综合代谢组学和转录组学分析阐明了红色果肉梨中花青素介导的果肉着色机制

《Frontiers in Plant Science》：Integrated metabolomic and transcriptomic analyses elucidate anthocyanin-mediated flesh coloration mechanisms in red-fleshed pear

红肉梨‘M2’与白肉梨‘XM’的色差主要由花青素（尤其是 cyanidin-3-O-galactoside）差异导致，代谢组学和转录组学揭示了 PcMYB114、PcGSTF12 等关键转录因子调控花青素合成通路，并发现温度升高可能加速花青素降解。

　　红肉梨作为一种独特的遗传资源，其果肉颜色形成机制在植物学和园艺学领域一直备受关注。尽管红肉梨在外观上具有显著的红色果肉特征，但关于其颜色形成的具体代谢物种类及分子机制的研究仍较为有限。本研究通过结合靶向类胡萝卜素和花青素代谢组学分析，以及转录组学研究，深入探讨了红肉梨果肉颜色变化的分子基础。研究结果显示，花青素在红肉和白肉梨果肉颜色形成中起着主导作用，而非类胡萝卜素。其中，红肉梨‘M2’中富含的花青素主要为花青素-3-O-半乳糖苷，这可能是其红色果肉形成的关键因素。此外，通过比较红肉和白肉梨果肉的基因表达差异，研究人员鉴定了6168个共同的差异表达基因（DEGs），其中42个基因在花青素和类黄酮生物合成通路中表现出显著的富集现象。通过转录组与代谢组的关联分析，研究还识别了多个可能参与花青素合成的关键转录因子，如PcWER、PcbHLH062、PcGSTF12和PcMYB114。这些发现不仅加深了对红肉梨果肉颜色形成机制的理解，还为红肉梨的分子育种提供了理论依据和实践指导。

红肉梨在植物分类中属于蔷薇科（Rosaceae）桃亚科（Pomoideae）的梨属（Pyrus），其栽培历史可以追溯到中国，已有超过3000年的记录。中国是东方梨的起源中心之一，拥有极为丰富的梨种质资源，已记录的梨品种超过1600种。然而，与苹果、葡萄、桃等其他果树相比，梨的色素研究相对滞后，尤其是在果肉颜色形成的分子机制方面，相关研究仍较为匮乏。目前，大多数关于梨色素的研究集中在果皮上，而对于果肉颜色形成的机制研究较少。因此，本研究选取红肉梨‘M2’和白肉梨‘XM’作为研究对象，对果肉颜色形成机制进行系统分析，旨在填补这一领域的研究空白。

在植物色素研究中，花青素和类胡萝卜素是两种主要的色素类型，它们分别赋予果实不同的颜色特征。类胡萝卜素主要负责黄色、橙色和红色，而花青素则产生红色、紫色和蓝色。在其他果树中，这两种色素的代谢与调控机制已经被广泛研究，但在梨中，尤其是果肉颜色形成方面，研究仍显不足。本研究通过对红肉梨和白肉梨果肉在不同发育阶段的代谢物分析，发现花青素是导致果肉颜色差异的主要因素，而类胡萝卜素的作用相对较小。这一发现与之前的研究结果相吻合，即在红肉梨中，花青素的积累远高于白肉梨。特别是在‘M2’中，花青素-3-O-半乳糖苷的含量显著高于‘XM’，这表明该化合物可能是红肉梨果肉颜色形成的核心色素。

为了更全面地了解红肉梨果肉颜色变化的机制，研究人员还对两种梨品种的果肉颜色变化进行了详细观察。通过对果肉切面的图像分析，利用RGB色彩空间，研究人员发现‘M2’在红、绿、蓝三个颜色通道中的表现与‘XM’存在显著差异。其中，红肉梨‘M2’的红色通道值在大多数发育阶段均高于白肉梨‘XM’，而绿色通道值则相反。这一现象表明，红肉梨果肉在发育过程中呈现出更为明显的红色特征。此外，通过CIELAB色彩空间分析，研究人员进一步验证了这一趋势，并发现‘M2’在DAF40（开花后40天）时的色彩最为深邃，与RGB分析结果一致。

在代谢物分析中，研究人员采用了高通量液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS）对红肉梨和白肉梨果肉中的代谢物进行了全面检测。结果表明，红肉梨果肉中不仅含有丰富的花青素，还表现出较高的类黄酮代谢物水平。这些代谢物的积累模式与花青素的合成通路密切相关，进一步支持了花青素在红肉梨颜色形成中的主导作用。值得注意的是，尽管类胡萝卜素在其他果实中扮演重要角色，但在红肉梨果肉中并未发现其显著积累，这表明红肉梨的颜色主要由花青素决定。

通过转录组分析，研究人员还发现，红肉梨果肉中与花青素合成相关的结构基因在不同发育阶段表现出显著的表达差异。例如，在果肉颜色最为明显的DAF30和DAF40阶段，多个关键基因如PcCHS、PcCHI、PcF3H、PcANS、PcDFR和PcUFGT均表现出较高的表达水平。这些基因的表达模式与花青素的积累趋势高度一致，表明它们在红肉梨果肉颜色形成过程中起着至关重要的作用。此外，研究还发现，某些转录因子如PcWER、PcbHLH062、PcGSTF12和PcMYB114在红肉梨果肉中表现出显著的高表达，且与花青素含量存在显著相关性。这表明这些转录因子可能在调控花青素合成通路中发挥核心作用。

为了进一步验证这些关键基因的表达情况，研究人员进行了实时荧光定量PCR（RT-qPCR）分析。结果显示，红肉梨‘M2’中这些基因的表达水平显著高于白肉梨‘XM’，尤其是在果肉颜色变化的早期和中期阶段。这进一步支持了它们在花青素合成中的调控作用。此外，研究还发现，某些与果皮色素形成相关的基因如PcGSTF12也在红肉梨果肉中表现出类似的表达模式，这可能意味着这些基因在果肉和果皮中的调控机制存在一定的重叠，或者其调控作用并不局限于特定组织。

本研究的发现不仅揭示了红肉梨果肉颜色形成的主要代谢物和调控基因，还为梨的分子育种提供了新的思路。通过调控花青素合成相关基因的表达，可以有效改善梨果肉的颜色特性，从而提升其市场价值和消费者接受度。此外，研究还指出，环境因素如温度和光照可能对花青素的合成和积累产生影响。例如，在红肉梨‘M2’的后期发育阶段，花青素含量显著下降，这可能与温度升高有关。因此，未来的研究可以进一步探讨环境因素与遗传因素之间的相互作用，以优化梨的栽培条件，提高其颜色稳定性。

总体而言，本研究通过整合代谢组学和转录组学分析，揭示了红肉梨果肉颜色形成的主要代谢物和调控机制，为梨的分子育种和品质改良提供了重要的理论依据和实践指导。这些发现不仅有助于深入理解梨果肉颜色形成的生物学基础，还为培育具有稳定颜色特征的红肉梨新品种奠定了坚实的基础。未来的研究可以进一步验证这些关键基因的功能，并探索其在不同环境条件下的表达变化，从而为梨的可持续发展和品质提升提供更加全面的科学支持。