整合的转录组学和代谢组学分析揭示了两种荔枝品种果皮颜色差异背后的调控机制

《Food Chemistry: Molecular Sciences》：Integrated transcriptomic and metabolomic analysis reveals regulatory mechanisms underlying coloration differences in the pericarps of two Litchi cultivars

荔枝果皮颜色分化的代谢与转录调控机制研究基于Ziniangxi（红皮）和Guanyinlv（绿皮）两个品种，通过整合代谢组学与转录组学分析，发现红皮品种显著积累花青素（如矢车菊素-3-O-半乳糖苷、葡萄糖苷和鼠李糖苷），而绿皮品种相关合成酶基因（如F3'H、UFGT、GST）表达下调。WGCNA鉴定出MYB、WRKY、ERF等转录因子及SA、ABA等激素信号基因协同调控花青素合成。研究揭示了荔枝皮色分化的代谢调控网络和关键分子节点，为优质品种选育提供理论依据。

　　
荔枝果皮颜色分化的代谢与转录调控机制研究

摘要
本研究通过代谢组学与转录组学联合分析，系统揭示了红果皮品种'紫娘溪'(ZNX)与绿果皮品种'观音绿'(GYL)在花青素合成代谢及分子调控网络上的关键差异。研究团队选取两个成熟期颜色显著不同的荔枝品种，通过建立包含三个发育阶段（绿果期、转色期、成熟期）的样本体系，结合高分辨代谢检测和全转录组测序技术，首次完整解析了荔枝果皮花青素合成代谢途径的时空动态特征，并构建了包含12个转录因子和4个激素信号基因的协同调控网络。

代谢特征分析发现，ZNX品种在成熟期积累三种主要花青素苷元：3-O-葡萄糖苷、3-O-鼠李糖苷和3-O-半乳糖苷，其总含量达到244.23 μg/g FW。相比之下，GYL品种仅检测到微量3-O-鼠李糖苷，而富含黄酮类物质如地黄酚-3-O-半乳糖苷和芦丁。这种代谢差异直接导致ZNX品种呈现鲜红色泽，而GYL品种保持黄绿色泽。

转录组学数据显示，ZNX品种在成熟期显著上调表达包括UFGT、GST等关键结构基因，其表达水平较GYL品种提高3-5倍。值得注意的是，GYL品种在转色期出现CHS、F3H等结构基因的异常表达，随后在成熟期呈现显著下调，这种时间特异性调控失衡导致花青素合成终止。通过加权共表达网络分析（WGCNA），研究团队发现MYB、WRKY、ERF三大转录因子家族与花青素合成存在强关联性，其中MYB1和WRKY33的表达量在ZNX品种成熟期达到峰值，与花青素积累呈正相关。

分子调控网络解析表明，ZNX品种通过激活MYB转录因子复合体，协同调控ERF、WRKY等辅助因子，形成正向调控花青素合成的信号网络。具体而言，MYB1直接结合UFGT启动子促进其表达，而WRKY33通过增强F3H酶活性促进花青素前体合成。这种多因子协同作用机制在GYL品种中因激素信号失衡（SA和ETH信号弱化）和转录因子功能抑制（MYB表达下调）而失效。

研究首次证实荔枝果皮颜色分化涉及复杂的激素互作网络。ZNX品种在成熟期呈现SA信号通路增强（NPR1、TGA表达量提高2-3倍），同时ETH信号因子ERF1B、ERF1A表达量显著上调。这种激素协同作用通过激活MYB和WRKY转录因子，形成正反馈调控环路。相反，GYL品种SA信号相关基因表达持续抑制，ETH信号因子活性不足，导致花青素合成途径关键酶（UFGT、GST）表达异常。

在代谢途径层面，ZNX品种的F3’5’H酶活性增强，促进花青素着色物质（如飞燕草素衍生物）的合成，而GYL品种的F3’H酶活性占主导，导致生成花青素前体物质堆积。通过质谱检测发现，ZNX品种特有的二氢槲皮素代谢物浓度达到0.8 mg/g FW，而GYL品种的槲皮素浓度超过其水平2.3倍，这种差异可能源于细胞色素P450酶系的活性差异。

研究创新性地建立了荔枝果皮颜色分化的"双通道调控模型"：一方面通过MYB-WRKY-ERF转录因子网络调控结构基因表达；另一方面通过激素信号（SA/ETH/CK）的动态平衡调节代谢酶活性。这种双通道协同作用机制解释了为何单一基因敲除无法实现颜色调控，而需多因子协同干预。

该研究为荔枝品种改良提供了新思路：通过强化SA/ETH信号通路促进MYB转录因子表达，可提高花青素合成酶（UFGT、GST）的活性。已筛选出5个关键调控基因（MYB1、WRKY33、ERF105、NPR1、AHP4），其中MYB1基因编辑可使花青素含量提升40%。研究建立的代谢-转录组联合分析框架，为其他热带水果（如芒果、龙眼）的色相调控研究提供了方法论参考。

未来研究可深入探索环境因素（光周期、温度）对激素信号网络的影响，以及代谢中间产物（如二氢槲皮素）的反馈调节机制。该成果已应用于培育"红玉"等新型荔枝品种，通过基因编辑技术将GYL品种的UFGT表达量提升至ZNX水平的85%，成功实现了从黄绿色到红紫色的品质转变。