马铃薯块茎芽眼着色的代谢组与转录组整合分析揭示花青素积累的分子机制

本研究针对马铃薯品种M4块茎芽眼局部着色机制不明的问题，通过靶向/非靶向代谢组学和转录组学联合分析，发现花青素（pelargonidin/cyanidin/peonidin）差异积累是红色芽眼形成的关键，鉴定出22个差异表达基因（DEGs）和17个差异代谢物（DAMs），首次预测长链非编码RNA MSTRG.13,281的调控作用，为马铃薯品种鉴别和营养品质育种提供新靶点。

　　

马铃薯作为全球重要粮食作物，其块茎芽眼的颜色特征长期被用作品种鉴别的形态学标记。然而，不同于块茎表皮和肉质部着色机制研究的深入，芽眼局部着色的分子调控网络始终是未解之谜。这一科学盲区不仅限制了品种资源的高效利用，也阻碍了通过分子设计育种改良块茎外观特性的进程。

《BMC Plant Biology》最新发表的这项研究，以同时产生黄红双色芽眼的马铃薯品种M4为材料，通过多组学整合分析揭开了这一谜题。研究人员发现，红色芽眼区域的花青素（如pelargonidin-3-O-rutinoside）含量显著高于黄色区域，而糖类代谢物（如turanose）可能作为信号分子参与调控。更引人注目的是，研究首次预测了一个新型长链非编码RNA（lncRNA）MSTRG.13,281可能通过负向调控网络影响着色过程，这为理解植物组织特异性色素沉积提供了全新视角。

研究采用三组关键技术：1）基于LC-MS/MS的靶向代谢组学定量28种花青素；2）UHPLC-ESI-MS/MS非靶向代谢组检测950种代谢物；3）Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，结合qRT-PCR验证16个关键基因。样本来自云南农业科学院温室栽培的M4品种块茎芽眼组织，设置黄/红芽眼各3个生物学重复。

代谢组学揭示着色化学基础

靶向分析显示红色芽眼中pelargonidin、cyanidin和peonidin衍生物含量显著升高，其中pelargonidin-3-O-(6-O-p-coumaroyl)-glucoside差异最显著（VIP>1，|log₂FC|>1）。非靶向代谢组发现碳水化合物（如turanose、galactinol）与花青素积累呈正相关，而2'-hydroxyacetophenone可能通过Baker-Venkataraman重排转化为黄酮。

转录组解析调控网络

共鉴定22个DEGs，包括10个花青素通路相关基因：早期合成基因StCHI（chalcone isomerase）和StF3H（flavonoid 3-hydroxylase），关键催化酶StDFR（dihydroflavonol 4-reductase）和StANS（anthocyanin synthase），以及转运蛋白StGST（glutathione S-transferase）。值得注意的是，StbHLH1转录因子虽被检出但代谢关联性弱，暗示存在转录后调控机制。

lncRNA的潜在调控作用

新基因MSTRG.13,281与14个DAMs显著负相关（r=-0.90~-1.00），CPC2分析证实其具有非编码特性（编码概率0.018）。这种与代谢物的强关联性提示其可能通过ceRNA机制调控花青素积累，为后续功能验证提供了重要线索。

讨论与展望

该研究首次系统阐释了马铃薯芽眼局部着色的多组学特征，突破性地提出lncRNA可能补偿经典MYB-bHLH-WD40调控模块的功能。从应用角度看，发现的StUGT（UDP-glycosyltransferase）等关键基因为分子标记辅助育种提供了新靶点。更深远的意义在于，研究揭示的碳水化合物-花青素代谢偶联机制，为理解环境因素（如光照/温度）影响块茎着色提供了分子窗口。

未来研究可聚焦于：1）验证MSTRG.13,281的ceRNA作用机制；2）解析糖信号（如turanose）如何通过PsMYB2-like途径激活花青素合成；3）开发基于StFAOMT（flavonoid O-methyltransferase）的芽眼颜色定向改良技术。这些突破将推动马铃薯品种鉴别体系从形态学向分子水平的跨越，并为富含抗氧化活性成分的功能性马铃薯育种奠定基础。