皱叶甘蓝叶片形态建成的分子基础及功能代谢物积累研究

《Horticulture, Environment, and Biotechnology》：Phenotypic, transcriptomic, and metabolic comparison between white cabbage (Brassica oleracea var. capitata) and savoy cabbage (Brassica oleracea var. sabauda)

本研究针对皱叶甘蓝独特皱叶表型的形成机制，通过对比白球甘蓝与皱叶甘蓝的转录组、代谢组及表型分析，发现KNOX家族基因BoKNAT1和BoKNAT4的表达下调可能与皱叶形成相关，并首次揭示皱叶甘蓝中防御性次生代谢物芥子油苷和camalexin的积累显著高于白球甘蓝，为叶形调控和功能性蔬菜育种提供新见解。

　　

在蔬菜王国中，甘蓝（Brassica oleracea）凭借其多样的形态和营养价值占据重要地位。其中，皱叶甘蓝（var. sabauda）因其叶片表面独特的凹凸褶皱而显得格外与众不同。这种皱叶表型不仅影响外观，还可能通过改变光能利用效率间接影响产量。然而，皱叶形成的分子机制长期以来仍是未解之谜。与此同时，皱叶甘蓝是否因其"野生"特性而含有更多对人体有益的功能性代谢物（如抗癌物质芥子油苷），也成为研究者关注的焦点。

为揭开这些谜团，韩国中部大学的研究团队在《Horticulture, Environment, and Biotechnology》上发表论文，通过多组学联合分析，系统比较了白球甘蓝（'Daebakna', DBN）与皱叶甘蓝（'Serpentine', SER）在表型、转录组和代谢物水平的差异。研究发现，皱叶甘蓝中KNOX家族基因BoKNAT1和BoKNAT4的表达显著下调，可能是导致叶片褶皱的关键因素。更令人惊喜的是，皱叶甘蓝中两种重要的防御性次生代谢物——芥子油苷（glucosinolates）和camalexin的含量显著高于白球甘蓝，这为皱叶甘蓝的健康价值提供了新的科学依据。

关键技术方法概述

研究采用白球甘蓝'DBN'和皱叶甘蓝'SER'为材料，通过RNA-seq进行转录组分析，使用BRAD数据库中的'JZS(ver. 2)'基因组进行序列比对。通过差异表达基因筛选、GO和KEGG富集分析挖掘关键基因和通路。利用 HPLC 定量检测芥子油苷、camalexin和花青素含量，并通过扫描电镜观察叶片超微结构。所有实验均设置三次生物学重复，采用one-way ANOVA进行统计分析。

研究结果

2.1 白球甘蓝与皱叶甘蓝的叶片表型差异

皱叶甘蓝叶片呈现典型凹凸褶皱，而白球甘蓝叶片表面平整且蜡质层较厚。解剖切片和扫描电镜显示，皱叶甘蓝在褶皱处的细胞被挤压得更长更薄，这从细胞水平解释了皱叶表型的形成基础。

2.2 转录组分析揭示基因表达差异

通过RNA-seq分析共鉴定到6,645个差异表达基因（DEGs），其中3,305个基因上调，3,340个下调。相关性热图表明生物学重复性良好，保证了数据的可靠性。

2.3 皱叶表型候选基因的筛选

从84个拟南芥叶片发育相关基因中筛选出3个在皱叶甘蓝中显著下调的基因：BoARGOS、BoKNAT1和BoKNAT4。序列分析显示BoKNAT1和BoKNAT4均包含保守的同源异型结构域，属于KNOX转录因子家族。

2.4 GO和KEGG分析提示代谢通路差异

GO分析显示"光合作用"和"光呼吸"相关通路显著富集。KEGG分析发现"角质、木栓质和蜡质生物合成"、"苯丙烷生物合成"和"次生代谢物生物合成"等通路存在显著差异，提示两类甘蓝在初级和次生代谢方面存在广泛分化。

2.5 叶片脱水实验与代谢物检测

虽然KEGG提示蜡质合成通路差异，但叶片脱水实验未发现两类甘蓝的失水速率有显著差异。代谢物检测显示，皱叶甘蓝中的花青素含量无显著变化，但防御性化合物camalexin和芥子油苷（包括脂肪族和吲哚类）的含量显著高于白球甘蓝。

3 芥子油苷和camalexin生物合成基因的表达模式

对78个芥子油苷生物合成基因的分析发现，24个基因（31%）存在显著表达差异，其中19个基因在皱叶甘蓝中上调。在21个camalexin通路基因中，BoMYB34和CYP79B3在皱叶甘蓝中显著上调，这与其代谢物积累水平一致。

结论与展望

本研究通过整合表型、转录组和代谢组分析，首次系统揭示了皱叶甘蓝独特性状的分子基础。BoKNAT1和BoKNAT4的表达下调可能是皱叶表型形成的关键因素，而皱叶甘蓝中更高含量的芥子油苷和camalexin则为其健康价值提供了新证据。这些发现不仅为甘蓝叶形发育的分子机制提供了新见解，也为培育具有理想叶形和 enhanced 功能性代谢物含量的甘蓝品种奠定了理论基础。未来通过CRISPR/Cas9等技术验证BoKNAT1/4的功能，将进一步完善我们对叶片形态建成的理解。