揭秘假色槭突变体叶色之谜：代谢物与基因协同调控开启园林新可能

为明确假色槭突变体叶色变异原因，延边大学研究人员开展其叶色变化的花青素成分与相关基因研究。结果发现关键花青素代谢物及众多相关基因。该研究为槭属植物资源创新和园林应用提供依据，值得科研人员一读。

　　

研究背景

在植物的奇妙世界里，叶子的颜色变化总是能吸引人们的目光。高等植物的叶子颜色主要由叶绿素、类胡萝卜素和花青素（一种广泛存在于被子植物中的重要色素，经糖基化后形成稳定的水溶性化合物，存在于植物液泡中，赋予植物器官丰富颜色）的含量和比例决定。花青素的生物合成作为观赏作物颜色形成机制领域的焦点，其代谢途径是以苯丙氨酸为起始原料，在一系列酶的催化作用下合成各种类型的花青素，随后还会经历糖基化和甲基化等步骤。除了这些结构基因，许多转录因子也参与调控植物器官颜色的形成，其中 MYB、bHLH 和 WD40 这三类转录因子最为关键。

叶子颜色变异是一种常见的突变性状，叶色突变体在植物基础研究和育种工作中变得越来越重要。比如，从紫鸭跖草中分离出的紫色叶、茎和花瓣的突变体，其叶绿素和类胡萝卜素含量显著下降，花青素浓度却比野生型高 6.2 倍 。在紫娟茶的紫色叶片中，CHS、CHI 等基因的表达水平较高。在红杨品种中，多个与花青素合成相关的基因也呈现上调表达。

然而，对于一些植物叶色变化的具体机制，人们还没有完全弄清楚。就拿假色槭（Acer pseudosieboldianum）来说，它是一种具有高观赏价值的落叶乔木，野生假色槭的叶子在春天是绿色的，到了秋天会逐渐变红。之前研究人员发现了一种假色槭突变体，它在春夏季节叶子呈现红绿色交替的现象，大大提高了观赏价值。虽然之前的研究表明，突变体中某些结构基因的表达水平与花青素含量相关，但这种突变体在叶片发育过程中花青素代谢物和基因表达的时间变化仍不明确，这就像一个神秘的谜题，吸引着科研人员去探索。

为了揭开这个谜题，延边大学的研究人员在《BMC Genomics》期刊上发表了题为 “Integrated metabolomic and transcriptomic analysis reveals the molecular mechanism of leaf color variation in Acer pseudosieboldianum mutants” 的论文。研究发现，假色槭突变体叶片中共有 50 种花青素代谢物，其中矢车菊素 - 3 - O - 葡萄糖苷（Cyanidin - 3 - O - glucoside）在叶片发育的三个阶段都保持高含量，是决定叶色的主要物质。此外，研究人员还筛选出了 20 个与花青素合成相关的结构基因、12 个转录因子以及一些与花青素运输相关的基因，这表明突变体叶片中存在一个复杂的代谢网络。这项研究为槭属植物的资源创新和园林应用提供了重要的理论基础，就像是为园林设计师们打开了一扇新的大门，让他们可以利用这些研究成果创造出更美的景观。

研究方法

为了深入研究假色槭突变体叶色变化的机制，研究人员采用了多种技术方法。首先，他们收集了不同发育阶段的假色槭突变体叶片，这些叶片分别来自 2021 年 5 月 15 日、5 月 30 日和 6 月 15 日，代表了叶片变色过程中的早期（VE）、中期（VM）和晚期（VA），并且每个阶段都设置了三个生物学重复。

接着，研究人员利用超高效液相色谱（UPLC）和质谱联用技术（LC - MS）来分析叶片中的花青素成分。他们将冷冻的叶片研磨成粉，经过冻干、提取、离心等步骤后，通过 UPLC 系统和质谱进行检测，根据保留时间、光谱特征和质谱信息来鉴定花青素代谢物，并通过峰面积对花青素含量进行相对定量。

同时，研究人员还进行了 RNA 测序（RNA - seq）分析。他们提取了不同阶段叶片的总 RNA，评估其完整性后，构建测序文库并在 Illumina HiSeq? 2500 平台上进行测序。对测序得到的原始数据进行质量控制，去除低质量的 reads ，然后进行从头组装得到 unigene。通过将 RNA - seq reads 比对到 unigene 文库，用 RSEM 软件定量基因表达水平，以 FPKM 进行基因标准化，筛选出差异表达基因（DEGs）。此外，研究人员还运用了定量实时荧光定量聚合酶链反应（qRT - PCR）技术对部分差异表达基因进行验证。

研究结果

1. 定量和定性代谢物检测：研究人员在假色槭突变体三个时期的叶片中，一共检测到了 50 种花青素代谢物。这些代谢物被分为六大类，分别是矢车菊素（Cy）、飞燕草素（Dp）、芍药素（Pn）、天竺葵素（Pg）、矮牵牛素（Pt）和锦葵素（Mv）。在对花青素含量进行定量分析时，发现矢车菊素是最主要的成分，占总花青素含量的 95.7%。而且矢车菊素和飞燕草素是假色槭中最常见的两种花青素，各占花青素种类总量的 26%。在整个分析的三个时期中，矢车菊素 - 3 - O - 葡萄糖苷的含量始终是所有花青素代谢物中最高的。
2. 差异代谢物筛选：研究人员以倍数变化≥2 或≤0.5 为标准筛选差异代谢物。在 VE 和 VA 的对比中，一共鉴定出 47 种差异代谢物，其中 38 种上调，9 种下调。进一步分析发现，像矢车菊素 - 3,5 - O - 二葡萄糖苷、矢车菊素 - 3 - O - 桑布双糖苷等多种花青素在不同阶段的含量有显著差异。研究还发现，大多数花青素和原花青素的含量会随着叶片的发育逐渐增加，这表明这些特定的花青素代谢物在假色槭突变体叶片的不同发育时期都起着重要作用。
3. 差异代谢物 KEGG 功能注释和富集分析：研究人员利用 KEGG 数据库对不同时期假色槭叶片的三个对比组合进行富集分析，发现差异代谢物主要富集在四条途径中，其中花青素生物合成途径中富集的差异代谢物数量最多，占所有差异代谢物的 71.62%。这说明花青素生物合成途径在假色槭叶片不同时期的代谢变化中起着关键作用。
4. 转录组统计分析：研究人员从假色槭叶片三个发育阶段收集了不同颜色的叶片样本，经过处理后得到 190,110,067 条原始 reads，过滤后获得 130,224,215 条高质量的 clean reads，Q30 碱基百分比在 91.55% 以上，平均 GC% 为 43.81%。通过 Trinity 软件组装得到 41,006 条 unigenes，N50 为 88 bp。
5. 差异表达基因（DEGs）的鉴定和功能分析：研究人员在假色槭叶片变色的三个阶段中，一共鉴定出 11,522 个差异表达基因，其中 5,477 个基因上调，6,045 个基因下调。在不同的对比组中，VE vs. VM 有 5229 个 DEGs，VM vs. VA 有 7944 个 DEGs，VE vs. VA 有 8564 个 DEGs。这些差异表达基因在假色槭叶片的发育和变色过程中可能起着至关重要的作用。
6. DEGs 的功能注释和分类：研究人员对 DEGs 进行了分类和富集 GO 分析，还进行了 KEGG 途径富集分析。在 VE vs. VA 的对比中，发现 3,591 个 DEGs 影响了 326 条途径，其中最丰富的 GO 术语在生物过程、细胞成分和分子功能类别中分别是 “代谢过程”“膜” 和 “催化活性”。同时，“植物 - 病原体相互作用” 和 “RAS 信号通路” 是富集程度较高的途径。在其他对比组中也有类似的结果，这有助于深入了解 DEGs 的功能。
7. 花青素生物合成相关候选基因及 qRT - PCR 分析：研究人员在假色槭转录组中鉴定出 20 个候选单基因，它们编码与类黄酮生物合成途径相关的七种酶，包括 4 个 CHS 基因、1 个 CHI 基因等。此外，还鉴定出 4938 个推定的转录因子，分属于 70 个亚类，其中 6 个 MYB 基因、4 个 bHLH 基因和 2 个 WRKY 基因与叶色合成相关。在转运蛋白相关基因中，发现 4 个 ABC 基因、2 个 GST 基因和 2 个 MATE 基因与花青素运输有关。通过 qRT - PCR 对 8 个参与花青素生物合成的 DEGs 进行验证，结果与转录组测序结果基本一致，这表明转录组分析结果可靠。

研究结论与讨论

这项研究通过对假色槭突变体叶片的代谢组和转录组分析，揭示了其叶色变化的分子机制。研究发现，突变体叶片中含有 50 种花青素代谢物，矢车菊素 - 3 - O - 葡萄糖苷是决定叶色的主要色素。同时，筛选出了一系列与花青素合成、运输和调控相关的基因，包括 20 个结构基因、12 个转录因子和一些运输相关基因，这些基因共同构成了一个复杂的代谢网络，调控着假色槭突变体叶片的花青素生物合成和运输，进而影响叶色变化。

在讨论部分，研究人员进一步探讨了研究结果的意义。花青素作为一种重要的植物色素，其生物合成和调控机制一直是科研人员关注的焦点。在假色槭突变体中，矢车菊素 - 3 - O - 葡萄糖苷始终保持高含量，这与其他一些植物的研究结果相似，说明这种色素在决定叶色方面具有重要作用。

在基因层面，研究人员发现的 20 个参与花青素生物合成的基因，在叶片发育的不同阶段表现出不同的表达模式。由于突变体叶片在春天就呈现出红绿色交替的现象，一些酶基因在 VE 阶段就有较高的表达含量，而在 VE vs. VM 阶段部分基因表达下降，VM vs. VA 阶段又上升，这体现了突变体叶色变化的独特性以及基因表达调控的复杂性。

转录因子在花青素生物合成途径中起着关键的调控作用。在假色槭中，鉴定出的 6 个 MYB 基因和 4 个 bHLH 基因参与了类黄酮和花青素的生物合成，虽然 WD40 转录因子数量较少，但也可能参与 MBW 复合物对花青素合成的调控。此外，2 个 WRKY 转录因子可能参与调节假色槭叶色的形成，这为进一步研究转录因子在叶色调控中的作用提供了新的线索。

对于花青素的运输，虽然目前其从细胞质到液泡的运输机制还不完全清楚，但研究人员在假色槭转录组中鉴定出了一些可能参与运输的基因，如编码 GST、ABC 转运蛋白和 MATE 转运蛋白的基因等。这些发现为理解假色槭花青素运输调控提供了有用信息，也为后续更深入的研究奠定了基础。

总的来说，这项研究为我们理解假色槭突变体叶色变化的机制提供了重要依据，无论是对于植物生理学基础研究，还是对于槭属植物在园林景观中的应用开发，都具有重要的意义。它就像一把钥匙，为我们打开了探索植物叶色奥秘的大门，让我们离揭开植物色彩变化的神秘面纱又近了一步。