茉莉花（Jasminum sambac）花瓣着色过程中花青素生物合成的生理与转录组整合分析

《Horticulturae》：Integrated Physiological and Transcriptomic Analysis Provide Insights into Anthocyanin Biosynthesis for Petal Color Formation in Jasminum sambac

　　

中文专业摘要翻译 花色是核心观赏性状。茉莉（Jasminum sambac (L.) Ait.）作为茉莉花茶和香料的著名原料，其花朵呈白色且结实率极低，限制了杂交育种。在生物/非生物胁迫或衰老条件下，茉莉花瓣会自然积累色素，但关于其调控机制的相关研究有限。本研究建立了一个稳定的人工系统来重现花瓣着色现象，定义了四个花瓣发育阶段，并鉴定出矢车菊素-3-芸香糖苷（cyanidin 3-rutinoside）为主要色素。在0小时，花瓣脱落酸（ABA）处于相对较高水平，而水杨酸（SA）和乙烯（ETH）在12小时达到峰值。矢车菊素-3-芸香糖苷在24小时开始积累，并在36小时达到峰值。通过整合转录组和代谢组数据集，研究人员揭示了与色素形成相关的调控转录因子（TF）-基因-代谢物网络，并确定了两个关键结构基因——二氢黄酮醇-4-还原酶基因（DFR）和花青素合酶基因（ANS），其表达量激增超过五倍，并与色素积累紧密相关，突显了它们在花青素生物合成中的核心功能。JsWRKY70 和两个 MYB 被进一步鉴定为类黄酮和花青素途径的潜在调控因子。这些发现从代谢和转录水平加深了对茉莉花瓣着色的理解，并揭示了其类黄酮和花青素生物合成的分子基础。

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研究背景

花色是观赏植物的核心性状。茉莉（Jasminum sambac）以其纯白芬芳的花朵闻名，是制作茉莉花茶和提取精油的重要经济作物。然而，茉莉花颜色单一，且自然结实率极低（0.17%），这严重制约了通过传统杂交育种手段培育彩色新品种的可能性。在自然环境中，茉莉花瓣有时会在病虫害、环境胁迫或衰老过程中呈现紫色，这为花色改良提供了潜在的种质资源和研究方向。但目前对这一自然着色现象的色素类型、代谢机制及分子调控机理的研究十分匮乏，主要集中在病虫害防治的报道中。因此，深入探究茉莉花瓣变色的生理和分子机制，对于揭示其花青素生物合成调控网络、推动观赏植物花色遗传育种具有重要的理论和实践意义。

研究目的

本研究旨在建立一个稳定可重复的人工诱导体系，模拟茉莉花瓣的自然着色过程，系统分析花瓣衰老过程中的表型变化、色素成分、内源激素动态，并结合转录组学数据，挖掘参与调控花青素生物合成的关键结构基因、转录因子及其调控网络，从而阐明茉莉花瓣着色的生理与分子机制。

主要技术方法

1. 1.
   人工气候室诱导体系：将两年生重瓣茉莉盆栽置于可控环境的气候室中，成功诱导出稳定、可重复的花瓣衰老着色过程。
2. 2.
   色素分析与鉴定：利用石油醚、盐酸和氨水等不同溶剂进行色素类型初步判断；采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用技术（UPLC-QTOF-MS）对紫色花瓣中的主要花青素成分进行精确鉴定。
3. 3.
   生理指标测定：使用UPLC-MS/MS定量测定不同时间点花瓣中矢车菊素-3-芸香糖苷、芦丁、总黄酮醇含量以及多种内源激素（如ABA、SA、ETH、JA等）的水平；同时测定花瓣pH值和含水量。
4. 4.
   转录组测序与分析：选取0小时、12小时、24小时和36小时四个代表性阶段的茉莉花瓣进行RNA-Seq测序（Illumina HiSeq^TM 4000平台），并对差异表达基因（DEGs）进行GO富集、KEGG通路分析以及转录因子家族鉴定。
5. 5.
   整合网络分析：基于Pearson相关性分析，构建生理指标、结构基因与转录因子之间的关联网络，筛选核心调控节点。

研究结果

3.1 花瓣衰老过程的表型观察

研究人员在人工气候条件下观察到茉莉花从开放到衰老的完整生命周期，并根据花瓣颜色和形态变化，将过程划分为四个典型阶段：花蕾期（0小时，白色）、盛花期（12小时，白色）、变色期（24小时，开始着色）和紫化期（36小时，深紫色）。

3.2 着色色素类型分析

通过溶剂提取实验发现，紫色花瓣的色素不溶于石油醚（排除类胡萝卜素），而在10%盐酸中呈现粉红色，表明其主要色素为花青素。30%氨水提取液呈黄色，表明含有黄酮醇类辅助色素。

3.3 花青素成分分析

通过UPLC-PDA和Q-TOF/MS分析，将紫色花瓣中的主要花青素精确鉴定为矢车菊素-3-芸香糖苷（cyanidin 3-rutinoside）。

3.4 衰老过程中主要色素含量的变化

矢车菊素-3-芸香糖苷在0小时和12小时未检出，于24小时开始积累，并在36小时达到峰值，较24小时增加20.74倍。作为主要辅色素的芦丁和总黄酮醇含量也在24小时后显著上升，与花青素积累趋势一致。

3.5 衰老过程中pH值和含水量的变化

花瓣pH值呈弱酸性，并在衰老过程中显著下降。含水量则在开花初期（0-12小时）上升，随后在着色衰老期（12-36小时）显著降低。

3.6 衰老过程中激素水平的变化

生长素（IAA）、赤霉素（GA₃）和玉米素（tZ）水平始终较低。茉莉酸（JA）水平持续较高但波动不大。脱落酸（ABA）在前期维持高水平，18小时后显著下降。水杨酸（SA）和乙烯（ETH）均表现出相似的单峰变化模式，在12小时达到峰值后下降。

3.7 关键生理指标的相关性与聚类分析

相关性分析显示，矢车菊素-3-芸香糖苷、芦丁和黄酮醇的含量与ABA含量呈显著负相关，与pH和含水量也呈负相关。聚类分析则将矢车菊素-3-芸香糖苷与SA、JA、ETH聚为一类，暗示这些激素与花青素积累密切相关。

3.8 转录组测序概况

共获得约88.80 Gb的Clean Data，超过89%的reads成功比对到茉莉参考基因组。

3.9 差异表达基因（DEGs）的鉴定

比较三个相邻阶段（0h vs 12h, 12h vs 24h, 24h vs 36h），分别鉴定出7186、3382和2193个DEGs。KEGG富集分析表明，在着色转变的关键阶段（12h vs 24h），类黄酮生物合成和花青素生物合成途径显著富集。

3.10 类黄酮生物合成途径相关DEGs

在类黄酮合成途径中，共有25个DEGs编码9种酶。其中，CHS、CHI、DFR和ANS等关键结构基因在24小时阶段表达量显著上调（超过5倍），与花青素的快速积累高度吻合。

3.11 植物激素信号转导途径相关DEGs

研究发现，与乙烯、茉莉酸和水杨酸信号转导相关的多个基因（如ACO、EIN2、MYC2、NPR1、TGA等）的表达模式与相应激素的含量变化及花青素积累趋势相一致，表明这些激素信号通路可能参与了花瓣衰老和色素形成的调控。

3.12 衰老过程中转录因子的鉴定

共鉴定出258个差异表达的转录因子，包括AP2/ERF、MYB、bHLH、WD40和WRKY家族成员。其中，20个WRKY基因在36小时阶段显著上调，与花青素积累正相关。

3.13 网络分析

通过构建基因-代谢物和转录因子-基因的网络互作图，研究人员发现两个MYB基因（DJ31166, DJ24142）和三个WRKY基因（DJ22440, DJ10749, DJ13747）与类黄酮结构基因及代谢物高度相关。此外，一个与拟南芥AtWRKY70高度同源的JsWRKY70（DJ00439）被预测为调控类黄酮代谢的潜在核心转录因子。

总结与讨论

本研究成功建立了茉莉花瓣人工着色体系，明确了其紫色主要由花青素——矢车菊素-3-芸香糖苷——的积累所致，并伴随黄酮醇辅色素（芦丁）的增加、pH值的降低和水分的流失。生理数据分析表明，高水平的ABA可能在开花初期启动乙烯的产生，而乙烯、茉莉酸和水杨酸这三种激素的动态变化与花青素积累呈现出协同关系，共同调控花瓣的衰老与着色进程。转录组分析揭示了类黄酮合成途径中的关键结构基因DFR和ANS是控制花青素合成的核心节点。更重要的是，通过网络分析，研究人员初步锁定了一批关键的候选转录因子，特别是JsWRKY70和两个MYB，它们可能通过与结构基因或其他转录因子的相互作用，精细调控茉莉花瓣中花青素的生物合成。

研究结论

本研究通过整合生理学和转录组学分析，首次系统地揭示了茉莉花瓣在衰老过程中着色的复杂调控网络。研究不仅鉴定了主要色素成分和关键的结构基因，还阐明了植物激素信号与转录因子协同作用的分子机制，为未来利用基因工程手段定向改良茉莉花色、创制彩色茉莉新品种提供了坚实的理论基础和宝贵的基因资源。