转录组学和代谢组学分析揭示了蓝莓的类黄酮和花青素代谢调控机制

文章标题：转录组学和代谢组学分析揭示了蓝莓的类黄酮和花青素代谢调控机制

期刊名称：Scientia Horticulturae

合作单位：江苏省中国科学院植物研究所和南京林业大学

研究物种：蓝莓

研究方法：生理指标、转录组学、代谢组学、花青素等

研究背景

2024年1月，江苏省中国科学院植物研究所和南京林业大学在国际学术期刊Scientia Horticulturae发表一项最要研究成果，题为：Integrated transcriptomics and metabolomics analysis unveil flavonoid and anthocyanin metabolism in pink and blue blueberry cultivars。研究通过代谢组和转录组分析揭示其呈色代谢物质，并揭示其靶向花色苷组分差异和关键基因，通过联合分析揭示其着色差异调控机制。

蓝莓为杜鹃花科越橘属一种多年生小浆果果树，因果实含有黄酮、单宁、酚酸及花青素等生物活性物质使得抗氧化能力极强。蓝莓成熟果实含有丰富的花色苷种类，果皮颜色也有红、紫、蓝和黑等不同呈色。前人研究发现兔眼类型蓝莓品种整体较高丛类型和兔眼杂交种高些，关于不同类型品种着色比较的研究未见揭示。

实验材料

在江苏省植物研究所和中国科学院南京试验基地进行了蓝色果实兔眼品种‘Gardenblue’和红色果实兔眼杂交种‘PinkLemonade ’ 的田间试验。未成熟的绿色阶段或结实阶段，开花后20天（阶段1，S1）；着色期开始，开花后30天（第2阶段，S2）；着色期或发育中期，开花后40天（第3阶段，S3）；和成熟期或完全成熟期，开花后50天（第4阶段，S4）（图1A）。并在液氮中冷冻直到使用：

1、总黄酮和总花青素实验

吸光度法测定总黄酮含量，色度计检测总花青素含量。

2、非靶向代谢组实验

2个品种S2和S4期的果实进行代谢组检测。

3、花青素靶向代谢组实验

2个品种S4期的果实进行花青素代谢组检测。

4、转录组实验

2个品种S4期的果实进行转录组检测。

研究结果

1.生理指标分析——蓝莓果实的着色特性分析

蓝莓蓝色果实兔眼品种和红色果实兔眼杂交种发育进程中，在绿果前期（S1）至完全成熟期（S4）果实颜色显著变化。自S2至S3时期，蓝色果实 L*值明显高于红色果实。a*值随着发育迅速上升，果实均转为红色。S4时期两者蓝色程度差异较大。蓝色果实S1至S3时期花色苷含量较低，至S4时急剧增加，总花色苷含量为红色果实的24.6倍。自S2时期开始，两个品种总黄酮含量均呈逐渐下降趋势且差异不显著。

图1-蓝莓‘Pink Lemonade’和‘Gardenblue’不同发育期果实颜色变化及着色物质含量

2.代谢组分析——蓝莓果实着色期花色苷和黄酮物质积累的差异分析

为了进一步了解两个蓝莓品种的色素含量和着色成分，对S2和S4两个关键阶段的果实进行了非靶向代谢组学分析。共检测到12587个物质峰（7109个正离子峰和5478个负离子峰）（图2）。经过数据处理后后，共获得1691种代谢物（1097种在正离子模式下，594种在负离子模式下）（图2）。

图2-代谢组统计分析

这些代谢物在被分为12类，分别是苯丙烷类和聚酮类（490）、脂质和类脂分子（457）、有机氮化合物（233）、有机酸及其衍生物（285）和苯类（148）（图2B）。在苯丙烷类和聚酮类中，298种代谢产物为类黄酮，分为14个亚类，其中类黄酮糖苷类（156）的代谢产物数量最多，其次是黄烷类（29）、O-甲基化类黄酮类（22）、黄酮类（19）和异类黄酮O-糖苷类（18）（图2）。PCA和聚类热图分析显示2个品种表现出显著差异。在蓝色果实和红色果实中共鉴定出104个蓝莓差异代谢物，包括91个黄酮类、10个异黄酮类、1个新黄酮类和12个芳基苯并呋喃类黄酮物质。在G_blue vs. P_pink成熟果实比较组中，分别有73个和5个黄酮物质上调或下调差异积累，可能是造成2个品种花色苷含量差异的主要因素（图3）。

图3-差异代谢物分析

3.花青素分析——蓝莓花青素代谢分析

通过花青素靶向代谢组学在2个不同呈色品种果实中鉴定出60种花青素，其中有48个为差异积累。大多数花色苷类型在蓝色果实中上调积累，如malvidin-3-O-glucoside，delphinidin-3-O-galactoside，malvidin-3-O-galactoside，delphinidin-3-O-glucoside 和cyanidin-3-O-galactoside。少量在红色果实中积累，如delphinidin-3-O-galactoside, procyanidin B1, cyanidin-3-O-galactoside, petunidin-3-O-arabinoside 和cyanidin-3-O-arabinoside。这些花青素物质的差异可能是造成2个品种颜色差异的主要成分。

图4-成熟期果实花色苷含量差异直方图和小提琴图

4.转录组分析——蓝莓黄酮和花色苷生物合成差异基因鉴定分析

进一步为了研究蓝莓着色机制，作者进行了2个品种S4期果实的转录组分析。总共有16424个差异表达基因（DEGs）。与红色果实相比，蓝色果实有7354个DEGs上调，9070个DEGs下调。KEGG途径富集分析表明，黄酮生物合成显著富集，苯丙烷生物合成，己烯类、二芳基庚烷类姜酚生物合成、倍半萜和三萜生物合成，以及角质、木栓素和蜡的生物合成也被显著富集（图5）。

图5-转录组数据分析

5.联合分析——花青素合成调控基因分析

进一步在蓝色和红色果实花色苷生物合成路径中鉴定出30个差异表达的结构基因，其中26个基因在蓝色果实中上调表达。本研究中鉴定出11个MYBs和4个bHLHs基因明显上调表达，表明其在蓝莓果实花色苷合成中起主要调控作用。

图6-花色苷合成差异基因及转录因子的表达模式

研究总结

本研究揭示了黄酮类代谢物在蓝莓果实形成过程中起主要作用，红色和蓝色果实分别由各自特异的花色苷类型组成。一些结构基因和转录因子MYBs和bHLHs均积极参与蓝莓花色苷生物合成。研究结果对于兔眼蓝莓果实着色差异的揭示为深度解析花色苷调控网络奠定了基础。

参考文献：

Chunhong Zhang, Haiyan Yang, Yaqiong Wu, Lianfei Lyu, Wenlong Wu, Weilin Li. Integrated transcriptomics and metabolomics analysis unveil flavonoid and anthocyanin metabolism in pink and blue blueberry cultivars, Scientia Horticulturae, Volume 327, 2024, 112798, ISSN 0304-4238, https://doi.org/10.1016/j.scienta.2023.112798.