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为探究紫薇花瓣颜色变异机制，研究人员开展代谢组和转录组分析，明确关键代谢物和基因，助力遗传育种。
在植物的奇妙世界里，花朵的颜色宛如大自然精心绘制的绚丽画卷，吸引着人们的目光。紫薇（Lagerstroemia indica）作为一种极具观赏价值的植物，不仅能在夏日绽放出持久而美丽的花朵，其花瓣还拥有丰富多样的色彩，为城市景观增添了独特魅力。同时，紫薇还具备空气净化的能力，能有效吸收烟尘颗粒，并且在亚洲地区作为传统药用植物，凭借其抗氧化和抗菌活性带来了可观的经济效益。
然而，长期以来，紫薇花瓣颜色变化的内在机制一直是个未解之谜。尽管育种家们致力于培育具有特殊性状的新品种，如深红色花朵和矮化特性，但对于颜色变异机制的研究却相对滞后。在花卉研究领域，了解花朵颜色形成的机制至关重要，它不仅有助于揭示植物的生长发育规律，还能为花卉遗传育种提供关键的理论支持。而花青素（Anthocyanins）作为花朵颜色的主要贡献者之一，其在紫薇花瓣中的调控网络尚未得到清晰的阐释。此前虽有一些关于紫薇相关基因的研究，但对于花瓣颜色形成的调控机制仍知之甚少，转录组测序和代谢物分析的基础也有待进一步夯实。因此，深入探究紫薇花瓣颜色变异的机制迫在眉睫。
为了揭开这一神秘面纱，泰山林业科学研究院的研究人员联合聊城大学等单位开展了一项深入研究。研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。研究人员选取了‘Huahai’（HH）、‘Zhuimeng’（LM）、‘Zixian’（LZ）这三个花瓣颜色各异的紫薇品种作为实验对象，运用代谢组学（Metabolomics）和转录组学（Transcriptomics）技术，全面分析了它们的代谢物和基因表达情况，并对花青素化合物的含量与相关基因表达之间的相关性进行了深入探究。
在研究方法上，研究人员从六个相同物种的个体上采集每个品种的花瓣样本，迅速冷冻保存。通过超高效液相色谱 - 串联质谱（UPLC - ESI - MS/MS）技术对代谢物进行提取和分析，以确定花青素的种类和含量。同时，利用 RNA 提取试剂盒提取总 RNA，构建测序文库后在 Illumina Novaseq 6000 平台进行转录组测序，从而鉴定差异表达基因（DEGs）。此外，还通过实时定量聚合酶链反应（RT - qPCR）对转录组数据进行验证。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 代谢物差异分析：通过主成分分析（PCA）发现不同品种间花青素含量存在显著差异。研究共鉴定出 54 种花青素，分为 8 组。在所有品种中，飞燕草素 - 3 - O - 葡萄糖苷（Delphinidin - 3 - O - glucoside）、锦葵色素 - 3 - O - 葡萄糖苷（Malvidin - 3 - O - glucoside）和矮牵牛素 - 3 - O - 葡萄糖苷（Petunidin - 3 - O - glucoside）含量丰富。对比不同品种，发现‘Huahai’中部分花青素含量与其他品种差异显著，如芍药色素 - 3 - O -（6 - O - 丙二酰 - β - D - 葡萄糖苷）（Peonidin - 3 - O - (6 - O - malonyl - beta - D - glucoside)）等。此外，确定了 28 种在‘Zixian’与‘Huahai’、‘Zhuimeng’与‘Huahai’比较中均存在差异积累的代谢物，主要属于芍药色素、矢车菊色素和黄酮类。
- 转录组分析：转录组测序得到了大量高质量的原始数据和清洁数据。分析发现，红色花瓣与其他颜色花瓣之间共有 9923 个差异表达基因，这些基因在花瓣颜色形成中可能起着关键作用。KEGG 注释和富集分析表明，代谢途径相关基因是差异表达基因的主要组成部分，其中类黄酮生物合成途径在不同颜色花瓣间存在显著差异表达。GO 富集分析也发现多个与花青素和类黄酮相关的基因在不同比较组中存在差异表达。通过相关性分析，确定了 21 个差异表达的花青素结构基因与 9 种花青素之间存在显著的正相关或负相关关系。
- 联合分析揭示花青素生物合成：结合转录组和代谢组数据，发现‘Huahai’中 ANS（LOC116213234）、CHI（LOC116194939）等基因的上调表达与多种花青素衍生物的含量一致，这些基因可能参与了‘Huahai’中花青素的积累。
- 特定转录因子分析：研究重点关注了参与花青素生物合成的转录因子，发现 MYB 基因家族的差异表达基因数量最多，其次是 bHLH、bZIP、WRKY 和 MADS 基因家族。其中 12 个转录因子基因与 6 个结构基因以及 15 种花青素的表达呈强正相关。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，锦葵色素 - 3 - O - 葡萄糖苷和芍药色素 - 3 - O - 葡萄糖苷可能是导致三个紫薇品种花瓣颜色差异的重要因素。ANS、CHI、F3H、F3’H 和 UGT 等基因的上调表达参与了紫薇红色花瓣品种的花青素生物合成过程。12 个转录因子基因与结构基因的表达呈强正相关，推测这些转录因子在紫薇花青素合成中发挥着重要作用。然而，研究也存在一定的局限性，如分析的品种数量有限。未来研究可进一步探究这些调控因子的具体作用机制以及转录因子与结构基因之间的相互作用。
总的来说，这项研究通过代谢组学和转录组学技术，深入解析了紫薇花瓣花青素的调控网络，为揭示紫薇花瓣颜色变异的分子机制提供了重要依据，也为紫薇的遗传育种和品种改良奠定了坚实的理论基础，有望助力培育出更多色彩丰富、观赏价值更高的紫薇品种。
