山麦冬果实成熟过程中花青素与叶绿素积累的分子机制：基于靶向代谢组学与转录组学的联合分析

为解决山麦冬(Liriope spicata)果实成熟过程中颜色转变的分子机制不明问题，北京农业大学的科研团队通过靶向代谢组学与转录组学技术，系统分析了5个发育阶段的花青素和叶绿素代谢特征。研究发现9类花青素衍生物（如氰啶类、飞燕草素类）的差异积累模式，揭示了MYB/bZIP/WRKY转录因子调控的结构基因（PAL、SGR等）网络，首次构建了山麦冬果实从浅绿到黑色的色素调控模型。该研究为开发天然蓝色素和培育高观赏价值品种提供了理论依据，成果发表于《Journal of Plant Physiology》。

　　

在追求天然健康产品的时代，植物色素因其安全性和功能性备受关注。山麦冬这种兼具药用与观赏价值的植物，其果实成熟时会经历从浅绿到黑色的神奇变色过程，这种颜色变化背后隐藏着怎样的分子密码？更令人兴奋的是，成熟果实中蕴含的深蓝色素可能成为稀缺的天然蓝色素来源。然而，当前对山麦冬果实着色机制的研究极为有限，特别是缺乏系统性的代谢与基因调控网络解析，这严重制约了其作为天然色素开发和观赏植物育种的进程。

北京农业大学的研究团队在《Journal of Plant Physiology》发表的研究，首次采用多组学联用策略揭示了这一奥秘。研究人员采集了校园内栽培的山麦冬果实五个发育阶段样本（M1-M5），通过高效液相色谱测定色素含量，结合LC-MS靶向代谢组学和Illumina转录组测序，运用WGCNA（加权基因共表达网络分析）构建调控网络。

材料与方法
研究在北京农业大学校园（北纬40°05′，东经116°18′）进行，采集2022年9-10月五个发育阶段的果实：浅绿（M1）、绿白（M2）、深绿（M3）、绿黑（M4）和黑色（M5）。关键技术包括：靶向代谢组学鉴定花青素种类，qRT-PCR验证基因表达，WGCNA分析基因-代谢物关联网络。

研究结果

Pigment content in Liriope spicata fruit at different maturity stages
色素动态分析显示，从M3阶段开始，叶绿素、类胡萝卜素和花青素含量显著上升。黑色阶段（M5）总花青素含量达最高值（2.3 mg/g），而叶绿素a/b比值在M4阶段出现拐点，暗示叶绿素降解与花青素积累的协同调控。

Targeted metabolomic analysis of anthocyanins
代谢组鉴定出49种花青素衍生物，包括9种氰啶类（cyanidin）、8种飞燕草素类（delphinidin）和6种矮牵牛素类（petunidin）。其中氰啶-3-O-槐糖苷、飞燕草素-3-O-葡萄糖苷等4种成分被确定为关键差异代谢物（DAMs）。

Transcriptomic analysis of anthocyanin biosynthesis
转录组发现花青素通路结构基因（PAL、4CL、F3H等）在M3-M5阶段显著上调。特别值得注意的是，3个苯丙氨酸解氨酶基因（PALs）与花青素含量呈正相关，而叶绿素保留基因（SGR）的表达模式与叶绿素降解动态吻合。

Weighted gene co-expression network analysis
WGCNA鉴定出8个与色素代谢相关的共表达模块。紫色模块包含MYB、bZIP等转录因子，与飞燕草素衍生物高度相关；蓝绿色模块则富集了叶绿素代谢基因，揭示色素转换的分子开关。

Discussion
研究首次系统阐明了山麦冬果实着色的双轨调控机制：一方面MYB-bHLH-WD40（MBW）复合体通过激活PAL等结构基因促进花青素合成；另一方面SGR介导的叶绿素降解途径协同作用，共同驱动颜色转变。发现的4种关键花青素成分（如氰啶-3-O-（6-O-丙二酰-β-D-葡萄糖苷））为天然蓝色素开发提供了候选分子。

Conclusions
该研究不仅解析了山麦冬果实颜色变化的分子基础，更建立了首个花青素-叶绿素协同调控网络模型。这些发现对培育高花青素含量的观赏品种具有指导价值，同时为开发新型植物源蓝色素奠定了理论基础，在功能性农业和天然色素产业中具有广阔应用前景。