玫瑰品种'Juicy Terrazza'花色转变的分子机制：整合转录组与代谢组解析类胡萝卜素和花青素代谢调控网络

本研究通过整合转录组和代谢组分析，揭示了玫瑰品种'Juicy Terrazza'从橘红色花蕾到粉色花朵转变过程中类胡萝卜素（carotenoids）和花青素（anthocyanins）的代谢调控机制。研究发现花色转变主要受β-胡萝卜素（β-carotene）、紫黄质（violaxanthin）及其衍生物降解的驱动，并鉴定出PSY、CCD4等关键基因及MYB308、MYB1等转录因子的调控作用，为观赏植物分子育种提供了重要遗传资源。

　　

玫瑰作为全球最重要的观赏植物之一，其丰富的花色是决定观赏价值的关键性状。花色主要由两大类色素决定：水溶性的花青素（anthocyanins）和脂溶性的类胡萝卜素（carotenoids）。前者赋予花朵红紫色调，后者则产生黄色至橙色的色彩。然而，花色在花朵发育过程中动态变化的分子机制，特别是类胡萝卜素代谢调控网络在玫瑰中仍知之甚少。荷兰培育的玫瑰品种'Juicy Terrazza'展现出独特的花色转变现象：花蕾期呈现橘红色（tangerine），初开时变为橙色（orange），完全开放后转为粉色（pink），这为研究花色转变的分子机制提供了理想材料。

安徽省农业科学院的研究团队通过整合转录组和代谢组分析，系统研究了'Juicy Terrazza'三个发育阶段（JT-T、JT-O、JT-P）花瓣的基因表达和代谢物变化。研究发现花色转变主要受类胡萝卜素降解的驱动，特别是β-胡萝卜素和紫黄质及其衍生物含量的显著降低。同时鉴定出PSY（phytoene synthase）、PDS（phytoene desaturase）、ZISO（zeta-carotene isomerase）等类胡萝卜素合成基因的下调，以及CCD4（carotenoid cleavage dioxygenase 4）基因的显著上调是导致类胡萝卜素含量降低的关键因素。通过构建基因-代谢物调控网络，发现MYB308和MYB1（RchiOBHmChr3g0448721，RchiOBHmChr2g0116041）等转录因子在色素代谢调控中发挥核心作用。该研究发表于《BMC Plant Biology》，为观赏植物花色分子育种提供了重要理论基础和基因资源。

研究采用的主要技术方法包括：（1）将花瓣发育分为花蕾期（JT-T）、初开期（JT-O）和盛开期（JT-P）三个阶段取样；（2）Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，以Rosa chinensis 'Old Blush'为参考基因组；（3）UPLC-ESI-MS/MS和UPLC-APCI-MS/MS技术进行广泛靶向代谢组和类胡萝卜素靶向分析；（4）通过Pearson相关性分析（|r|>0.8，P<0.05）构建基因-代谢物调控网络。

研究结果：

背景（Background）：
研究团队观察到'Juicy Terrazza'花瓣发育过程中明显的颜色变化：紧密排列的小型花蕾呈橘红色（JT-T），随着花瓣展开变为橙色（JT-O），最终开放后呈现粉色（JT-P）。这种动态变化提示可能存在复杂的色素代谢调控机制。

转录组测序总结（Summary of transcriptome sequencing）：
对三个发育阶段花瓣进行RNA-seq分析，获得约74.99 Gb高质量数据，Q30值达92.39%。比较分析发现JT-T vs JT-P阶段差异表达基因（DEGs）最多（10,933个），显著富集于α-亚麻酸代谢、类胡萝卜素生物合成等通路。

差异表达基因鉴定（Identification of differentially expressed genes）：
三个比较组（JT-T vs JT-O、JT-O vs JT-P、JT-T vs JT-P）分别鉴定出8,646、4,943和10,933个DEGs。KEGG分析显示花色转变过程显著富集于苯丙烷生物合成、植物激素信号转导和类胡萝卜素生物合成等通路。

转录因子分析（Transcriptomic analysis of transcription factors）：
筛选出97个差异表达的转录因子，包括22个MYB、20个bHLH和26个AP2/EREBP家族成员。其中MYB1（RchiOBHmChr3g0448721）在JT-P阶段表达量较JT-T降低10倍以上，可能参与花色调控。

代谢物定量分析（Quantitative analysis of the metabolites）：
共鉴定872种代谢物，JT-T vs JT-P阶段发现153种差异积累代谢物（DAMs）。类胡萝卜素和花青素是主要差异代谢物，其中β-胡萝卜素在JT-T阶段含量（29.96 μg/g FW）显著高于JT-P阶段（1.29 μg/g FW）。

类胡萝卜素分析（Quantitative analysis of the carotenoids）：
共检测到49种类胡萝卜素及其衍生物，JT-T阶段总含量（317.62 μg/g FW）是JT-P阶段（51.18 μg/g FW）的6.2倍。紫黄质及其衍生物占比最高（71.21%），其次是β-胡萝卜素（9.43%）。

类胡萝卜素代谢通路（Carotenoid metabolic pathway）：
类胡萝卜素合成基因（PSY、PDS、ZISO、ZDS）在JT-P阶段显著下调，而降解基因CCD4表达量增加66倍。代谢组分析显示β-胡萝卜素、紫黄质等含量在JT-P阶段显著降低。

类黄酮生物合成通路（Flavonoid biosynthetic pathway）：
花青素合成相关基因PAL、4CL2、CHS等在JT-P阶段下调，而F3'H和FLS上调。代谢组检测到5种花青素，其中天竺葵素-3,5-二葡萄糖苷（Pg3G5G）含量略有下降。

网络分析（Network analysis）：
构建的调控网络显示MYB308、MYB1等转录因子与PSY、CCD4等结构基因显著相关（|r|>0.8）。MYB308与类胡萝卜素合成基因呈正相关，与降解基因呈负相关。

研究结论与讨论：
该研究首次通过多组学整合分析揭示了玫瑰'Juicy Terrazza'花色转变的分子机制。主要发现包括：（1）花色从橘红到粉色的转变主要受类胡萝卜素（特别是β-胡萝卜素和紫黄质）降解的驱动，而非花青素含量的变化；（2）CCD4基因的显著上调（66倍）和PSY等合成基因的下调是导致类胡萝卜素含量降低的直接原因；（3）MYB308和MYB1等转录因子在色素代谢调控网络中处于核心地位。这些发现不仅深化了对观赏植物花色形成机制的理解，更重要的是为分子育种提供了关键靶基因，如通过调控CCD4表达可能实现对花色的精准改良。研究还发现花瓣中含有丰富的生物活性物质（如紫黄质、β-胡萝卜素等），这些物质具有抗氧化、抗炎等健康功效，为开发玫瑰功能产品提供了科学依据。未来研究可进一步验证关键转录因子（如MYB308）的功能，并探索其在其他观赏植物花色改良中的应用价值。