整合的转录组学和代谢组学分析表明，在‘Jinye’品种的榆树（Ulmus pumila）中，存在一个潜在的调控网络，该网络控制着叶片颜色的变化

《BMC Plant Biology》：Integrated transcriptomic and metabolomic analysis suggests a potential regulatory network underlying leaf color transition in Ulmus pumila ‘Jinye’

　　

摘要

背景

Ulmus pumila ‘Jinye’ 因其明亮的金黄色叶子而受到重视，但这种颜色在生长过程中并不稳定，会导致“返绿”现象，从而降低其观赏价值。了解这一转变背后的分子机制对于稳定金黄色叶片表型至关重要。本研究探讨了返绿过程中发生的生理、结构和分子变化，并测试了“金黄色阶段”是否代表了一种由激素介导的发育停滞状态。

结果

返绿过程分为三个阶段：金黄色阶段（Golden）、黄绿色阶段（Yellowish-Green, YG）和绿色阶段（Green）。叶片颜色从金黄色变为绿色的原因是叶绿素与类胡萝卜素的比例显著增加，这是由于在类胡萝卜素含量稳定的情况下叶绿素净积累所致。这一代谢变化伴随着叶片解剖结构和叶绿体超微结构的广泛重组。金黄色阶段的叶绿体中叶绿体片层排列松散，表明发育受阻；而黄绿色和绿色阶段则表现出逐渐的结构成熟，同时伴有早期衰老的特征，如叶绿体片层结构模糊和线粒体嵴退化。转录组学和代谢组学分析显示色素代谢发生了协调性的重新编程。叶绿素合成基因（HEMA、CHLH、CAO）上调，而降解基因（NYC-like）下调，从而促进了叶绿素的积累。与此同时，类胡萝卜素合成基因（包括MEP途径基因 DXS 和核心合成基因 PSY3）受到抑制，而分解基因（CCDs）被激活，导致类胡萝卜素积累减少。代谢组学数据表明没有叶绿素中间产物的积累，这表明转录激活与功能性酶组装之间存在延迟。内源性激素定量分析显示，在金黄色阶段，多种生物活性赤霉素（GA?、GA?、GA?）和脱落酸（ABA）的水平显著高于黄绿色阶段。外源性施用 GA? 和 ABA 可以抑制返绿现象并保持金黄色表型。这种联合处理通过上调叶绿素降解基因 NYC-like 以及下调类胡萝卜素合成基因 PSY3 和分解基因 CCDs，再现了金黄色阶段的转录特征。

结论

这些发现表明，U. pumila ‘Jinye’ 的金黄色阶段代表了一种由高水平的 GA 和 ABA 共同维持的发育停滞状态。这种激素环境建立了一个转录程序，使色素代谢保持在高类胡萝卜素/叶绿素比例，并延缓叶绿体成熟。返绿现象是由于这种发育停滞的解除，使得色素代谢的重新编程与叶绿体发育的恢复相结合。这一概念框架加深了我们对木本植物叶片颜色调控的理解，并确定了 GA/ABA 信号传导作为延长金黄色品种观赏期的潜在靶点。

背景

Ulmus pumila ‘Jinye’ 因其明亮的金黄色叶子而受到重视，但这种颜色在生长过程中并不稳定，会导致“返绿”现象，从而降低其观赏价值。了解这一转变背后的分子机制对于稳定金黄色叶片表型至关重要。本研究探讨了返绿过程中发生的生理、结构和分子变化，并测试了“金黄色阶段”是否代表了一种由激素介导的发育停滞状态。

结果

返绿过程分为三个阶段：金黄色阶段（Golden）、黄绿色阶段（Yellowish-Green, YG）和绿色阶段（Green）。叶片颜色从金黄色变为绿色的原因是叶绿素与类胡萝卜素的比例显著增加，这是由于在类胡萝卜素含量稳定的情况下叶绿素净积累所致。这一代谢变化伴随着叶片解剖结构和叶绿体超微结构的广泛重组。金黄色阶段的叶绿体中叶绿体片层排列松散，表明发育受阻；而黄绿色和绿色阶段则表现出逐渐的结构成熟，同时伴有早期衰老的特征，包括叶绿体片层结构模糊和线粒体嵴退化。转录组学和代谢组学分析显示色素代谢发生了协调性的重新编程。叶绿素合成基因（HEMA、CHLH、CAO）上调，而降解基因（NYC-like）下调，从而促进了叶绿素的积累。与此同时，类胡萝卜素合成基因（包括MEP途径基因 DXS 和核心合成基因 PSY3）受到抑制，而分解基因（CCDs）被激活，导致类胡萝卜素积累减少。代谢组学数据表明没有叶绿素中间产物的积累，这表明转录激活与功能性酶组装之间存在延迟。内源性激素定量分析显示，在金黄色阶段，多种生物活性赤霉素（GA?、GA?、GA?）和脱落酸（ABA）的水平显著高于黄绿色阶段。外源性施用 GA? 和 ABA 可以抑制返绿现象并保持金黄色表型。这种联合处理通过上调叶绿素降解基因 NYC-like 以及下调类胡萝卜素合成基因 PSY3 和分解基因 CCDs，再现了金黄色阶段的转录特征。

结论

这些发现表明，U. pumila ‘Jinye’ 的金黄色阶段代表了一种由高水平的 GA 和 ABA 共同维持的发育停滞状态。这种激素环境建立了一个转录程序，使色素代谢保持在高类胡萝卜素/叶绿素比例，并延缓叶绿体成熟。返绿现象是由于这种发育停滞的解除，使得色素代谢的重新编程与叶绿体发育的恢复相结合。这一概念框架加深了我们对木本植物叶片颜色调控的理解，并确定了 GA/ABA 信号传导作为延长金黄色品种观赏期的潜在靶点。