转录组分析揭示鸡眼梅花瓣斑纹形成相关基因表达，为凤仙花属花卉研究开启新篇

为探究凤仙花（Impatiens morsei）花瓣色斑形成机制，西南林业大学研究人员对其色斑和非色斑区域进行转录组测序。结果获得 39,917 条单基因序列和 39,110 个差异表达基因，筛选出相关关键基因。该研究为凤仙花色斑形成机制研究奠定理论基础。

　　在植物的奇妙世界里，花朵的色彩总是吸引着人们的目光。除了常见的纯色和双色花朵，花瓣斑纹这一特殊的花色性状广泛存在于开花植物中。它不仅为植物增添了独特的美感，还在植物的传粉、防御以及适应环境变化等方面发挥着重要作用。凤仙花（Impatiens morsei）作为凤仙花属的一员，其花朵上有着粉色花瓣以及深紫色斑点，极具观赏价值。然而，长期以来，凤仙花的类黄酮生物合成途径和类胡萝卜素生物合成途径一直未被研究，其色素形成机制也如同迷雾一般，让人捉摸不透。为了揭开这层神秘的面纱，深入了解植物基因表达的复杂性和精确性，同时也为了培育出具有独特斑点图案的凤仙花品种，提升其观赏和市场价值，西南林业大学的研究人员开展了一项关于凤仙花花瓣斑纹形成机制的研究。这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，为相关领域的研究提供了重要的理论依据。
研究人员在此次研究中主要运用了转录组测序技术和 qRT-PCR 技术。在转录组测序方面，他们选取了处于盛花期、生长状况良好且无病虫害的凤仙花花瓣，从花瓣的五个不同颜色区域采集样本，经过 RNA 提取、检测等一系列操作后，使用 Illumina Novaseq 6000 测序平台进行测序，并对测序数据进行组装、注释等分析。而 qRT-PCR 技术则用于验证转录组数据的可靠性，研究人员针对与花斑形成相关的一个调控基因（MSI4）和三个结构基因（ABA1、PAL、CCS）设计引物，以 IuActin 为内参基因进行分析。
研究结果如下：

1. 单基因功能注释和分类：将转录组获得的所有转录本与六大数据库进行比对，得到了 39,514 个 mRNA 注释结果和 24,420 个单基因注释结果。GO 注释显示，参与结合和催化活性的单基因较多；KEGG 注释中，碳水化合物代谢和转录相关的单基因占比突出；COG 注释里，功能未知（S 类）的单基因数量最多；NR 数据库比对表明凤仙花与茶树（Camellia sinensis）等物种序列相似性高。
2. 样本间表达分析：依据凤仙花花瓣旗瓣和翼瓣的颜色差异，划分出五个着色区域。分析发现不同区域存在独特基因和共同基因，例如 VV 和 VNV 样本中，VV 有 6,387 个独特基因，VNV 有 2,447 个独特基因，二者共有 16,483 个基因。
3. 差异基因（DEGs）表达分析：以∣log2∣>1且显著性水平<0.005为标准筛选差异表达基因，经两两比较分为三组。结果显示下调基因数量多于上调基因，且不同比较组中差异表达基因数量不同，其中 VNV 与 VV 比较组差异表达基因最多，有 15,899 个。
4. 差异基因表达 GO 注释分析：GO 注释将基因功能分为生物过程、细胞组成和分子功能三个主要领域。分析表明，生物过程类别中与细胞和代谢活动相关的基因占主导；细胞组成领域里，与细胞结构和膜成分相关的基因最常见；分子功能域中，参与结合和催化过程的基因数量最多，但不同比较组存在差异，如 UWNV 与 UWV、UWNV 与 IW 比较组中催化活性更突出，VNV 与 VV 比较组中结合功能更显著。
5. 差异基因表达 GO 富集分析：GO 富集分析后发现，VNV 与 VV 比较组中，细胞酰胺代谢过程在分子功能类别中富集最显著；UWNV 与 UWV 比较组中，氧化还原酶活性富集最明显；UWNV 与 IW 比较组中，细胞外区域富集最为突出。
6. 差异基因表达 KEGG 富集分析：KEGG 富集分析显示，“类黄酮生物合成” 和 “类胡萝卜素生物合成” 途径可能参与凤仙花花瓣花青素的合成和积累。不同比较组中，这两个途径涉及的基因数量和差异表达基因数量有所不同，表明类黄酮生物合成途径在凤仙花花色形成过程中较为活跃。
7. 差异基因表达分析：对差异表达基因进行详细分类和功能注释，发现与 PAL 结构基因和 MYB 转录因子相关的注释最多。
8. PAL 基因差异表达分析：研究识别出 10 个与 PAL 基因相关的差异表达基因，通过聚类热图预测其对凤仙花斑纹形成的分子机制。不同比较组中，相关基因表达模式不同，推测其在不同区域斑纹形成中发挥不同的调控作用。
9. MYB 相关转录因子基因差异表达分析：在花青素生物合成过程中，受多种转录因子调控。研究识别出不同比较组中与 MYB 相关的关键差异表达转录因子，根据其表达模式推测它们在不同区域花色形成中起到正负调控作用。
10. 类黄酮和类胡萝卜素生物合成途径差异表达基因筛选：利用转录组数据筛选出调控类黄酮生物合成途径的六个关键基因（四个结构基因 PAL、PAL3、CHS1、FLS 和两个调控基因 CPC、MSI4）以及调控类胡萝卜素生物合成途径的两个结构基因（ABA1、CCS），这些基因在花瓣斑点区域表达水平较高。
11. 转录组数据 qRT-PCR 验证：选取一个调控基因和三个结构基因进行 qRT-PCR 分析，结果显示这四个基因的表达趋势与转录组数据基本一致，证明了转录组数据的可靠性，也表明筛选出的与凤仙花花瓣色素积累调控相关的结构和调控基因具有可信度。
    研究结论和讨论部分指出，此次研究测序质量高，结果可靠准确。KEGG 富集分析表明凤仙花花瓣色斑形成差异主要富集在 “类黄酮合成途径” 和 “类胡萝卜素合成途径”，推测这两个途径的变化影响了花瓣色斑的形成。研究还识别出了相关关键基因，这些基因在其他植物研究中也被证实对色素合成和花色形成有重要作用。此次研究从分子生物学角度探索了凤仙花花瓣色斑的形成机制，为进一步研究花瓣色斑形成、花色改良以及凤仙花新品种培育提供了数据和理论支持，推动了植物花色研究领域的发展，让人们对植物基因表达和花色形成机制有了更深入的理解。