上海植物園在杜鵑花瓣類黃酮生物合成調(diào)控研究中獲得新進展
2022年8月16日,BMC Plant Biology期刊(IF=5.26)在線發(fā)表了上海植物園木本花卉研究團隊題目為Integrative analysis of transcriptome and metabolome reveals flavonoid biosynthesis regulation in Rhododendron pulchrumpetals的研究論文。

杜鵑花是杜鵑花屬(Rhododendron)植物的總稱,具有極高的觀賞價值,素有“木本花卉之王”的美譽,在世界園藝界占有重要地位?;ㄉ嵌霹N花最重要的觀賞性狀之一,花瓣中類黃酮化合物在花色呈現(xiàn)中起著決定性作用。關于杜鵑花瓣中類黃酮的種類、影響花色呈現(xiàn)的相關基因已有文獻報道,但是關于杜鵑花類黃酮生物合成的調(diào)控機制尚不清楚,花色呈色機制缺少系統(tǒng)研究。本研究以錦繡杜鵑(Rhododendron pulchrum)為實驗材料,利用代謝組學和轉(zhuǎn)錄組學聯(lián)合分析技術,鑒定了不同種類的類黃酮代謝物,分析了涉及類黃酮生物合成的差異表達基因(DEGs),首次構(gòu)建了錦繡杜鵑不同花色中類黃酮生物合成的調(diào)控網(wǎng)絡。

3種不同花色的錦繡杜鵑花瓣
代謝組分析共鑒定出101種具有顯著差異的黃酮類代謝物,主要分為黃酮、黃酮醇、花青素、異黃酮、黃烷醇、二氫黃酮和查爾酮等7類,其中黃酮和黃酮醇類化合物是錦繡杜鵑類黃酮代謝產(chǎn)物的主要成分。轉(zhuǎn)錄組分析共獲得61.84G clean reads,鑒定到7113個差異表達基因(DEGs),GO富集分析在生物過程大類中注釋到22個花青素條目和29個類黃酮條目,在分子功能大類中注釋到2個花青素條目和1個類黃酮條目。KEGG共注釋有46個編碼苯丙烷類及黃酮和黃酮醇類生物合成途徑中關鍵酶的unigenes存在差異表達。同時篩選到與類黃酮生物合成相關的差異表達的轉(zhuǎn)錄因子,其中有14個被注釋為MYB相關基因,還發(fā)現(xiàn)了編碼bHLH的12個基因等,這些轉(zhuǎn)錄因子可能參與了錦繡杜鵑花瓣中類黃酮的生物合成。

錦繡杜鵑不同花色的黃酮類差異代謝物

錦繡杜鵑3個比較組的KEGG分析
轉(zhuǎn)錄組和代謝組聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn),錦繡杜鵑紫花中CHS、FLS、F3’H、F3’5’H、DFR、ANS、GT、FNS、IFR和FAOMT基因表達存在顯著差異。首次發(fā)現(xiàn)FNS和IFR基因與錦繡杜鵑花色著色有關,F(xiàn)NS基因以FNSI的形式存在,IFR基因及其相關代謝產(chǎn)物在紫色花中高表達。F3’H和F3’5’H表達上調(diào),而4CL、DFR、ANS和GT表達下調(diào)與粉色花著色相關,轉(zhuǎn)錄因子DREB亞家族也在粉色著色中起著重要的作用。在白色花中,CHS低表達抑制了類黃酮的合成,同時F3’5’H、DFR和GT低表達抑制了色素的積累,從而使花瓣呈現(xiàn)白色。同時,WGCNA分析進一步驗證ANS、FLS、LAR、FNS、GT、4CL、F3’5’H、IFR、DFR、FAOMT和Viodelphin-GT基因與花瓣著色相關。

3種不同花色錦繡杜鵑花瓣中類黃酮生物合成途徑

錦繡杜鵑3種花色的基因共表達分析
該研究首次從轉(zhuǎn)錄和代謝水平解析了錦繡杜鵑不同花色的呈色機制,鑒定到了大量和花色呈色相關的基因、轉(zhuǎn)錄因子和代謝產(chǎn)物,構(gòu)建了3種花色的類黃酮合成途徑模型,以上結(jié)果揭示了錦繡杜鵑花瓣的著色機制和類黃酮代謝途徑,為未來杜鵑花色定向育種提供了理論依據(jù)。
上海植物園夏溪高級工程師為第一作者,張春英教授為通訊作者,龔睿工程師參與了部分工作。該研究得到上海市科學技術委員會科技計劃項目(20392000700)和上海市綠化和市容管理局科技攻關項目(G190303)的資助。

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