基于代谢组与转录组整合分析揭示紫叶芥菜花青素积累机制及其育种价值

《BMC Plant Biology》：Integration of metabolomic and transcriptomic analyses reveals the mechanism of anthocyanin accumulation in purple leaves of Brassica juncea var. foliosa

本研究针对紫叶芥菜（Brassica juncea var. foliosa）中花青素积累机制不明确的问题，通过整合代谢组学、转录组学和qRT-PCR技术，发现紫叶突变体mu_Z中81种差异积累代谢物和13,127个差异表达基因显著富集于花青素合成通路。研究证实CHS、DFR、ANS等结构基因及MYB-bHLH-WD40调控复合体的协同上调是紫色表型形成的关键，为高花青素芥菜品种选育提供分子基础。

　　

在蔬菜王国中，芥菜以其丰富的营养价值和独特风味占据重要地位。然而市场上常见的绿叶品种在抗氧化能力和工业应用价值上存在局限。相比之下，叶片呈深紫色的芥菜变种因其富含花青素而备受关注——这类天然色素不仅赋予植物绚丽色彩，更具有卓越的抗氧化、抗炎特性，对人体健康促进和农产品附加值提升具有重要意义。但长期以来，紫叶芥菜中花青素积累的分子机制如同蒙着面纱，制约着高营养价值品种的定向育种。

为解开这一谜题，He等研究者在《BMC Plant Biology》发表研究，以紫色芥菜突变体mu_Z和绿色野生型WT为材料，开展多组学联合分析。通过系统比较发现，mu_Z的紫色表型并非由叶绿素或类胡萝卜素差异引起，而是源于花青素的特异性积累。研究团队借助超高效液相色谱-质谱联用技术鉴定出44种上调代谢物，其中飞燕草素、芍药素-3-葡萄糖苷等花青素组分显著富集。转录组数据进一步揭示，苯丙烷生物合成、类黄酮代谢等通路的基因表达谱发生重编程，CHS（查尔酮合成酶）、DFR（二氢黄酮醇还原酶）等关键酶编码基因表达量提升达数百倍。

关键技术方法包括：利用紫外分光光度法测定叶片色素含量；采用UPLC-MS系统进行非靶向代谢组学分析；通过Illumina平台开展转录组测序并利用Trinity软件进行基因拼接；运用qRT-PCR验证关键基因表达差异。所有植物材料均取自南充市农业科学院实验农场，涵盖播种后20天、60天和100天三个生长阶段。

生长特性与色素含量分析

通过长达100天的生长观测发现，mu_Z与WT在株高、株幅和单株重量上无显著差异，但mu_Z叶片始终呈现深紫色（图1）。色素定量检测表明，mu_Z花青素含量在三个生长阶段均显著高于WT（图2A），而叶绿素a、b及类胡萝卜素含量无统计学差异（图2B-C），证实紫色表型特异源于花青素积累。

代谢组学特征解析

PCA分析显示WT与mu_Z样本明显分离（图3B），共鉴定到81种差异积累代谢物，其中44种上调。KEGG富集分析表明，花青素合成、黄酮醇生物合成等通路显著激活（图4B）。关键前体物质D-(-)-奎宁酸、反式阿魏酸以及花青素组分飞燕草素等均呈现上调趋势（表1），为紫色形成提供物质基础。

转录组学机制挖掘

13,127个差异表达基因中，3,363个基因在mu_Z中上调。KEGG通路分析显示苯丙烷代谢、类黄酮合成等通路显著富集（图6）。结构基因C4H、CHS、DFR等表达量提升2-1600倍（表2），调控基因MYB90、bHLH123等同步上调，而auxin信号通路关键因子MYB77显著下调，暗示其可能负向调控花青素合成。

多组学联合验证

整合分析发现791对代谢物-转录本存在显著相关性（图7A）。qRT-PCR验证进一步确认花青素合成通路结构基因（C4H、CHS、DFR等）及调控因子（MYB、bHLH、WD40）在mu_Z中一致性高表达（图8），形成完整的分子调控网络。

本研究通过多组学整合策略，系统阐释了紫叶芥菜花青素积累的代谢基础与转录调控网络。不仅发现飞燕草素是该品种主要显色花青素，还揭示MYB77可能通过auxin信号通路负向调控色素合成的新线索。这些发现为芥菜营养价值改良提供精准靶点，对推动功能型蔬菜育种具有重要实践意义。该研究建立的代谢-转录关联数据库，还可为十字花科作物色泽改良提供跨物种参考。