绣球花蓝变能力的关键生化与分子标记物鉴定及其育种应用

本研究针对绣球花品种间蓝变能力差异大、育种筛选效率低的问题，通过分析九个粉色绣球花品种在铝处理下的花色变化、铝吸收转运机制及花萼色素组成，首次建立了铝/飞燕草素比值(Al/Del>10)与稳定型辅色素比值(Rcp>0.5)的双重判定标准，并发现HmALS3、HmCHS和HmMYB2基因表达与蓝变能力呈正相关。研究成果为绣球花蓝变品种的早期选育提供了可靠的生化标记和分子筛查策略，显著缩短育种周期。

　　

在园艺花卉市场中，绣球花(Hydrangea macrophylla)因其独特的花色可塑性而备受青睐，特别是其粉红色花序在铝元素(Al)作用下可转变为蓝色的现象，创造了巨大的商业价值——在某些国家蓝色绣球花市场份额高达40%。然而品种间存在的显著蓝变能力差异，给育种家带来了巨大挑战：有些品种只需适量铝处理即可呈现湛蓝色，有些则仅变为紫色或保持粉色。这种差异背后的机制一直未被系统阐明，导致育种过程中难以预测新品种的蓝变潜力，只能通过耗时耗力的表型观察进行筛选。

以往研究多集中于易蓝变品种，对蓝变能力差异的形成机制缺乏全面解析。虽然已知蓝色复合物的形成需要铝离子、飞燕草素-3-葡萄糖苷(Delphinidin-3-glucoside, Del)和辅色素（如5-咖啡酰奎尼酸/5-香豆酰奎尼酸）的共同作用，但各组分间的比例关系及其调控机制尚未明确。此外，铝元素在植物体内的吸收、转运和积累过程是否影响最终蓝变效果，也需进一步验证。正是基于这些科学问题，法国农业科学院IRHS研究所与Hortensia France公司组成联合研究团队，在《Scientia Horticulturae》上发表了这项系统研究。

研究人员选取了九个具有不同蓝变潜力的粉色绣球花栽培种（Charming 'Alice'?、'Anda'?、'Ankong'?、'Beijing'?、'Blue Sky'?、'Ningbo'?、Magical 'Revolution'?、'Rosita'?和'Xian'?），通过对照组与铝处理组（秋季施用硫酸铝直至叶片铝含量达400 mg·kg^-1干重）的对比设计，采用色度仪量化花色参数（L、a、b、色度C和色调角h），利用ICP-AES测定各器官铝含量，通过UPLC-MS分析花萼中Del、3-咖啡酰奎尼酸(3caf)、5-咖啡酰奎尼酸(5caf)和5-香豆酰奎尼酸(5coum)的含量，并采用RT-qPCR技术检测铝转运相关基因（HmALS3、HmVALT、HmPALT1）、铝信号基因（HmSTOP1）及花青素合成通路基因（HmCHS、HmF3H1、HmMYB2）的表达模式。

3.1. 色调角变化(?h)是蓝变能力的可靠指标

通过色度测量发现，铝处理使易蓝变品种（Ankong、Revolution、Blue Sky）的色调角h出现显著降低（?h达-27至-44），而难蓝变品种变化微弱。主成分分析确认?h是区分蓝变能力的最主要参数，由此将品种分为易蓝变、中间型和难蓝变三类。

3.2. 蓝变能力与蓝色复合物各组分的相对比例相关

研究首次发现：高蓝变能力需要同时满足两个条件——花萼中铝/飞燕草素摩尔比(Al/Del)>10，且稳定型辅色素与不稳定型辅色素比值Rcp=(5caf+5coum)/3caf>0.5。易蓝变品种均同时满足这两个条件，而难蓝变品种至少有一个指标不达标。其中Ningbo和Anda因Del含量过高导致Al/Del比过低（0.9和1.6）；Alice和Beijing虽Al/Del比高（11.2和9.0），但Rcp值过低（0.1）；Rosita则两个指标均不达标。

3.3. HmALS3基因表达与蓝变能力正相关

基因表达分析显示：铝转运基因HmALS3在易蓝变品种Ankong的根、茎、叶和花序中均显著上调，且其表达水平与?h呈显著负相关。此外，花青素合成关键基因HmCHS和转录因子HmMYB2的表达也与蓝变能力正相关。难蓝变品种Rosita中铝外排基因HmALMT4上调，减少了铝吸收；而Xian中液泡铝转运基因HmVALT高表达，导致铝在根中滞留。

3.4. 营养器官铝积累能力预示蓝变潜力

动态监测显示：易蓝变品种Ankong在秋季就能在根中积累大量铝（70 μmol·g^-1 DM），远超中间型品种（北京30，Xian仅10）。这些铝在春季被重新动员并转运至新生叶片和花序，为蓝色复合物形成提供物质基础。

研究结论强调，绣球花的蓝变能力由多重因素共同决定：既需要足够的铝积累和高效转运（受HmALS3等基因调控），也需要适宜的花萼色素组成比例。研究者据此提出了三级筛选策略：第一年不开花即可通过测定Rcp比值进行初筛；第二年对入选株系进行铝处理并检测营养器官中HmALS3表达；最后在开花期验证Al/Del比和?h值。这种多指标联合筛选方法将育种周期从传统的3-5年缩短至2年，显著提高了育种效率。

该研究的创新性在于将生理生化指标与分子标记有机结合，首次建立了绣球花蓝变能力的定量评价体系和早期预测模型。不仅为绣球花育种提供了实用工具，也为其他观赏植物的花色改良提供了可借鉴的研究思路。特别是HmALS3基因作为早期预测指标的发现，突破了必须等待开花的传统筛选瓶颈，具有重要的理论价值和实践意义。