光照强度调控木茼蒿花色形成的转录组与靶向代谢组学整合分析

《Environmental and Experimental Botany》：Integrated transcriptome and targeted metabolomics reveals floral coloration mechanisms in response to light intensity in Argyranthemum frutescens

本研究通过整合形态学、生物化学、转录组学和靶向代谢组学方法，系统解析了木茼蒿(Argyranthemum frutescens)花瓣色泽响应光照强度的分子机制。研究发现随着光照强度(50/150/600 μmol·m–2·s–1)增强，花瓣花色苷含量显著上升，鉴定出36种差异积累花青素，其中矢车菊素衍生物是关键呈色物质。转录组分析揭示CHI、F3H、DFR等结构基因及ERF、bZIP、WRKY、MYB、NAC等转录因子家族共同调控光诱导的花色苷生物合成通路。该研究为观赏植物花色改良提供了理论依据。

　　

在五彩斑斓的自然界中，花朵的色泽不仅关乎植物自身的生存繁衍，更决定着观赏植物的商业价值。然而令人困惑的是，同种植物在不同光照环境下会呈现截然不同的花色——例如广泛栽培的木茼蒿（Argyranthemum frutescens）在遮荫条件下开出洁白花朵，而在全光照环境中却绽放深粉色花瓣。这种光强依赖性花色变异现象背后的分子机制至今尚未阐明，制约了园艺工作者对花色的精准调控。

为破解这一难题，东北大学马月平团队在《Environmental and Experimental Botany》上发表了创新性研究。研究人员采用多组学整合分析策略，通过设置50、150和600 μmol·m^-2·s^-1三个光照梯度，系统揭示了木茼蒿花色形成的调控网络。研究发现光强通过激活特定转录因子模块，上调花青素生物合成通路关键基因表达，最终促进矢车菊素衍生物积累而实现花色加深。

关键技术方法包括：①花瓣表型观测与花色参数量化；②靶向花青素代谢组学（UPLC-ESI-MS/MS）分析；③de novo转录组测序与差异基因筛选；④基因-代谢物联合网络构建。所有植物样本均采自湖北神农架并栽培于东北大学实验基地。

3.1 光强对花瓣颜色的影响

随着光强从50升至600 μmol·m^-2·s^-1，花瓣由白色渐变为深粉色，色度参数a值（红绿色度）和c值（彩度）显著上升，而明度L*值下降。总花青素含量呈梯度增长，高强度光照（HL）下达到224.8 nmol·g^-1，是弱光（WL）条件下的19倍。显微观察显示HL样本上下表皮细胞均出现密集的花青素沉积。

3.2 花青素代谢物对光强的响应

靶向代谢组鉴定出55种花青素，其中36种为差异积累代谢物（DAAs）。矢车菊素（Cya）占比最高，其衍生物氰啶-3-O-芸香糖苷和氰啶-3-O-(6-O-丙二酰-β-D-葡萄糖苷)在HL下含量较WL提升3.8倍，而原花青素A2含量下降6倍。这5种关键花青素的动态变化与花色转变高度吻合。

3.3 光强下的转录组分析

转录组测序获得68,236个unigenes，KEGG富集显示苯丙烷生物合成（ko00940）和类黄酮生物合成（ko00941）通路显著激活。与WL相比，HL样本中89个花青素合成相关基因差异表达，其中DFR基因（Cluster-14051.15926）表达量提升17.35倍，与关键花青素积累呈正相关（r=0.99）。

3.4 花色苷生物合成关键DEGs表达

结构基因CHS、CHI、F3H、DFR的表达均随光强增强而上调，而ANS（花青素合成酶）未显示光依赖性。相关性网络表明UGT（尿苷二磷酸葡萄糖基转移酶）与矢车菊素衍生物积累密切相关，而FNS（黄酮合成酶）与原花青素含量呈负相关。

3.5 光强响应转录因子

共鉴定186个差异表达转录因子（TFs），涵盖AP2-ERF（29个）、MYB（16个）、NAC（14个）等家族。MYB3（Cluster-14051.8806）与DFRs及矢车菊素衍生物呈正相关，而WRKY53、ERF9等负向调控结构基因。TF-代谢物联合分析揭示了ERF/bZIP/WRKY/MYB/NAC家族构成的光响应调控模块。

本研究首次系统阐明了木茼蒿花色光调控的分子网络：光强通过激活MYB、NAC等转录因子，特异性上调CHI、F3H、DFR等结构基因表达，促进氰啶-3-O-芸香糖苷等矢车菊素衍生物合成，最终实现花瓣着色深化。该发现不仅深化了对植物光形态建成的理解，更为观赏植物花色定向育种提供了精准靶点，对推动园艺产业高质量发展具有重要实践意义。