基于花瓣pH值、花青素谱与基因表达分析的蓝莲花分子育种策略

本研究系统解析了莲花花色形成机制，通过花瓣解剖结构、色素分布、液泡pH值及花青素生物合成基因（如4CL、F3'5'H、DFR、ANS）表达分析，提出以亚洲莲（高4CL表达）与美洲莲（高F3'5'H/DFR/ANS表达）杂交为核心，结合液泡pH调控的蓝莲花分子育种新策略。

　　

Highlight

花瓣色素的结构与分布

为探究不同花色莲花品种的色素分布，于盛花期采集‘心善情’（深红）、‘中山红台’（深红）、‘千瓣莲’（粉红）、‘白洋淀白’（白色）及美洲黄莲（黄色）花瓣（图2A-E）。横切面显示莲花花瓣由乳突状表皮层(EP)、栅栏状皮下薄壁组织(PP)、内部海绵薄壁组织(SP)及维管组织组成。色素特异性沉积于PP细胞的液泡中，而EP细胞仅含少量色素或无色素。值得注意的是，深红品种PP细胞中色素密度显著高于其他品种。扫描电镜显示所有品种表皮细胞均呈圆锥形，但形态参数（高度/直径比）与花色无显著相关性。这些结果表明莲花花色主要取决于PP层色素积累而非表皮结构。

液泡pH是实现莲花蓝色花色的关键因子

蓝色花形成不仅取决于飞燕草素类色素，更受花青素存储环境——液泡条件的调控。本研究发现液泡pH对莲花花色呈现具有决定性作用。‘心善情’花瓣经冷冻-解冻后出现的红转蓝显色突变（第3.2节，图3A），在花青素组成与金属离子含量未发生改变的前提下，直接证实pH升高是蓝色显色的关键驱动因子。冷冻处理导致液泡膜破裂，使细胞液（pH≈6.8）与色素液泡（pH≈5.5）混合，最终形成近似中性的混合环境（pH≈6.5），从而引发色彩偏移。通过pH荧光探针定量测量，发现红色品种液泡pH普遍偏酸（pH 5.0-5.5），而白色与黄色品种接近中性（pH 6.5-7.0）。体外模拟实验进一步证明：飞燕草素-3-葡萄糖苷(Dp-3-Glc)在pH≤5.5时呈红色，pH≥6.5时转为蓝色。这表明通过基因工程技术提高液泡pH至近中性，是培育蓝色莲花的重要方向。

花青素谱分析揭示蓝色色素生物合成潜力

采用UPLC-MS/MS对10个代表性品种进行花青素定性定量分析（图4A）。所有红色系品种均检测到飞燕草素衍生物（包括Dp-3-Glc、Pt-3-Glc和Mv-3-Glc），其含量与花色深度呈正相关。值得注意的是，黄色系美洲莲虽不积累花青素，但其花瓣提取液在体外pH调节实验中显示出蓝色显色潜力，提示其具备完整的飞燕草素合成通路关键酶基因。白色品种中未检测到任何花青素，而粉红品种色素含量介于红色与白色之间。这些结果表明莲花红色品种已具备合成蓝色色素所需的生化基础，花色差异主要源于色素积累量及液泡微环境。

花青素生物合成基因表达模式

通过qRT-PCR分析8个核心基因在花瓣中的表达谱（图5）。发现黄色与白色品种中4CL（4-香豆酸-CoA连接酶）表达量极低，而下游基因（包括CHI、F3'H、F3'5'H、DFR、ANS）在黄色花瓣中高度表达。红色品种中4CL与UFGT（UDP-葡萄糖:类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶）表达显著上调。关键蓝色色素合成基因F3'5'H在美洲莲中表达量最高，而亚洲红莲中DFR和ANS表达更为突出。这些基因表达模式表明：黄色花色是由于4CL表达缺陷导致前体供应中断，而美洲莲拥有强效的下游基因表达体系，为蓝色色素合成提供遗传基础。

灰色关联分析筛选蓝莲花育种亲本

基于基因表达量、色素含量及pH值等11个指标，对30个品种进行灰色关联分析（图6）。筛选出9个综合评分高的优良亲本，包括亚洲红莲（如‘中国红’‘晓风凉月’）和美洲黄莲（如‘黄莲花’）。这些种质兼具高4CL表达、强F3'5'H/DFR/ANS活性及中性pH倾向，为杂交培育蓝色莲花提供优质基因资源。

Conclusions

通过整合色素定位、pH调控、花青素谱及基因表达分析，本研究系统揭示了莲花花色形成机制。关键发现表明：色素在栅栏薄壁组织的积累——而非表皮结构——是花色主要决定因素。冷冻诱导的蓝转变证实了液泡pH升高对蓝色显色的核心作用。花青素分析证实红色品种含飞燕草素衍生物，具备蓝色色素合成潜力。基因表达谱显示黄色/白色花中4CL表达严重抑制，而美洲莲高表达F3'5'H、DFR、ANS基因。通过灰色关联分析筛选出9个优良亲本，并提出以亚洲莲（高4CL）与美洲莲（高F3'5'H/DFR/ANS）杂交为核心，结合液泡pH基因调控的蓝莲花育种策略。