基于组合转录组学与WGCNA解析百香果果皮花青素合成的分子调控网络

本综述通过整合转录组测序（RNA-seq）与加权基因共表达网络分析（WGCNA），系统揭示了百香果果皮花青素生物合成的分子机制。研究鉴定出PeCA（4CL）、PeMYC2、PeMYB88及PeCHI等关键调控基因，并证实其通过苯丙烷代谢途径（KEGG）协同调控花青素积累，为百香果品质改良及农业副产物高值化利用提供理论依据。

　　

引言

百香果（Passiflora edulis）作为热带亚热带地区广泛栽培的经济作物，其果皮占果实鲜重的50%-60%，却因未充分利用造成大量生物质浪费。紫色果皮品种富含花青素（anthocyanins），这类多酚化合物具有抗氧化、抗炎及心血管保护等多种生物活性，其生物合成途径虽在模式植物中已有研究，但百香果果皮中的分子调控机制尚未明确。本研究通过整合转录组与WGCNA分析，旨在解析不同品种（紫色与黄色）及成熟度（未成熟与成熟）百香果果皮中花青素积累的转录调控网络。

材料与方法

研究选取紫色品种‘台农一号’与黄色品种‘钦蜜9号’的未成熟和成熟果皮样本，分别命名为TPU、TPR、TYU和TYR。通过Illumina HiSeq平台进行转录组测序，经质量控制和基因组比对后，使用DESeq2筛选差异表达基因（DEGs）（阈值|log₂Fold Change| ≥ 1且FDR < 0.05）。基因功能通过KEGG、GO和KOG数据库注释，并利用WGCNA构建共表达网络以识别与花青素含量相关的模块和枢纽基因。最后通过RT-qPCR验证候选基因表达。

结果

转录组测序与基因差异表达

12个样本共获得5.35亿条高质量清洁读段，基因组比对率超73%。主成分分析（PCA）显示组内样本聚集良好，组间差异显著。差异基因分析表明，成熟紫黄果皮比较组（TPR_vs_TYR）获得7528个DEGs，未成熟紫黄组（TPU_vs_TYU）获5039个DEGs，而紫果未熟与成熟组（TPU_vs_TPR）获3976个DEGs。聚类热图显示基因型（紫/黄）对表达模式的影响大于成熟度。

功能注释与通路富集

KEGG注释显示DEGs显著富集于“次生代谢物生物合成”及“苯丙烷生物合成”通路。GO分类表明DEGs主要涉及“细胞过程”、“代谢过程”及“催化活性”等类别。KOG注释进一步揭示了“功能预测”及“次生代谢物转运与代谢”等关键功能类别。

共表达网络与枢纽基因鉴定

WGCNA将基因划分为多个模块，其中蓝模块（blue module）与花青素含量呈负相关，绿松石模块（turquoise module）呈正相关。通过模块内连通性（MM）与基因显著性（GS）分析，筛选出PeCA（4-香豆酰辅酶A连接酶）、PeMYC2（bHLH转录因子）、PeMYB88（MYB转录因子）、PeCHI（查尔酮异构酶）及负调控因子PeKIA（激酶抑制因子）和PeEIA（酶抑制因子）等10个枢纽基因。

实验验证

RT-qPCR验证显示RNA-seq与定量PCR结果高度一致（Pearson相关系数r = 0.968）。PeCA、PeMYC2及PeCHI在成熟紫色果皮中显著上调，而PeKIA和PeEIA下调，表明其通过促进前体供应、转录激活及酶促反应正向调控花青素合成。

讨论

研究揭示了百香果花青素合成的多层级调控网络：PeCA提供苯丙烷途径前体；PeMYC2与PeMYB88可能形成MBW复合物调控结构基因表达；PeCHI催化关键异构化反应；而PeKIA/PeEIA的下调可能通过解除酶抑制效应增强代谢通量。该网络整合了发育信号与代谢调控，为百香果色泽改良及功能成分开发提供了分子靶点。

结论

本研究通过多组学联合分析，系统性解析了百香果果皮花青素生物合成的转录调控网络，鉴定了涉及前体合成、转录调控及酶促反应的关键基因，为百香果遗传育种及副产物高值化利用提供了理论基础与基因资源。