《Plant Physiology and Biochemistry》：Comparative transcriptome and metabolome analyses identified key genes for carotenoid metabolic variation in
Petunia and
Calibrachoa
编辑推荐：
本研究针对矮牵牛(Petunia)与舞春花(Calibrachoa)黄色花冠着色差异的机制难题，通过比较转录组与代谢组分析，发现PSY1-1、BCH1、XES1等关键基因的表达差异及酯化叶黄素积累是导致花色分化的核心因素，转基因验证表明ChBCH1可显著提升矮牵牛玉米黄质含量，为观赏植物分子育种提供了新靶点。
在五彩缤纷的观赏植物世界中，黄色花卉因其明亮欢快的色调一直备受青睐。然而对于全球广泛栽培的矮牵牛而言，培育出深黄色品种却始终是育种家面临的重大挑战。与之形成鲜明对比的是，同属茄科的近缘物种舞春花能自然开出鲜艳的黄花。这种鲜明的对比背后，隐藏着类胡萝卜素代谢调控的奥秘。类胡萝卜素作为植物中广泛分布的天然色素，不仅赋予花朵和果实黄色至橙色的绚丽色彩，更在光合作用、光保护以及植物激素合成中扮演关键角色。然而，不同物种甚至不同品种间类胡萝卜素组成与积累水平的显著差异，使得花色形成机制错综复杂。
此前研究表明，矮牵牛黄色花冠主要源于类胡萝卜素的积累，且酯化叶黄素比例较低可能是限制其花色深度的关键。而舞春花则能积累更高水平的酯化叶黄素，显示出更强的色素稳定性。尽管这些现象已被观察到，但导致两个近缘物种花色差异的分子机制和关键调控基因仍不明确。为了解决这一科学问题，上海交通大学的研究团队开展了系统性研究，相关成果发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上。
研究人员综合运用代谢组学、转录组学、分子生物学和转基因技术，对自主选育的矮牵牛自交系'1408'（Pet-Yel）和舞春花杂交后代'821H3'（Cal-Yel）进行了多组学比较分析。通过超高效液相色谱-串联质谱技术精准定量类胡萝卜素组分，结合de novo转录组测序揭示基因表达模式，并利用转基因功能验证关键基因的功能。
3.1. 矮牵牛与舞春花的颜色表型及色素组成
研究发现Cal-Yel的花冠黄色饱和度显著高于Pet-Yel，其类胡萝卜素总量是Pet-Yel的3倍。特别值得注意的是，Cal-Yel从花蕾阶段就开始积累黄色色素，而Pet-Yel在发育早期则呈现绿色色调。色素成分分析显示，酯化叶黄素在Cal-Yel中的比例高达52%，远高于Pet-Yel的32%，这表明酯化程度与花色深度密切相关。
3.2. 矮牵牛与舞春花的类胡萝卜素组成比较
代谢组分析鉴定出49种类胡萝卜素代谢物，其中38种在Cal-Yel中含量更高。Violaxanthin（紫黄质）是两者中最丰富的叶黄素，但Cal-Yel中酯化violaxanthin（如violaxanthin-myristate-caprate）含量极高，达到149.76 μg·g-1，而Pet-Yel中仅有0.94 μg·g-1。此外，Cal-Yel特有地合成了多种玉米黄质酯化物，这些酯化形式可能增强色素稳定性。
3.3. 舞春花杂交种的de novo转录组测序及注释
研究首次完成了舞春花的de novo转录组测序，获得48,705个unigenes，N50为2,279 bp，为这一缺乏参考基因组的物种提供了宝贵的遗传资源。功能注释显示多数基因与茄科植物同源，其中尼古丁属物种匹配比例最高。
3.4. 矮牵牛与舞春花的编码序列比较
比较基因组学分析发现，两个物种的类胡萝卜素代谢通路基因存在明显差异。舞春花PSY基因拷贝数较少，但PSY1-1表达水平更高。特别值得注意的是，XES（叶黄素酯酶）基因在两个物种中存在不同拷贝：舞春花和矮牵牛均含有XES1和XES2两个同源基因，但它们的蛋白结构域组成不同，可能具有功能分化。
3.5. 舞春花的黄色花冠着色的转录调控机制
通过差异表达基因聚类分析，研究人员将7272个DEGs划分为12个表达簇。类胡萝卜素生物合成基因主要分布在三个簇中，其中PSY1-1和BCH1属于表达量从S1到S3显著上调的簇（C2）。共表达网络分析鉴定出33个可能与类胡萝卜素代谢相关的转录因子，包括bHLH、NAC、MYB、ERF等家族成员。
3.6. ChBCH1在黄花着色中的关键作用
序列比对显示，矮牵牛和舞春花的BCH1和BCH2基因存在显著差异，尤其是保守组氨酸结构域存在点突变。表达模式分析发现，PhBCH1/PhBCH2和ChBCH1/ChBCH2在两个物种中呈现完全相反的表达趋势。转基因功能验证表明，在矮牵牛中过量表达ChBCH1能使花冠颜色从黄绿色变为深黄色，玉米黄质含量显著增加，β-胡萝卜素含量相应减少，证实了ChBCH1在催化β-胡萝卜素向玉米黄质转化中的关键作用。
本研究通过多组学整合分析，系统揭示了矮牵牛与舞春花黄色花冠着色差异的分子基础。研究结果表明，舞春花之所以能产生更深的黄色，主要得益于其更高的类胡萝卜素总量、更活跃的叶黄素酯化过程以及关键基因的特异性表达模式。其中，ChBCH1被证实是调控玉米黄质积累的关键基因，其异源表达能有效增强矮牵牛的黄色着色程度。
此外，PSY1-1的高表达保障了类胡萝卜素合成前体的充足供应，XES1的高表达促进了叶黄素酯化从而提高色素稳定性，而CCD4的表达差异则影响了色素的降解速率。这些因素共同构成了两个物种花色差异的复杂调控网络。
该研究不仅深化了我们对观赏植物花色形成机制的理解，更重要的是为分子育种提供了有价值的基因资源。ChBCH1等关键基因的鉴定为通过基因工程手段改良矮牵牛花色提供了直接靶点，有望推动深黄色矮牵牛品种的培育，丰富观赏植物的色彩多样性。同时，研究中建立的舞春花转录组数据库也为该物种的后续遗传研究奠定了坚实基础。
