云艷為通訊作者在Frontiers in Plant Science期刊發(fā)表了題為 “Transcriptome and chemical analyses revealed the mechanism of ?ower color formation in Rosa rugosa ”（IF：6.627）的研究成果，通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)綜合分析，研究了不同具有代表性花色的玫瑰花瓣的花青素類型，花青素含量以及相關(guān)基因表達的差別。在本研究中，作者分析了玫瑰花瓣中的花青素含量和類型，確定花青素生物合成的功能性結(jié)構(gòu)基因，探索了花瓣中的代謝途徑和顏色形成機制，這項研究為未來深入研究花色形成機制奠定了基礎(chǔ)。

本篇發(fā)現(xiàn)了玫瑰花瓣中的兩種主要花青素：矢車菊素Cy3G5G和芍藥素Pn3G5G，這兩種花青素的總含量決定了花瓣的顏色強度，Cy3G5G和Pn3G5G的比例決定了花瓣顏色的色調(diào)，保持Cy3G5G的高相對含量和高絕對含量可能是形成玫瑰紅色花瓣的前提條件，矢車菊素支路是主要的代謝流。

中文標(biāo)題：轉(zhuǎn)錄組和化學(xué)分析揭示了玫瑰花色的形成機制

研究對象：玫瑰

發(fā)表期刊：Frontiers in Plant Science

影響因子：6.627

發(fā)表時間：2022年9月23日

合作單位：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院；山東省城鄉(xiāng)景觀示范工程技術(shù)研究中心；北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院

運用組學(xué)方法：代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)

研究背景

玫瑰作為著名的觀賞樹種，培育新的花色有利于提高在景觀方面的應(yīng)用價值，然而玫瑰花色的作用機理還不清晰。矢車菊素(Cy3G5G)和芍藥苷（Pn3G5G）是玫瑰主要的花青素。花青素的積累影響花瓣顏色，一般來說，天竺葵素和矢車菊素為花和果實提供紅色素，芍藥素對植物組織的紫紅色有很大貢獻，而飛燕草素、矮牽牛素和錦葵素則負責(zé)藍紫色和紫紅色。明確玫瑰中重要的花青素合成途徑，找到調(diào)控這個生物合成途徑的關(guān)鍵基因有利于解釋玫瑰中花青素積累以及花瓣著色機制。

研究思路

研究方法

1. 研究材料

來自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)試驗站的玫瑰種質(zhì)資源圃的三種具有代表性花色的玫瑰品種的半開期花瓣。

2.技術(shù)路線

2.1. 對花瓣進行取樣、匯集、和冷凍儲存

2.2進行高效液相色譜質(zhì)譜代謝組學(xué)分析以及轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析

2.3實時熒光定量分析?

研究結(jié)果

1.代謝組學(xué)進行花青素類型和含量分析

三種玫瑰花瓣中共檢測出37種花青素以及18種其他的類黃酮。品種7-23檢測出了37種花青素，品種8-37檢測出了33種，品種8-16檢測出了32種?；ㄇ嗨氐臐舛仍?-5863.44ug g-1，其中有17種微量花青素的含量低于1ug/g，這17種微量花青素在三個種質(zhì)中都有。

在每個玫瑰種質(zhì)中，有三個負責(zé)花青素合成的分流，即矢車菊素、天竺葵素和飛燕草素生物合成途徑。矢車菊素和芍藥素是供試種質(zhì)花瓣中主要的花青素類型，矢車菊素生物合成分流可能是玫瑰花色形成的關(guān)鍵途徑。

圖1 | 三種玫瑰種質(zhì)的花青素類型和含量分析

2.代謝組學(xué)定量分析：Cy3G5G和Pn3G5G的定量分析

隨著Cy3G5G和Pn3G5G總含量的增加，不同種質(zhì)的花瓣顏色逐漸變深，紅花玫瑰種質(zhì)花瓣中Cy3G5G和Pn3G5G的比例遠高于其他紅花種質(zhì)?；ㄇ嗨?Cy3G5G)和芍藥苷（Pn3G5G）是玫瑰主要的花青素。這兩種花青素的總含量決定了花瓣的顏色強度，Cy3G5G和Pn3G5G的比例決定了花瓣顏色的色調(diào)，保持Cy3G5G的高相對含量和高絕對含量可能是形成玫瑰紅色花瓣的前提條件。

圖2 | 不同玫瑰種質(zhì)的花青素HPLC色譜圖

表1 | 玫瑰種質(zhì)中Cy3G5G和Pn3G5G含量

3.轉(zhuǎn)錄組分析：RNA - seq數(shù)據(jù)的全局分析

為了進一步探索與花瓣顏色形成相關(guān)的關(guān)鍵基因，構(gòu)建了9個c DNA文庫，并將原始數(shù)據(jù)保存在NCBI序列閱讀庫( SRA )，登錄號為SRR20883375 ~ SRR20883383。去除接頭和低質(zhì)量reads后平均得到49869442 ( 97.29 % )條clean reads，Q20、Q30堿基率百分比分別大于96.78 %和91.35 %。平均GC含量為45.90 %，總定位率為74.78 % ~ 85.22 %。

4.DEGs的GO和KEGG分析

為了探究與花青素積累相關(guān)的特異基因的動態(tài)表達模式，對不同種質(zhì)的轉(zhuǎn)錄組圖譜進行了比較。鑒定到的DEGs被分配到三個主要的GO功能類別)，包括生物過程( BP )，細胞組分( CC )和分子功能( MF )。對于BP類別，豐度最高的3個子類別分別是"細胞酰胺代謝過程"、"酰胺生物合成過程"和"小分子代謝過程"。共有1706個DEGs被分配到112個KEGG通路，其中豐度最高的3個通路為"核糖體"、"碳代謝"和"輔因子生物合成"。此外，一些DEGs被映射到花青素苷生物合成相關(guān)的通路，如'苯丙素生物合成'，'苯丙氨酸代謝'，'類黃酮生物合成'。

圖3 | 3個玫瑰種質(zhì)的DEGs分布和注釋分析

5.花青素苷生物合成相關(guān)基因的鑒定

在3個玫瑰種質(zhì)中，共分析了來自編碼13個酶的DEGs的36個結(jié)構(gòu)基因。共發(fā)現(xiàn)173個差異表達轉(zhuǎn)錄因子，分別包括70個MYBs、29個WD40s和74個bHLHs。MYB、WD40和b HLH是調(diào)控花青苷合成的主要轉(zhuǎn)錄因子。

6.qRT-PCR驗證分析

為了驗證RNA - seq數(shù)據(jù)的可靠性，對16個DEGs進行了qRT - PCR。14個DEGs的表達模式與RNA - seq( R > 0.80)的結(jié)果顯著相關(guān)。結(jié)果顯示基因表達譜與RNA - seq數(shù)據(jù)具有較好的一致性，證明了本研究(附圖1)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的可信性。

7.與顏色形成相關(guān)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因分析

矢車菊素生物合成下游途徑中的Rr AOMT是調(diào)控開花過程中花瓣顏色的一個極其重要的關(guān)鍵基因。Rr AOMT通過調(diào)控花瓣中Cy3G5G與Pn3G5G的比例，決定了玫瑰花瓣的顏色色調(diào)，即紅色和粉紅/紫色。

圖4 | 花青素代謝合成途徑和相關(guān)DEGs的時間變大模式概述

8.分析與 "顏色形成 "相關(guān)的關(guān)鍵TFs

相關(guān)性分析表明所有的13個TFs與RrAOMT之間都存在顯著的相關(guān)性(圖5D)，表明這13個TFs與RrAOMT之間存在相關(guān)性， TFs ( TFs組A)通過控制Rr AOMT的表達進而調(diào)控Cy3G5G與Pn3G5G的比值來決定玫瑰花瓣顏色的形成。結(jié)果表明，21個轉(zhuǎn)錄因子與多個結(jié)構(gòu)基因顯著相關(guān)，其中12個轉(zhuǎn)錄因子與19個以上基因相關(guān)。12個轉(zhuǎn)錄因子( B組TFs)可能在調(diào)控矢車菊素生物合成上游途徑中總花青素含量方面發(fā)揮重要作用。

三個TFs可能是決定玫瑰花瓣顏色的關(guān)鍵因子，具有多種功能，既可以通過調(diào)控上游途徑中的結(jié)構(gòu)基因促進總花色苷的生物合成，也可以通過控制花色苷生物合成下游途徑中Rr AOMT的表達來調(diào)節(jié)Cy3G5G與Pn3G5G的比例。

圖5 | 差異表達基因和代謝物之間的相關(guān)性分析

圖6 | 差異表達基因和結(jié)構(gòu)基因之間的相關(guān)性分析

9.六個不同花瓣顏色的Rugosa種質(zhì)中四個關(guān)鍵基因的表達模式

Rr MYB108和Rr C1在粉花和紫花種質(zhì)中的表達趨勢與Rr AOMT和Rr MYB114相反，而在紅花種質(zhì)中與Rr AOMT一致，與Rr MYB114相反。

研究結(jié)論

在這項研究中，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)被用來闡明野生玫瑰的花呈色機制。Cy3G5G和Pn3G5G在花瓣中花青素苷的比例很高，而Dp3G5G的比例很低，但在不同種質(zhì)中存在差異。Cy3G5G和Pn3G5G含量的總和和比例分別決定花瓣的顏色強度和色調(diào)。參與矢車菊素生物合成上游途徑的35個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因共表達，以調(diào)節(jié)總含量。下游途徑的Cy3G5G和Pn3G5G以及Rr AOMT通過甲基化調(diào)控Cy3G5G和Pn3G5G的比例。3個候選轉(zhuǎn)錄因子，如RrMYB108、RrC1和RrMYB114，可能調(diào)節(jié)RrAOMT和其他多個結(jié)構(gòu)基因的表達以控制野生玫瑰花瓣顏色。

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本研究運用轉(zhuǎn)錄組學(xué)+代謝組學(xué)的方法，首次全面解析了玫瑰尤其是紅花種質(zhì)的花色形成機制，并提供了一系列候選基因在觀賞植物育種中的應(yīng)用。

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