《The Plant Journal》：Out of the blue: family-wide loss of anthocyanin biosynthesis in Cucurbitaceae
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植物色素沉着的秘密一直是植物科学家最古老的兴趣之一，叶绿素、类胡萝卜素、黄酮类化合物和甜菜红碱等色素共同构成了高等植物的色彩多样性。花青素（anthocyanins）是一类负责产生粉红、红色和蓝色色素的黄酮类化合物，几乎存在于所有被子植物中，但在石竹目（Car
植物色素沉着的秘密一直是植物科学家最古老的兴趣之一，叶绿素、类胡萝卜素、黄酮类化合物和甜菜红碱等色素共同构成了高等植物的色彩多样性。花青素（anthocyanins）是一类负责产生粉红、红色和蓝色色素的黄酮类化合物，几乎存在于所有被子植物中，但在石竹目（Caryophyllales）的部分科中被甜菜红碱所取代。本研究调查了葫芦科（Cucurbitaceae）——最大的果蔬科之一，以白色和黄色花朵以及主要由类胡萝卜素着色的红色、橙色和绿色果实为特征——中的花青素色素沉着情况。利用涵盖葫芦科全部15个族的183个独特物种的258个数据集的综合收集，并结合系统基因组学方法，研究人员观察到参与花青素和原花青素（proanthocyanidin）生物合成的基因系统性缺失。结构基因DFR、ANS、arGST、LAR和ANR以及与花青素相关的调控MYB基因的缺失，均通过共线性分析和系统发育分析得到一致确认。研究人员的发现揭示了花青素途径的完全丧失可以在科级水平发生，并表明类似的丧失可能在其他谱系中被忽视。基于这一新发现，研究人员提出了葫芦科花青素色素沉着的逐步丧失过程，很可能伴随着类胡萝卜素色素沉着的部分功能替代。
一、研究背景与科学问题
植物色素沉着是进化生物学中最引人注目的现象之一，它通过与环境的相互作用——包括传粉者吸引、种子传播、防御和视觉信号传导——而产生并得以强化。花青素（anthocyanins）作为黄酮类化合物（flavonoids）的重要分支，是被子植物中产生粉红、红色和蓝色等鲜艳色调的关键色素，广泛分布于种子植物中，并在光保护、传粉者吸引、草食动物防御及环境胁迫适应等方面发挥多重生态与生理功能。然而，尽管花青素在绝大多数被子植物中普遍存在，其生物合成途径的完全丧失极为罕见。此前已知的唯一例外是石竹目中甜菜红碱（betalains）对花青素的替代，以及禾本科（Poaceae）中Brachypodium属的特定基因缺失。葫芦科（Cucurbitaceae）作为包含南瓜、黄瓜、西瓜、甜瓜等重要经济作物的植物大科，其花朵主要为白色和黄色，果实则呈现绿色、黄色、橙色和红色，传统上认为这些颜色主要由类胡萝卜素（carotenoids）贡献，而蓝色或紫色色素从未被报道。这引发了一个关键的科学问题：葫芦科是否已经丧失了花青素生物合成能力？如果是，这种丧失的范围、机制和进化意义是什么？
二、研究方法概述
研究人员利用来自NCBI、CucGenDBv2等多个公共数据库的258个葫芦科数据集，涵盖全部15个族和62个属，以及来自葫芦目其他科、壳斗目和蔷薇目的24个外群物种。采用GeMoMa v1.9对82个未注释基因组进行注释，使用BUSCO v5.8.1评估蛋白数据集完整性，并通过Kraken v2.1.3和Bracken v2.9进行污染检测，排除27个污染数据集。系统发育重建采用多物种溯祖法（coalescent method）：利用2805个BUSCO单拷贝标记基因，经MUSCLE v5.3比对、trimAl修剪后，用IQ-TREE v2.3.6构建基因树，再用wASTRAL v1.23.3.7推断物种树。黄酮类和类胡萝卜素生物合成基因鉴定使用KIPEs3 v0.38，转录调控因子（MYB、bHLH、WD40）分别使用MYB annotator v0.2和bHLH annotator v0.2鉴定。共线性分析使用JCVI/MCscan v1.4.14，以森林草莓（Fragaria vesca）为参考，对19个代表性基因组进行比较分析。全基因组加倍事件检测使用wgd v2.0.38。表达分析基于NCBI SRA公共RNA-seq数据，使用kallisto v0.50.1进行定量，并通过内参基因进行标准化。
三、研究结果
高度支持的葫芦科核系统发育
研究人员利用255个非污染数据集（含24个外群）和2805个单拷贝直系同源基因，通过溯祖法和串联法两种策略重建了葫芦科系统发育树。溯祖法树提供了更解析的拓扑结构和更强的支持率，将葫芦科划分为8个主要分支（Clade I至VIII）。Clade I由早期分化谱系Triceratieae、Zanonieae、Actinostemmateae和Gomphogyneae组成（LPP=0.62），Clade II为Indofevilleae（LPP=1），Clade III-VI分别为Thladiantheae、Siraitieae、Momordiceae和Joliffieae（均LPP=1），Clade VII为Bryonieae和Schizopeponeae姐妹群与Sicyoeae聚在一起（LPP=1），Clade VIII为Benincaseae和Coniandreae姐妹群与Cucurbiteae聚在一起（LPP=1）。
葫芦科中花青素和原花青素生物合成主要基因的缺失
通过系统的直系同源基因调查，研究人员发现核心黄酮类和苯丙烷类途径基因（如PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、FNS II、F3H、F3'H和FLS）在所有葫芦科数据集中均能被鉴定到，但花青素生物合成的关键结构基因DFR、ANS和arGST，以及原花青素生物合成的ANR和LAR几乎完全缺失。仅在少数早期分化物种（如Bayabusua clarkie、Alsomitra macrocarpa和Gynostemma属）中检测到零星保留。调控方面，控制花青素合成的SG6 MYB和控制原花青素合成的SG5 MYB（PA1 MYB和PA2 MYB）完全缺失，而调控黄酮醇合成的SG7 MYB以及具有多效性的bHLH和WD40蛋白则普遍存在。
微共线性支持花青素生物合成基因的丢失
通过对19个高质量基因组进行微共线性比较分析，研究人员发现围绕DFR、ANS和arGST位点的基因组区域在葫芦科中高度保守，但这些基因本身却缺失了。共线性深度分析证实了预期的直系同源比例：森林草莓与大多数葫芦科为1:2，与高倍性谱系（秋海棠属、南瓜属和Sicyos属）为1:4。值得注意的是，研究人员在Coriaria nepalensis中发现了一个此前未被报道的谱系特异性全基因组加倍事件，定年约为1800万年前。综合系统发育树、基因鉴定和微共线性分析，研究人员提供了强有力的基因组证据，证明花青素和原花青素生物合成基因在葫芦科大部分物种中已完全丢失。
黄酮类和类胡萝卜素生物合成途径基因的表达对比
通过比较8个代表性葫芦科物种和8个外群物种的RNA-seq表达数据，研究人员发现葫芦科中残留的黄酮类生物合成基因的转录丰度显著降低（P<0.001）。特别是催化黄酮类途径第一步反应的CHS基因，在葫芦科中几乎不表达，表明整个代谢流在其入口处就受到有效限制。相比之下，类胡萝卜素生物合成基因在葫芦科中的总体转录丰度略高于外群（P<0.01），这可能暗示了类胡萝卜素生产的功能性增强，以补偿花青素缺失带来的视觉信号和光保护功能的损失。
四、讨论与结论
本研究报告了葫芦科中花青素和原花青素生物合成途径的大规模基因缺失，这是迄今为止在被子植物中首次报道的原花青素途径的科级水平完全丧失。研究人员提出一个逐步丧失模型：首先花青素生物合成途径因其特异性调控MYB激活因子的丢失而丧失，随后原花青素途径也在后期分化的谱系中完全消失。这种不可逆的基因丧失推动了替代性进化解决方案的产生：类胡萝卜素很可能承担了视觉信号传导功能，而形态学创新（如Trichosanthes属的流苏状花瓣）也可能有助于增强传粉者吸引。此外，黑色素等其他色素可能在种子着色和防御中发挥了补偿作用。研究人员的发现挑战了花青素色素沉着在开花植物中普遍保守的传统假设，并将葫芦科确立为研究花青素和原花青素生物合成进化、调控和多样化的补充模式系统。
