蓝莓叶片在花芽形态建成中的转录组重编程：从光合源到信号整合中心的动态转变

《Genes》：Transcriptomic Reprogramming in Leaves During Floral Bud Morphogenesis in Blueberry Xingyu Lu, Dongyu Sun, Yiyan Yang, Ya Shen, Qin Yang and Biyan Zhou

本文通过时间序列转录组学揭示了蓝莓花芽形态建成期叶片基因表达的阶段性变化。研究发现，叶片功能经历了从早期（0-6周）的光合作用中心，到中后期（9-15周）信号整合与代谢支持中心的转变。关键开花基因（如FT、COL9、AP2）和多种激素通路（如BR、JA、ETH、GA）协同构成了动态调控网络。该研究为解析木本植物开花调控提供了新见解，并为蓝莓分子育种和产期调控奠定了基础。

　　

转录组学分析揭示蓝莓花芽形态建成期的叶片功能转变

1. 1.
   引言背景

蓝莓是一种具有高经济价值的浆果，其花芽分化是决定翌年产量的关键生理过程。其中，花芽形态建成期是从营养生长向生殖生长过渡、完成花器官原基分化的核心阶段。叶片作为感知光周期等环境信号的主要器官，其合成的成花素（如FT蛋白）经韧皮部运输至茎端分生组织，从而启动成花转变。然而，在多年生木本植物蓝莓中，对花芽形态建成期叶片转录组动态、核心调控网络及其与多激素信号协调机制的研究仍相对匮乏。

1. 2.
   材料与方法

本研究以兔眼蓝莓品种“Brightwell”的6年生植株为材料。在花芽形态建成关键窗口期（2023年7月14日至10月27日，从夏季新梢停长至芽体膨大、休眠开始），以3周为间隔设置了6个采样时间点（标记为0W、3W、6W、9W、12W、15W），采集叶片样本。通过RNA测序（RNA-seq）技术获得18个文库的转录组数据，并对差异表达基因（DEGs）进行了分析。研究采用了加权基因共表达网络分析（WGCNA）来识别与特定发育阶段显著相关的基因模块，并系统探究了模块中与开花调控、激素信号转导、激素合成代谢相关的关键基因及转录因子，构建了基因共表达调控网络。最后，利用qRT-PCR对选定基因的表达趋势进行了验证。

1. 3.
   结果发现

3.1. 差异表达基因与模块分析

RNA-seq共产生121.68 Gb的高质量数据。主成分分析显示，18个样品可清晰分为三组：0W/3W/6W、9W/12W和15W，其中15W样品离散度最大，表明其基因表达谱发生了显著转变。差异表达分析共鉴定出22,463个DEGs，特别是与15W（花芽快速膨大及休眠开始后阶段）相比的DEGs数量剧增，表明此时是叶片转录组重编程的关键节点。

WGCNA将13,349个DEGs划分为7个共表达模块，其中4个（棕色、红色、蓝色、青绿色）模块与特定采样时间点显著相关，被定义为核心模块：

• •
  棕色模块（0W-6W）：高表达于早期阶段。基因显著富集于光合作用、植物激素信号转导通路。
• •
  红色模块（9W） 与蓝色模块（12W）：分别在中期的9W和12W高表达。基因主要富集于内质网蛋白加工、剪接体、植物-病原互作、MAPK信号通路、植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢等通路。
• •
  青绿色模块（15W）：在晚期（15W）高表达。基因富集于碳代谢、丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、光合生物碳固定及类黄酮生物合成等通路。

3.2. 关键基因的表达模式

开花相关基因呈现动态表达模式。关键的成花素基因FT在晚期（15W）特异性上调。四个AP2基因主要在中期（9W-12W）高表达，而两个COL9基因则在早期（0W-3W）高表达。COL11基因在中期至晚期高表达，COL16基因则在早期和晚期高表达。

激素相关基因在中期至晚期（9W-15W）呈现集中高表达。在激素信号转导通路中，油菜素内酯（BR）信号通路包含最多基因（101个）。茉莉酸（JA）信号基因均在9W和12W高表达。赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）、乙烯（ETH）和水杨酸（SA）途径基因也多在中期至晚期上调。在激素生物合成与代谢途径中，乙烯相关基因数量最多（51个），其次为CTK、JA、ABA、GA、独角金内酯（SL）、IAA、BR和SA途径。

3.3. 核心模块的共表达调控网络

对四个核心模块分别构建基因共表达网络，以突出开花相关基因、激素信号转导基因、激素合成/代谢基因及转录因子之间的互作关系，并识别了各模块的枢纽基因：

• •
  棕色模块（早期）：枢纽基因包括开花基因COL9、CTK信号基因ARR12、参与JA合成的PLA2基因及一个MYB-related转录因子基因。
• •
  红色模块（中期，9W）：枢纽基因包括开花基因AP2、GA信号负调控因子DELLA、参与ABA合成的BCH基因及一个HSF转录因子基因。
• •
  蓝色模块（中期，12W）：枢纽基因包括BR受体激酶基因SR160、JA生物合成关键基因LOX3-1及一个MYB-related转录因子基因。
• •
  青绿色模块（晚期，15W）：枢纽基因包括开花基因FT、乙烯响应转录因子ERF1、支链氨基酸转氨酶BCAT2及一个HB-BELL转录因子基因。

3.4. 叶片功能转变的阶段性调控

综合来看，叶片在花芽形态建成期经历了一个明确的功能转变过程：

1. 1.
   早期（0-6W）：以棕色模块为主。叶片主要发挥“光合源”功能，为植物提供能量，同时通过COL9等基因感知光周期信号，并启动IAA、CTK、BR等激素的初步信号整合。
2. 2.
   中期（9-12W）：以红色和蓝色模块为主。叶片功能转向“信号整合与代谢支持”。此阶段涉及多种激素通路（如GA、BR、JA、ETH等）的广泛激活，以及丰富的转录因子（如MYB、AP2/ERF-ERF、NAC、WRKY等）表达。代谢上，淀粉和蔗糖代谢增强。AP2基因高表达，与花器官原基分化关键期吻合。
3. 3.
   晚期（15W）：以青绿色模块为主。叶片成为“信号输出与代谢调控”中心。FT基因特异性高表达，整合成花信号。碳代谢、糖酵解等通路活跃，为芽体膨大提供能量。类黄酮生物合成增强。枢纽基因FT、ERF1、BCAT2、HB-BELL等构成了晚期信号输出的核心调控网络。
4. 4.
   讨论与结论

本研究揭示了蓝莓花芽形态建成期叶片转录组的阶段性重编程，阐明了叶片从“光合源”到“信号整合与代谢支持中心”的功能转变。WGCNA识别了四个阶段特异性模块，其富集通路反映了不同时期叶片的生物学重心转移。关键开花基因（FT、COL9、AP2）的时序性表达模式，以及多种激素通路（尤其是BR、ETH、JA、GA）的协同作用网络，共同精细调控了花芽的发育进程。枢纽基因COL9、AP2、FT、SR160、LOX3-1、ERF1、MYB-related等在不同阶段发挥核心调控作用。这些发现增进了对木本植物生殖生长调控机制的理解，为蓝莓的分子育种和产期管理提供了有价值的遗传资源和理论依据。后续研究需对上述候选基因进行功能验证。