近日，西南林業(yè)大學陳龍清教授課題組在國際學術(shù)期刊International Journal of Molecular Sciences（JCR Q1，IF 4.9）上發(fā)表了題為“Integrated Multiomics Analysis Sheds Light on the Mechanisms of Color and Fragrance Biosynthesis in Wintersweet Flowers”的研究成果。研究團隊選取了蠟梅的兩個基因型HLT040（黃色）和HLT015（紅色）作為研究材料，基于真邁生物GenoLab M測序平臺完成轉(zhuǎn)錄組測序，并整合代謝組的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了苯丙素和萜類代謝途徑，并篩選出39個可能與花色和花香相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。本研究為理解蠟梅花色和花香的共調(diào)控機制提供了理論基礎(chǔ)。
花色和花香是觀賞植物的重要特征，花色可以吸引傳粉者并保護花器官，而花香在植物傳粉和信號傳遞中起重要作用。蠟梅（Chimonanthus praecox）是中國傳統(tǒng)的觀賞植物，以其冬季開花、花色鮮艷與花香獨特而聞名。蠟梅的花色主要由類黃酮決定，黃色花瓣主要含有類黃酮，如蕓香苷、山柰酚和槲皮素，而紅色花瓣主要含有花青素，如矢車菊素-3-O-蕓香糖苷和矢車菊素-3-O-葡萄糖苷。蠟梅的揮發(fā)性化合物主要為萜類和苯丙素類，其中萜類占主導(dǎo)地位。近年來，研究人員對蠟梅的基因組進行了測序，重點關(guān)注花色和花香的分子機制。由于苯丙素揮發(fā)性化合物和類黃酮的合成途徑相同，且萜類揮發(fā)性化合物和類胡蘿卜素的上游途徑相同，花色和花香的合成機制可能存在共性。然而，目前關(guān)于蠟梅中花色和花香調(diào)控的相關(guān)性研究較少。本研究通過代謝組學和轉(zhuǎn)錄組學的聯(lián)合分析，探討了蠟梅花色和花香的共調(diào)控機制，為理解其分子機制提供了理論基礎(chǔ)。
研究團隊選取了黃蠟梅HLT040和紅蠟梅HLT050的三個階段，芽期、露瓣期和盛開期。通過超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（UPLC-MS/MS）和氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（GC-MS）檢測了類黃酮的一級和二級代謝產(chǎn)物和花香揮發(fā)物，并基于GenoLab M測序平臺完成轉(zhuǎn)錄組測序。
圖1 2種蠟梅（A 黃蠟梅HLT040 B紅蠟梅 HLT050）
蠟梅花色相關(guān)基因的苯丙素和苯丙烷代謝途徑苯丙素和苯丙烷代謝途徑可以分為三個分支，分別在產(chǎn)生反式肉桂酸和對香豆酰輔酶A之后：(1) 苯甲酸合成分支：合成苯甲醇、苯甲酸酯、水楊酸、甲基苯甲酸酯等FVBPs（花揮發(fā)性苯環(huán)類化合物）。(2) 丁香酚和異丁香酚合成分支：合成丁香酚、異丁香酚、甲基黑椒酚等FVBPs。(3) 類黃酮合成分支：合成沒食子兒茶素、矢車菊素-3-O-蕓香糖苷、矢車菊素-3-O-葡萄糖苷等類黃酮。在紅蠟梅花中，以香豆酰輔酶A為前體合成了更多的花青素化合物，而在黃蠟梅中，香豆酰輔酶A被用于合成更多的丁香酚和異丁香酚等FVBPs。
圖2?黃蠟梅和紅蠟梅花色相關(guān)的苯類和苯丙類代謝途徑的代謝物和生物合成基因多組學分析
在蠟梅的假設(shè)性萜類合成途徑中，黃蠟梅和紅蠟梅花中的萜類揮發(fā)性化合物在MVA和MEP代謝途徑中存在顯著差異。MVA途徑主要產(chǎn)生倍半萜類和二萜類化合物，而高表達的CpHMGR和CpTPS51基因可能導(dǎo)致紅蠟梅通過MVA途徑合成更多的倍半萜類化合物，如(2E,6E)-法呢醇和(S,E)-橙花叔醇。MEP途徑主要產(chǎn)生單萜類化合物，是蠟梅中萜類揮發(fā)性化合物形成的主要途徑。在黃蠟梅中，MEP途徑的基因高表達，導(dǎo)致單萜類化合物大量積累。比如，CpTPS4基因是調(diào)控芳樟醇合成的關(guān)鍵基因，也在黃蠟梅花中高表達，導(dǎo)致芳樟醇及其氧化物在黃蠟梅中大量積累。
圖3?黃蠟梅和紅蠟梅萜類代謝途徑的代謝物和生物合成基因多組學分析
酵母單雜驗證轉(zhuǎn)錄因子與花香和花色啟動子的相互作用
CpANS1是調(diào)控花青素合成的關(guān)鍵基因，而CpTPS4已被證實調(diào)控蠟梅中芳樟醇和橙花叔醇的合成。研究者為了驗證篩選出的轉(zhuǎn)錄因子是否調(diào)控花色或花香合成途徑中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因的表達，通過酵母單雜交實驗驗證了部分轉(zhuǎn)錄因子與CpANS1或CpTPS4啟動子的相互作用。實驗結(jié)果顯示，只有當轉(zhuǎn)錄因子與啟動子共轉(zhuǎn)化時，酵母Y187 菌株才能在添加了3-AT的SD/-His-Leu-Trp培養(yǎng)基上正常生長，這表明CpERF7能夠與CpANS1的啟動子相互作用，而CpbHLH50和CpMYB21能夠與CpTPS4的啟動子相互作用。
圖4 酵母單雜實驗驗證了轉(zhuǎn)錄因子與啟動子CpANS1或CpTPS4的相互作用
本研究通過多組學分析初步揭示了蠟梅花色和花香的共調(diào)控機制。研究發(fā)現(xiàn)，蠟梅的花色和花香由不同的代謝途徑共同調(diào)控，可能存在底物競爭。本研究為理解蠟梅花色和花香的分子調(diào)控機制提供了理論基礎(chǔ)，并為未來通過分子標記輔助篩選和培育具有優(yōu)良花色或花香性狀的蠟梅品種提供了可能。
Fu X, Wang H, Tao X, et al. Integrated MultiOmics Analysis Sheds Light on the Mechanisms of Color and Fragrance Biosynthesis in Wintersweet Flowers[J]. 2025.