菊苣花青素生物合成的多组学解析：关键基因、转录因子及代谢调控机制

《BMC Plant Biology》：Integrated transcriptome and metabolome analysis provides insights into anthocyanin biosynthesis in Cichorium intybus L.

为探究菊苣（Cichorium intybus L.）花青素生物合成的分子机制，研究人员对红芽（Z1）和黄芽（Z7）菊苣进行转录组和代谢组联合分析。结果鉴定出 26 个关键结构基因、29 个转录因子，发现花青素与木质素合成存在竞争关系。该研究为菊苣遗传改良提供理论依据。

　　菊苣，这种在餐桌上常见的蔬菜，不仅口感独特，还富含多种营养成分，深受人们喜爱。在植物的缤纷色彩世界里，菊苣的红芽和黄芽十分引人注目。花青素作为赋予植物颜色的重要物质，其在菊苣中的合成机制却一直是个未解之谜。这不仅限制了人们对菊苣生长发育过程的深入理解，也阻碍了通过遗传手段培育出更优质菊苣品种的进程。为了揭开菊苣花青素生物合成的神秘面纱，北京农业科学院蔬菜研究中心的研究人员开展了一项深入研究。他们通过转录组和代谢组联合分析，探索红芽和黄芽菊苣在分子层面的差异，为菊苣的遗传改良提供理论基础。这项研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员主要运用了转录组测序、代谢组测序以及定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）这几种关键技术。在转录组和代谢组测序中，研究人员采集了红芽（Z1）和黄芽（Z7）菊苣叶片边缘的样本进行测序分析；qRT-PCR 则用于验证转录组测序结果。

转录组学和代谢组学数据分析

研究人员对转录组数据进行质量控制后，获得了高质量的测序数据，其 GC 含量和 Q30 比率等指标良好。主成分分析（PCA）结果显示，不同组间数据分离明显，组内聚类紧密，表明花青素相关数据集可靠且一致。

花青素成分鉴定

通过靶向代谢组学分析，研究人员在菊苣中鉴定出 59 种与花青素相关的代谢物，分属 7 个亚组。Z1 和 Z7 中分别检测到 58 种和 20 种代谢物，其中 19 种为两者共有。Z1 中花青素含量显著高于 Z7，其中矢车菊素 - 3 - O -（6 - O - 丙二酰基） - β - D - 葡萄糖苷（cyanidin - 3 - O - (6 - O - malonyl - β - D - glucoside)）含量最高，占总花青素的 89.54% ，是导致菊苣芽呈红色的主要成分。

差异表达基因识别和富集分析

研究共鉴定出 3888 个差异表达基因（DEGs），其中 2345 个上调，1543 个下调。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，这些差异表达基因主要富集在代谢过程相关通路，尤其是黄酮类生物合成、花青素生物合成等与花青素代谢相关的通路。

花青素代谢相关关键差异表达基因的鉴定

研究确定了 26 个与花青素代谢相关的关键基因，涉及黄酮类生物合成、花青素生物合成等多个途径。这些基因中多数上调，少数下调。此外，还鉴定出 29 个直接或间接参与花青素代谢的转录因子，包括 11 个 MYB、5 个 bHLH、2 个 WD40 等。

定量逆转录聚合酶链反应验证

为验证 RNA 测序（RNAseq）结果的可靠性，研究人员选取 10 个关键差异表达基因进行 qRT-PCR 验证。结果显示，这些基因在 Z1 和 Z7 中的相对表达水平与 RNA-seq 数据趋势一致，进一步证实了测序结果的准确性。

菊苣花青素代谢的调控网络

基于关键差异表达基因和差异代谢物的分析，研究人员构建了菊苣花青素生物合成的模型图。在 Z1 中，黄酮类代谢途径异常活跃，多数结构基因上调，促进了花青素的合成和积累。同时，黄酮醇合酶（FLS）的下调减少了与二氢黄酮醇 4 - 还原酶（DFR）的底物竞争，也有利于花青素积累。此外，木质素代谢途径与花青素生物合成存在竞争关系，Z1 中咖啡酰辅酶 A O - 甲基转移酶（CCoAOMT）表达下调，减少了代谢流流向木质素合成，从而促进了花青素积累。

在结论和讨论部分，研究明确了矢车菊素衍生物是菊苣红芽形成的关键因素，其高含量赋予菊苣芽红色。转录因子在菊苣花青素代谢中发挥着重要调控作用，如 MYB 转录因子中的 CI35997，与生菜中的 RLL2A 同源，可能正向调控花青素生物合成；AP2/ERF、bZIP、NAC、SNF2 和 Trihelix 等转录因子也参与其中，分别发挥正负调控作用。该研究揭示了菊苣红芽形成的分子基础，为菊苣及其他高花青素含量作物的遗传改良提供了宝贵的理论参考，有助于培育出颜色更鲜艳、营养价值更高的菊苣品种，推动农业领域的发展。