前言

2022年9月，山東農業大學于云艷教授課題組，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，通過轉錄組學和代謝組學綜合分析，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構基因，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。

本篇發現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，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。

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中文標題：轉錄組和化學分析揭示了玫瑰花色的形成機制

研究對象：玫瑰

發表期刊：Frontiers in Plant Science

影響因子：6.627

發表時間：2022年9月23日

合作單位：山東農業大學林學院；山東省城鄉景觀示范工程技術研究中心；北京林業大學園林學院；山東農業大學園藝科學與工程學院

運用組學方法：代謝組學、轉錄組學

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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?；ㄇ嗨氐姆e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，找到調控這個生物合成途徑的關鍵基因有利于解釋玫瑰中花青素積累以及花瓣著色機制。

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研究思路

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研究方法

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1. 研究材料

來自山東農業大學林業試驗站的玫瑰種質資源圃的三種具有代表性花色的玫瑰品種的半開期花瓣。

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2.技術路線

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譜代謝組學分析以及轉錄組學分析

2.3實時熒光定量分析?

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研究結果

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1.代謝組學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中都有。

在每個玫瑰種質中，有三個負責花青素合成的分流，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鍵途徑。

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圖1 | 三種玫瑰種質的花青素類型和含量分析

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2.代謝組學定量分析：Cy3G5G和Pn3G5G的定量分析

隨著Cy3G5G和Pn3G5G總含量的增加，不同種質的花瓣顏色逐漸變深，紅花玫瑰種質花瓣中Cy3G5G和Pn3G5G的比例遠高于其他紅花種質?；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，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。

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圖2 | 不同玫瑰種質的花青素HPLC色譜圖

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表1 | 玫瑰種質中Cy3G5G和Pn3G5G含量

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3.轉錄組分析：RNA - seq數據的全局分析

為了進一步探索與花瓣顏色形成相關的關鍵基因，構建了9個c DNA文庫，并將原始數據保存在NCBI序列閱讀庫( SRA )，登錄號為SRR20883375 ~ SRR20883383。去除接頭和低質量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 %。

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4.DEGs的GO和KEGG分析

為了探究與花青素積累相關的特異基因的動態表達模式，對不同種質的轉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的通路，如'苯丙素生物合成'，'苯丙氨酸代謝'，'類黃酮生物合成'。

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圖3 | 3個玫瑰種質的DEGs分布和注釋分析

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5.花青素苷生物合成相關基因的鑒定

在3個玫瑰種質中，共分析了來自編碼13個酶的DEGs的36個結構基因。共發現173個差異表達轉錄因子，分別包括70個MYBs、29個WD40s和74個bHLHs。MYB、WD40和b HLH是調控花青苷合成的主要轉錄因子。

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6.qRT-PCR驗證分析

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

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7.與顏色形成相關的關鍵結構基因分析

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

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圖4 | 花青素代謝合成途徑和相關DEGs的時間變大模式概述

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8.分析與 "顏色形成 "相關的關鍵TFs

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

三個TFs可能是決定玫瑰花瓣顏色的關鍵因子，具有多種功能，既可以通過調控上游途徑中的結構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的表達來調節Cy3G5G與Pn3G5G的比例。

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圖5 | 差異表達基因和代謝物之間的相關性分析

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圖6 | 差異表達基因和結構基因之間的相關性分析

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9.六個不同花瓣顏色的Rugosa種質中四個關鍵基因的表達模式

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

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研究結論

在這項研究中，轉錄組學和代謝組學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。參與矢車菊素生物合成上游途徑的35個關鍵結構基因共表達，以調節總含量。下游途徑的Cy3G5G和Pn3G5G以及Rr AOMT通過甲基化調控Cy3G5G和Pn3G5G的比例。3個候選轉錄因子，如RrMYB108、RrC1和RrMYB114，可能調節RrAOMT和其他多個結構基因的表達以控制野生玫瑰花瓣顏色。

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小鹿推薦

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

原文鏈接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.1021521/full

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