花色变异的分子密码：木棉(Bombax ceiba)花青素合成通路与转录组学的整合分析

本研究针对木棉花色变异机制这一关键科学问题，通过整合靶向代谢组学(LC-MS/MS)和转录组测序(RNA-seq)技术，系统分析了五种花色表型（深红、红、橙红、橙黄、黄）的花青素代谢网络。研究发现BcCHSs、BcF3'5'Hs等关键基因表达下调导致黄花花青素中间体（如delphinidin）含量显著降低，首次揭示了木棉花色从红到黄转变的分子开关。该成果为观赏植物花色分子育种提供了重要靶点。

　　

在观赏植物领域，花色是决定其经济价值和生态效益的核心性状。作为东南亚园林景观的重要树种，木棉(Bombax ceiba)以其早春绽放的绚丽花朵闻名，但其丰富花色（从深红到亮黄）形成的分子机制长期未明。传统育种手段存在周期长、表型不稳定等问题，而基因工程改良又缺乏精准靶点。更关键的是，虽然已知花青素是决定花色的主要色素，但不同植物中调控花青素合成的关键基因存在物种特异性，这使得木棉花色变异的分子解码成为亟待解决的难题。

广东省林业科学研究院（Guangdong Academy of Forestry）的研究团队在《Scientific Data》发表的研究，通过多组学联用技术揭示了木棉花色变异的分子机制。研究人员采集五种花色表型（深红DR、红R、橙红OR、橙黄OY、黄Y）的花瓣样本，采用超高效液相色谱-质谱联用技术(UPLC-MS/MS)检测137种黄酮类代谢物，同时进行RNA-seq获得44,725个基因表达谱。通过代谢通路富集分析和差异表达基因筛选，构建了"基因-代谢物-表型"的关联网络。

关键技术包括：1）针对五种花色表型的靶向代谢组学分析（SCIEX QTRAP^? 6500+平台）；2）Illumina Novaseq平台进行150 bp双端转录组测序；3）基于KEGG数据库的代谢通路共富集分析；4）DESeq2软件包进行差异表达基因筛选（|log₂FC|≥1，P<0.05）。

背景与摘要

研究证实木棉花色变异与花青素合成通路密切关联。通过非度量多维标度分析(NMDS)发现不同花色样本的代谢物组成存在显著分离，其中黄酮类和花青素含量差异最大（深红色花的花青素含量达15.32%，而黄色花仅2.79%）。

方法学验证

质控数据显示代谢组学分析的QC样本相对标准偏差(RSD)<15%，转录组测序的Q30值均>92%，基因组比对率>93%，保证数据可靠性。

数据记录

原始数据已存入国家基因组科学数据中心（GSA: CRA006836）和NCBI SRA（SRP590608），包含15个样本的代谢组与转录组数据。

主要发现

1. 代谢物特征：火山图显示黄色花中naringenin chalcone、delphinidin等花青素前体显著减少（FC≤0.5），而山奈酚等黄酮醇含量上升。

2. 基因表达模式：黄花的BcCHSs、BcF3'5'Hs表达量仅为深红花的1/5，导致花青素合成通路中断。

3. 通路分析：KEGG富集显示"flavonoid biosynthesis"通路最显著（P=1.2×10^-5），BcDFRs和BcLDOXs基因与delphinidin含量呈正相关（r>0.8）。

结论与意义

该研究首次系统阐明了木棉花色变异的分子机制：MYB转录因子通过调控BcCHSs-BcF3'5'Hs-BcDFRs级联反应，控制花青素中间体积累量，最终决定花色表型。特别发现BcF3'5'Hs的表达阈值效应——当表达量低于临界值时，delphinidin合成受阻，导致花色由红转黄。这一发现不仅为木棉花色分子设计育种提供了精准靶点（如BcF3'5'Hs基因编辑），其建立的"多组学关联分析"范式更为其他观赏植物的花色改良提供了方法论参考。数据资源已开源共享，包括137种代谢物的定量数据和44,725个基因表达谱，将加速相关领域的研究进程。