植物激素互作网络与OfERF017调控桂花开花衰老的代谢组-转录组整合研究

本研究针对桂花(Osmanthus fragrans)花期短、采收窗口期窄的产业瓶颈，通过激素代谢组学和转录组学联合分析，系统解析了乙烯(ETH)、茉莉酸(JAs)、生长素(AUXs)等植物激素在开花衰老过程中的动态变化规律及其互作网络。研究发现低浓度AUXs和细胞分裂素(CTKs)促进开花，而高浓度AUXs与ETH、JAs协同加速衰老；首次鉴定到AP2/ERF家族转录因子OfERF017能响应四种激素信号，转基因实验证实其通过调控激素通路促进桂花衰老并抑制拟南芥生长发育。该研究为桂花花期调控提供了理论依据和关键靶基因，发表于《Horticultural Plant Journal》。

　　

桂花作为中国传统十大名花之一，其独特的芳香和功能成分具有极高的观赏和经济价值。然而短短2-3天的盛花期成为制约产业发展的关键瓶颈。虽然已知DNA甲基化水平降低与桂花开花衰老相关，且生长素响应基因SAURs和乙烯响应因子ERFs在差异甲基化区域显著富集，但植物激素在桂花开花衰老中的具体作用机制及其互作网络仍不清楚。华中农业大学的研究团队通过多组学整合分析，揭示了激素代谢与转录调控网络在桂花开花衰老中的关键作用。

研究人员采用激素代谢组检测、外源激素处理转录组、加权基因共表达网络分析(WGCNA)以及转基因功能验证等技术手段。以桂花'柳叶金桂'六个开花阶段(S1-S6)样本为基础，利用LC-MS/MS平台检测64种植物激素，结合Illumina Novaseq6000测序平台进行转录组分析。通过瞬时转化桂花和稳定转化拟南芥验证OfERF017功能，采用qRT-PCR和激素代谢检测验证转基因植株表型。

激素代谢组检测发现开花衰老过程中存在明显的激素动态变化。在S1-S6六个阶段共检测到8类64种植物激素，其中S2阶段激素种类最多，特别是AUXs和CTKs。S5-S6阶段差异积累激素数量显著增加，72.7%的AUXs和乙烯前体ACC在S5-S6上调，83.3%的JAs和SA糖苷在S6显著升高，而77.8%的CTKs和83.3%的GAs在S5-S6下调。维恩分析显示7种激素在所有比较组中差异积累，包括2种AUXs、3种CTKs和2种GAs。

转录组分析揭示了激素相关基因的表达模式。主成分分析(PCA)显示各样本组明显分离，表明激素相关基因在开花衰老过程中发生了转录重编程。S2-S6阶段鉴定到的激素相关差异表达基因(DEGs)数量多于S1阶段，其中S2-S4阶段下调DEGs占优，S5阶段上下调相当，S6阶段上调DEGs占优。对AUXs、CTKs、ETH和JAs四种激素的生物合成和分解代谢基因分析发现，AUXs生物合成相关DEGs在S5-S6阶段上调比例显著增加，ETH生物合成基因在S5-S6阶段突然增加，而CTKs生物合成基因沉默和分解代谢基因激活导致其含量下降。

WGCNA鉴定到与激素积累相关的共表达模块。所有基因被聚类为4个共表达模块，MEblue模块与AUXs、JAs和ETH呈正相关，其基因在S5-S6高表达；MEturquoise模块与CTKs和GAs正相关，基因在S1-S2高表达；MEyellow模块与CTKs和GAs负相关，基因在S3-S5高表达。KEGG富集显示MEblue基因显著富集于植物激素信号转导、MAPK信号通路等途径，MEturquoise基因富集于核糖体、类黄酮生物合成等通路，MEyellow基因则主要响应刺激和激素信号。

外源激素处理揭示了激素代谢的互作网络。NAA处理诱导了最多的转录变化(942个上调、823个下调)，而四种处理共同调控的基因仅73个。网络分析显示NAA处理抑制自身生物合成基因(3上/14下)，但激活ETH生物合成途径(15上/1下)；ETH处理不仅抑制JAs生物合成基因(3上/7下)，还抑制其分解代谢基因(2上/6下)和ABA分解代谢基因(1上/4下)，表明ETH在维持JAs稳态和抑制ABA代谢中起重要作用。

AUXs响应与ETH生物合成的互作网络分析发现，NAA处理导致169个差异表达转录因子基因，主要为AP2/ERF、WRKY、NAC等家族成员。启动子 motif 分析显示214个motif在162个ETH生物合成基因启动子中显著富集。蛋白互作网络分析表明WRKY6、WRKY33、ERF4-6等构成网络核心，通过计算共表达关系构建的互作网络包含17个ARFs、24个ETH生物合成基因和63对共表达关系，其中58对为正调控。

多激素响应的转录因子整合网络分析发现，AP2/ERF、bHLH、C2C2等家族转录因子变化最显著。NAA、6-BA、ETH和GA₃处理分别诱导169、140、104和66个差异表达转录因子基因。双激素诱导中，ETH和6-BA共同调控的转录因子最多，四激素共同诱导12个转录因子，其中11个为AP2/ERF家族成员。

OfERF017的功能验证显示其在激素信号转导中的关键作用。转基因桂花中OfERF017过表达导致4420个DEGs(2825上/1595下)，GO富集显示这些基因显著富集于ABA响应、激素介导的信号通路等条目。在转基因拟南芥中，OfERF017过表达导致植株生长迟缓、开花延迟，转录组分析发现3675个上调和4868个下调DEGs，显著富集于器官发育和激素响应相关条目。激素代谢检测显示42种激素发生差异变化，其中14种AUXs中有10种下调，5种降至0，这与转基因植株生长抑制表型一致。

该研究系统阐明了植物激素在桂花开花衰老过程中的动态变化规律及其互作网络，发现低浓度AUXs和CTKs促进开花，高浓度AUXs与ETH、JAs协同促进衰老。首次鉴定到AP2/ERF家族成员OfERF017能整合多种激素信号，通过调控激素通路影响植物生长发育。这些发现不仅为理解桂花开花衰老的分子机制提供了新见解，也为通过遗传手段调控桂花花期提供了重要靶基因。研究采用的代谢组-转录组联合分析策略为其他观赏植物的发育调控研究提供了方法学参考，具有重要的理论和应用价值。