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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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(jià)值，素有“木本花卉之王”的美譽(yù)，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(guān)于杜鵑花瓣中類黃酮的種類、影響花色呈現(xiàn)的相關(guān)基因已有文獻(xiàn)報(bào)道，但是關(guān)于杜鵑花類黃酮生物合成的調(diào)控機(jī)制尚不清楚，花色呈色機(jī)制缺少系統(tǒng)研究。本研究以錦繡杜鵑(Rhododendron pulchrum)為實(shí)驗(yàn)材料，利用代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析技術(shù)，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(dá)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(luò)。
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(gè)差異表達(dá)基因(DEGs)，GO富集分析在生物過(guò)程大類中注釋到22個(gè)花青素條目和29個(gè)類黃酮條目，在分子功能大類中注釋到2個(gè)花青素條目和1個(gè)類黃酮條目。KEGG共注釋有46個(gè)編碼苯丙烷類及黃酮和黃酮醇類生物合成途徑中關(guān)鍵酶的unigenes存在差異表達(dá)。同時(shí)篩選到與類黃酮生物合成相關(guān)的差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，其中有14個(gè)被注釋為MYB相關(guān)基因，還發(fā)現(xiàn)了編碼bHLH的12個(gè)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(gè)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(dá)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(guān)，F(xiàn)NS基因以FNSI的形式存在，IFR基因及其相關(guān)代謝產(chǎn)物在紫色花中高表達(dá)。F3’H和F3’5’H表達(dá)上調(diào)，而4CL、DFR、ANS和GT表達(dá)下調(diào)與粉色花著色相關(guān)，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(dá)抑制了類黃酮的合成，同時(shí)F3’5’H、DFR和GT低表達(dá)抑制了色素的積累，從而使花瓣呈現(xiàn)白色。同時(shí)，WGCNA分析進(jìn)一步驗(yàn)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(guān)。
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(dá)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(jī)制，鑒定到了大量和花色呈色相關(guān)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(jī)制和類黃酮代謝途徑，為未來(lái)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(jí)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(xué)技術(shù)委員會(huì)科技計(jì)劃項(xiàng)目(20392000700)和上海市綠化和市容管理局科技攻關(guān)項(xiàng)目(G190303)的資助。
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