红茎紫花苜蓿花青素生物合成的代谢组与转录组联合分析揭示关键代谢物与候选基因

《BMC Genomics》：Metabolome and transcriptome analysis of anthocyanin biosynthesis reveal key metabolites and candidate genes in red-stemmed alfalfa (Medicago sativa)

为解决紫花苜蓿茎色形成机制不明的问题，云南农业大学团队通过代谢组与转录组联合分析，鉴定出红茎突变体中花青素生物合成的45种代谢物和72个差异表达基因，发现Cyanidin-3-O-glucoside等4种关键花青素及PAL、DFR等8类结构基因的协同调控网络，为牧草品质改良提供分子育种靶点。该研究发表于《BMC Genomics》。

　　

在牧草育种领域，紫花苜蓿因其高蛋白特性被誉为"牧草之王"，但关于其茎色形成的分子机制却鲜有研究。当云南农业大学的研究团队将"德钦"紫花苜蓿种子送上太空进行诱变后，意外获得了一种茎部呈现鲜艳红色的突变体，这为揭示植物色彩形成的奥秘提供了绝佳材料。

为解析红茎形成的分子机制，研究人员采用多组学联用策略。通过紫外分光光度法测定总花青素含量显示，红茎突变体(R)的色素含量达15.03 mg/g FW，是绿色对照(G)的2.89倍。利用UPLC-MS/MS进行的靶向代谢组分析鉴定出45种花青素相关代谢物，其中Cyanidin-3-O-glucoside、Pelargonidin-3-O-arabinoside等4种化合物在红茎中显著富集。Illumina HiSeq 2500平台转录组测序发现72个差异表达基因，包括12个PAL（苯丙氨酸解氨酶）、22个4CL（4-香豆酰辅酶A连接酶）等关键酶基因。

研究结果揭示：在"代谢差异分析"部分，PCA显示红绿茎样本明显分离，检测到的7类花青素中33种存在显著差异，其中12种为红茎特有。"转录组差异"分析发现24,606个差异基因，KEGG富集显示苯丙烷生物合成通路(ko00940)和类黄酮合成通路(ko00941)显著激活。"结构基因表达"模式显示，花青素合成途径中游的F3H（黄烷酮3-羟化酶）和下游的DFR（二氢黄酮醇4-还原酶）、ANS（花青素合成酶）基因在红茎中高表达，与代谢物积累呈正相关。qRT-PCR验证了MS.gene24248等DFR基因的表达差异。

讨论部分指出，这是首次系统阐明空间诱变紫花苜蓿红茎形成的分子机制。与既往研究相比，该工作创新性地发现ANR（花青素还原酶）和FLS（黄酮醇合成酶）等基因在茎部着色中的调控作用。研究建立的"基因-代谢物"关联网络为分子设计育种提供了新靶点，培育高花青素含量的苜蓿品种不仅可提升观赏价值，其抗氧化特性更能满足功能性饲料的开发需求。未来研究可进一步解析MYB等转录因子对该通路的调控机制。