整合代谢组学和转录组学分析，以探索不同颜色滇茶（T. sinensis）品种的潜在着色机制

紫叶李（T. sinensis）不同品种颜色形成机制研究：通过代谢组学和转录组学分析发现，花青素（TA）含量在红叶品种（BSH、HYC、AKC）显著高于绿叶品种（LYC），且总叶绿素（TCH）和类胡萝卜素（TCA）含量呈反向变化。关键代谢物为香豆酰基花青素，其合成受香豆酸代谢节点调控，基因表达与代谢物积累高度相关，为品种选育和品质调控提供理论依据。

　　

王晓|王子慧|冯金泽|张北北|张静芳|王成

西北农林科技大学林学院林业工程系，中国陕西省杨凌市，712100

摘要

作为直观的商业品质指标，T. sinensis（中国扁桃）芽的颜色对消费者的购买行为有着显著影响。为了阐明颜色形成的潜在调控机制，选取了四种不同颜色的T. sinensis品种（分别为Bashanhong (BSH)、Heiyouchun (HYC)、Ankanghong toona (AKC) 和 Lvyouchun (LYC)），对其色素成分和细胞内代谢特征进行了分析。结果表明，各品种之间存在明显的颜色差异。其中，BSH的总花青素（TA）含量最高，其次是HYC、AKC和LYC。总叶绿素（TCH）和类胡萝卜素（TCA）的含量与TA呈现相反的趋势。在红色T. sinensis品种（BSH、HYC、AKC）中，鉴定出五种主要与颜色相关的代谢物：马来酰西索宁、飞燕草素、氰苷-3-O-葡萄糖苷、氰苷-3-（p-香豆酰）芸香糖苷-5-葡萄糖苷和氰苷-3-O-芸香糖苷-5-O-β-D-葡萄糖苷。通过代谢组学和转录组学分析，发现p-香豆酸代谢节点在红色和绿色品种之间的颜色差异形成中起着重要作用。特别是，二氢杨梅素和二氢槲皮素分支途径的差异决定了每种红色T. sinensis品种的最终颜色。此外，代谢物的丰度与相应代谢途径中的基因表达水平高度一致。这些信息不仅为T. sinensis的着色机制提供了新的见解，也为其颜色改良提供了潜在策略。

引言

Toona sinensis（中国扁桃）是一种属于楝科的多年生落叶树（Zhao等人，2024年）。作为一种木本蔬菜，其嫩芽和叶子不仅营养价值高，还具有独特的香气（Wang等人，2020年；Wang等人，2023年）。因此，它被视为一种非常受欢迎的时令佳品。如今，T. sinensis在东亚和东南亚广泛种植，在中国和马来西亚常被作为蔬菜食用。此外，T. sinensis的叶子、根和果实还富含生物活性化合物，包括黄酮类、生物碱、酚酸和三萜类。因此，T. sinensis在中药中也用于治疗多种疾病，并具有抗菌、抗癌、抗糖尿病和抗炎作用（Peng等人，2019年；Wang等人，2023年）。

作为最直观的评估指标之一，T. sinensis的颜色对其产品价格和消费者的购买行为有显著影响。目前，全世界约有15种Toona属植物（Fu等人，2020年）。其中，中国有4个物种和6个品种（《中国植物志》编辑委员会，1997年）。虽然这些T. sinensis品种已被广泛报道，但只有红色和绿色品种受到消费者的欢迎。与绿色T. sinensis相比，红色T. sinensis芽更受消费者青睐，因为其纤维含量较低，精油含量高且香气独特（Wang等人，2008年）。由于高经济价值，目前一些红色T. sinensis品种正在中国多个省份不断被驯化培育出新品种，如BSH（四川省）、HYC（安徽省）和AKC（陕西省）。因此，探索不同T. sinensis品种之间颜色形成差异的潜在机制具有很高的价值。

实际上，植物组织的颜色通常由多种色素调节，包括花青素、叶绿素和类胡萝卜素。除了叶绿素外，花青素在植物颜色差异的形成中起着重要作用。根据先前的研究，花青素属于酚类化合物（即黄酮类）。一般来说，它们大多是2-苯基铬（或黄酮基）盐的多羟基和多甲氧基衍生物的糖苷（Kong等人，2003年）。它们的生物合成途径始于p-香豆酰-CoA和三个马来酰-CoA分子的缩合，生成柚皮素查尔酮，这一过程由查尔酮合成酶（CHS）催化。随后，柚皮素查尔酮可以通过不同的分支途径进一步合成其他黄酮类化合物（如花青素、黄酮醇、查尔酮、黄酮和黄酮苷）（Wang等人，2022年）。在之前的研究中，已在T. sinensis中鉴定出多种黄酮类化合物。其中，山柰酚、槲皮素及其衍生物是主要的黄酮类化合物。然而，之前仅在T. sinensis中报道了两种花青素（氰苷-3-O-新橙糖苷和氰苷-3-芸香糖苷）（Su等人，2020年）。因此，阐明不同T. sinensis品种的颜色特征和形成机制对于农业和食品工业中的育种计划和品质控制至关重要。

在这项研究中，首先选取了四种不同颜色的T. sinensis品种（LYC、BSH、HYC、AKC），以研究其主要色素成分（总花青素、叶绿素和类胡萝卜素）的差异。结合多种统计分析方法，进行了非靶向代谢组学分析，以研究这四种品种中花青素和黄酮类的类型和特征。进一步探讨了这些与颜色相关化合物生物合成途径中基因的表达水平。最后，通过综合相关性分析建立了基因表达与代谢物积累之间的联系，从而全面理解了潜在的着色机制。

植物材料

植物材料

四种优良品种（BSH、HYC、AKC和LYC）由天津科技大学（中国天津）的刘长进副教授鉴定（图1）。每种T. sinensis品种的相关信息列在表S1中（补充材料）。由于种植区域（如环境温度）的不同，这四种样品的采收时间也不同。整个采收期从3月25日开始

不同T. sinensis品种的颜色特征

为了研究四种T. sinensis品种的颜色差异，首先使用色度计分析了所有样品的叶子。如表1所示，所有检测指标（L*、a*、b*、C*、H°）的值从BSH到LYC呈现相同的上升趋势。其中，a*值是评估红色和绿色程度的指标。当a*值为正（或负）时，样品的颜色分别为红色（或绿色）。

结论

在这项研究中，选取了四种不同颜色的T. sinensis品种，以研究其潜在的颜色形成机制。根据色度计分析结果，红色和绿色样品之间存在明显的颜色差异。根据主要色素的检测结果，LYC中的TCH和TCA含量最高，其次是AKC、HYC和BSH。TA的含量与TCH和TCA的趋势相反

作者贡献声明

王子慧：方法学研究、调查。冯金泽：方法学研究、调查、正式分析。张北北：方法学研究、调查、正式分析。张静芳：监督、资源管理、项目管理、资金获取。王成：写作——审稿与编辑、监督、正式分析、数据管理、概念构建。王晓：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究、正式分析、概念构建

未引用的参考文献

Wang等人，2023年；Wang等人，2022年。

利益冲突声明

我们很高兴提交一篇题为“综合代谢组学和转录组学分析探索不同颜色T. sinensis品种的潜在着色机制”的文章，供食品生物科学期刊考虑作为原创基础研究。我们没有需要披露的利益冲突。该手稿尚未发表，也未在其他地方接受发表。所有作者均已阅读并批准了手稿的最终版本。