红花深山含笑花色差异的代谢组学研究
doi: 10.11931/guihaia.gxzw202508018
杨扬 1 , 舒东膂 1 , 康存波 2 , 陈白冰 1 , 康用权 1 , 舒瑶 3 , 严佳文 1
1. 湖南省植物园,长沙 410116
2. 湖南省国土空间调查监测所,长沙 410100
3. 湖南农业大学 园艺学院,长沙 410128
基金项目: 湖南省林业科技攻关与创新资金项目(XLKY202333)
Metabolomics study on the floral color differences of Michelia maudiae var. rubicunda
YANG Yang 1 , SHU Donglü 1 , KANG Cunbo 2 , CHEN Baibing 1 , KANG Yongquan 1 , SHU Yao 3 , YAN Jiawen 1
1. Hunan Botanical Garden, Changsha 410116, China
2. Hunan Provincial Spatial Survey and Monitoring Institute, Changsha 410100, China
3. College of Horticulture, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
摘要
红花深山含笑(Michelia maudiae var. rubicunda)是深山含笑(Michelia maudiae)的变种, 具有独特的观赏价值,园林绿化应用前景广阔。为探究导致红花深山含笑花色差异的关键代谢产物种类及其含量,该文采用超高液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)技术分别对深山含笑(白色花)和红花深山含笑(浅红色和深红色花)的花瓣进行了靶向代谢组学分析。结果表明:(1)共鉴定出27种代谢物,主要包括矮牵牛素、飞燕草素、锦葵色素、矢车菊素、天竺葵素和其他花青素苷元6类物质。(2)筛选出差异代谢物13种,KEGG通路注释发现差异代谢物在花青素代谢通路中显著富集。(3)差异代谢物分析表明,矢车菊素3-芸香糖苷是红花深山含笑花色差异产生的关键代谢物。综上,该文分析了花青素在不同花色红花深山含笑花瓣中的累积规律,并且探究了红花深山含笑花瓣红色深度与特定花色苷种类和含量之间的关联性。该研究结果为后续开展红花深山含笑花色呈色机理研究提供了参考,为花色遗传育种提供了一定的科学依据。
Abstract
Michelia maudiae var. rubicunda, a variant of M. maudiae, possesses unique ornamental value and holds great potential for landscape applications. To identify the key metabolite types and their abundances responsible for the floral color differences, this study conducted targeted metabolomics analyses of petals from M. maudiae (white flowers) and M. maudiae var. rubicunda (light red and deep red flowers) using ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS). The results were as follows: (1) A total of 27 metabolites were identified, mainly belonging to six categories, including petunidin, delphinidin, malvidin, cyanidin, pelargonidin, and other anthocyanidins. (2) Thirteen differential metabolites were screened, and KEGG pathway annotation revealed significant enrichment in the anthocyanin biosynthesis pathway. (3)Differential metabolite analysis indicated that cyanidin 3-O-rutinoside was the key metabolite responsible for the floral color differences in M. maudiae var. rubicunda . In conclusion, the accumulation patterns of anthocyanins in petals of different floral colors were characterized, and the association between red intensity and the types and abundance of specific anthocyanins were examined. Overall, this study provides valuable insights for elucidating the coloration mechanism of M. maudiae var. rubicunda and offers a scientific foundation for future genetic improvement of floral color.
花色是观赏植物最重要的性状之一,是植物自然进化过程中最具适应意义的表型性状。被子植物中,约有80%的植物花色受到花青素(anthocyanin)相对含量的影响(戴思兰和洪艳,2016),花色在观赏植物的新品种选育、鉴定和保护过程中具有重要意义。花青素属类黄酮(flavonoids)物质,主要以糖苷形式存在,称为花色苷,是高等植物合成的次生代谢物,其生物合成由各类酶参与催化。花青素是花朵呈色的重要色素,决定花的红、蓝、紫等颜色(Tanakan & Ohmiva,2008;He & Giusti,2010)。Williams和Grayer(2004)已从各类植物中分离鉴定到多达700余种花青素,主要分为6大类,包括矢车菊素(cyanidin)、飞燕草素(delphinidin)、天竺葵素(pelargonidin)、芍药色素(peonidin)、矮牵牛素(petunidin)和锦葵色素(malvidin)。代谢组学是通过定量分析生物体产生的代谢物水平,同时结合数据处理软件对生物样本之间进行相关分析,从样本中检测并筛选出具有重要生物学意义和统计学差异显著的代谢物,从而揭示和阐明植物次生代谢物的合成途径和代谢网络调控机制(王梦迪等,2023),通过代谢组学技术可以鉴定观赏植物中的差异代谢物,解析花色差异形成的机理(武美卿等,2023),近年来,代谢组学被广泛应用于鹿角杜鹃(Rhododendron latoucheae)(张卉,2022)、木槿(Hibiscus syriacus)(Wang et al., 2022)、山樱花(Prunus serrulata)(叶琦等,2023)等植物的花色形成机理研究。
红花深山含笑(Michelia maudiae var. rubicunda),属木兰科(Magnoliaceae)含笑属(Michelia)植物,为深山含笑(M. maudiae)的变种(范继才等,2009),原产于海拔400~800 m的亚热带山地常绿落叶阔叶混交林地区,自然分布区狭窄。现湖南、四川、广东等省份已有人工引种。红花深山含笑是常绿小乔木,适应性较强,树形优美,花香浓郁,花大花多,花被上部淡红,基部紫红,花期2—3月,观赏价值极高,园林绿化应用前景广阔。因其与原种花色差异显著,成为研究花色形成调控机理及培育木兰科新品种的优良资源(徐胜等,2007徐桂红等,2017)。红花深山含笑具有其独特的观赏价值,但其不同株系的花色存在明显差异,花色形成及调控机理尚不明确,在一定程度上限制了其推广应用及遗传育种研究。现有研究表明,矢车菊素是植物花瓣呈红色的关键色素之一。例如,杜鹃花中花青素含量对花色的影响研究中发现,红紫色和红色的杜鹃花瓣主要的显色花青素为矢车菊素(Du et al., 2018);重瓣铁线莲(Clematis florida var. plena)中矢车菊素在红色系样品中含量远高于紫色系和蓝色系,说明矢车菊素含量与萼瓣红色着色相关(袁明霞等,2023)。然而,作为矢车菊素的重要糖基化衍生物,其具体糖苷形式在植物红色花瓣着色中的作用同样重要。红花玉兰(Magnolia wufengensis)花瓣的红色深度差异主要由矢车菊素3-芸香糖苷(cyanidin 3-O-rutinoside)和芍药色素 3-芸香糖苷(peonidin-3-O-rutinoside)这两种花色苷的含量差异导致(朱仲龙,2023)。目前,对红花深山含笑花色的研究结果表明,矢车菊素3-葡萄糖苷(cyanidin 3-O-glucoside)等6种花色苷可能是红花深山含笑花瓣的主要呈色物质(Lang et al., 2019),但各花色苷对于花瓣红色度的贡献度尚不明确,红花深山含笑花色差异与花青素的关系有待进一步研究。
本研究选取不同株系且花色有明显差异的红花深山含笑花瓣作为研究对象,选取白色的深山含笑花瓣作为对照,通过靶向代谢组学分析花瓣中花青素的种类及含量,对不同花色间差异显著的花青素类物质进行筛选,探究红花深山含笑红色深度与特定花色苷种类和含量之间的关联性,以期为后续开展红花深山含笑花色呈色机理研究提供参考,为花色遗传育种提供一定的科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料为白色深山含笑花(white flower,WF)、浅红色红花深山含笑花(light red flower,LF)和深红色红花深山含笑花(deep red flower,DF)。样品采集参照柳寒等(2021)的方法,采集地点为湖南省浏阳市柏加镇红花深山含笑资源圃(113°12′04″E、28°02′11″N)。选择光照充足,栽培管理措施与条件均相同,长势一致,无病虫害的健康植株,以WF为对照,LF和DF为样品。采集当日开放的花朵,白色、浅红色和深红色3个不同株系分别随机摘取30片花瓣混合,作为1次生物学重复,共3次生物学重复。花瓣液氮速冻10 min,随后立即放置于-80 ℃的超低温冰箱保存,用于后续试验分析。
1.2 花瓣花色分析
使用英国皇家园艺学会比色卡(Royal Horticultural Society Colour Chart,RHSCC) 对花瓣样品进行色彩比对测定,将各样品测定出的色卡编号转换为分光色差体系(CIE L*a*b*)数值,对花瓣颜色进行量化(滕彩玲等,2022)。L*值表示亮度,数值越大越亮;a*值表示红绿属性,数值越大越红;b*值表示黄蓝属性,数值越大越黄;彩度C=a2+b2尹旭敏等,2020),数值越大,色彩度越丰富。每组样品3片花瓣,WF测定基部、上部,LF和DF测定基部、斑点和边缘。
1.3 试验试剂与仪器设备
甲醇、37% 盐酸、乙二胺四乙酸二钠盐、甲酸、超纯水等;液相色谱仪(Vanquish, Thermo公司)、质谱仪(Q Exactive, Thermo公司)、万分之一分析天平、水浴锅、冷冻离心机、混匀仪、组织研磨器、超声波清洗器、滤膜、钢珠等。
1.4 样品制备及代谢物提取
样品制备与代谢物提取参照Hong等(2020)的方法。称量100 mg样本于2 mL离心管中,加入1 000 μL的60%甲醇(含0.1 mol·L-1盐酸和质量分数为0.1% 的乙二胺四乙酸二钠盐) 溶液,涡旋振荡60 s;加入2颗钢珠,放入组织研磨器中,加入液氮,50 Hz研磨120 s;240 W 超声功率在4 ℃ 下超声10 min;4 ℃ 下12 000 r·min-1离心10 min,取上清液过0.22 μm膜,过滤液加入至检测瓶中,用于UPLC-MS检测。各组样品的每份生物学重复独立提取和检测。
1.5 花青素代谢物测定
使用超高效液相色谱(ultra-performance liquid chromatography, UPLC)和串联质谱(tandem mass spectrometry, MS/MS)分析花青素代谢物。液相条件:ACQUITY UPLC BEH C18(2.1 mm × 100 mm, 1.7 μm)色谱柱,0.25 mL·min-1的流速,50 ℃的柱温,进样量2 μL。正离子模式,流动相为1%甲酸水溶液(A)和1%甲酸甲醇(B)。梯度洗脱程序:0.0~2.0 min,5% B;2.0~15.0 min,5%~70% B;15.0~15.1 min,70%~95% B;15.1~18.0 min,95% B;18.0~20.0 min,95%~5% B;20.0~25.0 min,5% B(Hong et al., 2020)。
质谱条件:电喷雾离子源(electrospray ionization, ESI)。正离子喷雾电压为3 500 V,鞘气流速47 arb,辅助气流速15 arb。毛细管温度320 ℃,以分辨率70 000进行一级全扫描,一级离子扫描范围为220~1 300 m/z,并采用HCD进行二级裂解,碰撞能量为10、50、60 eV,二级分辨率为17 500,采集信号前8离子进行碎裂,同时采用动态排除法去除不必要的MS/MS信息(Zhang et al., 2020)。
1.6 数据处理分析
通过Proteowizard软件(Smith et al., 2006)中的MSCnvert工具将原始质谱raw文件转换为mzML文件格式;采用RXCMS软件(Navarro-Reig et al., 2015)进行峰检测、峰过滤和峰对齐处理,得到物质峰面积列表;采用QC-SVRC归一化方法(Gagnebin et al., 2017)实现数据矫正,消除系统误差;采用Excel软件进行数据处理;采用KNApSAcK、HMDB和KEGG等公共数据库进行代谢物的鉴定;采用R软件Ropls(Thévenot et al., 2015)分别对样本数据进行主成分分析(principal component analysis,PCA)和正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least square-discriminate analysis,OPLS-DA),分析各样本间花青素组成的差异,鉴定P<0.05和预测变量重要性(variable importance for the projection, VIP)值>1的显著差异代谢物(Zhang et al., 2018),并将差异代谢物映射到KEGG数据库中进行富集分析;使用SPSS26软件对花色表型和差异代谢物进行相关性分析。
2 结果与分析
2.1 花瓣表型及花色分析
深山含笑和红花深山含笑的盛花期花瓣形态特征见图1,使用CIEL*a*b*颜色模式进行花色分析。测定结果(表1)显示,3组样品的L*、a*、b*和C*值存在明显差异,花色分为白色、浅红和深红,花色值与花色的表型结构一致。WF的L*值在各样品中最高,花瓣亮度为WF>LF>DF;DF的a*值在各组样品中最高,花瓣红色度为DF>LF>WF,DF、LF在红绿属性上与WF差异显著;各样品b*值数据表明,除WF基部以外,3组样品各部位黄蓝属性差异较小;DF和LF的C*值显示,二者有较高的色彩度。
1 深山含笑和红花深山含笑的花朵样品
Fig. 1 Flower samples of Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
2.2 样品主成分分析
对样品进行主成分分析(PCA),结果(图2)显示QC聚集,数据良好,稳定性高,组间代谢物分离趋势明显且组内生物重复性好,与表型结果一致,可进一步进行OPLS-DA分析和差异代谢物分析。其中,第一主成分(PC1)可以解释原有数据集35.9%的特征,在PC1上,WF与其余两组发生明显分离,表明WF与其余两组存在显著差异代谢物;同时在第二主成分(PC2)上,LF与其他两组发生明显分离,表明LF与其余两组代谢表达谱差异大,可以作为对照组进行后续差异表达分析,该主成分可解释原有数据集10%的特征。
2.3 代谢物分析
通过解析深山含笑和红花深山含笑的花瓣样品中花青素类物质的总离子流色谱图(图3),共检测到27种花青素,包括矮牵牛素3-β-D-吡喃葡萄糖苷(petunidin 3-O-β-D-glucopyranoside)、矮牵牛素3-芸香糖苷(petunidin 3-O-rutinoside)2种矮牵牛素(7.41%),飞燕草素3-槐糖苷(delphinidin 3-O-sophoroside)、飞燕草素3-芸香糖苷-5-葡萄糖苷(delphinidin 3-O-rutinoside-5-O-glucoside)等9种飞燕草素(33.33%),锦葵色素3-咖啡酰葡萄糖苷(malvidin 3-O-caffeoyl-glucoside)1种锦葵色素(3.70%),矢车菊素3-芸香糖苷、矢车菊素3-半乳糖苷(cyanidin 3-O-galactoside)等5种矢车菊素(18.52%),天竺葵素3-β-D-吡喃葡萄糖苷(pelargonidin 3-O-β-D-glucopyranoside)1种天竺葵素(3.70%),欧白花丹素(europinidin)、长春黄酮A(vincanin A)等9种其他花青素苷元(33.33%)。
1 深山含笑和红花深山含笑花瓣的色彩值
Table 1 Color values of Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda  petals
注:WF. 深山含笑花瓣; LF. 浅红色红花深山含笑花瓣; DF. 深红色红花深山含笑花瓣。下同。数字后的小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note: WF. M. maudiae petals; LF. Light red M. maudiae var. rubicunda  petals; DF. Deep red M. maudiae var. rubicunda  petals. The same below. Lowercase letters after numbers indicate significant differences(P<0.05).
2 深山含笑和红花深山含笑花瓣样品的主成分分析(PCA)
Fig. 2 Principal component analysis (PCA) of Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda  petal samples
对深山含笑和红花深山含笑的花青素代谢物进行聚类分析,结果(图4)表明,各组花青素代谢物具有显著性差异,组间整体分为2簇,其中簇1中的代谢物在WF中的含量最高,簇2中的代谢物在LF和DF中含量较高。其中,簇 1 中飞燕草素3-鼠李糖苷-5-葡萄糖苷(delphinidin 3-O-rutinoside-5-O-glucoside)在WF 中的含量分别约为LF 的1.36倍、DF的3.79倍;簇2中的矢车菊素3-芸香糖苷在DF中的含量分别约为LF的1.41倍、WF的4.98倍。
为进一步挖掘花青素代谢物的差异性,分别对3组样品的代谢数据进行OPLS-DA分析。应用OPLS-DA模型对27种花青素代谢物进行分析,结果显示样品之间的花青素代谢物具有明显差异,在置信区间内两两分离(图5:A),样本对比中,PC1的贡献率为37.9%,PC2的贡献率为19.9%。使用置换检验(n=200)对构建的OPLS-DA模型进行可靠性验证,理论上R2Y值、Q2值越接近1说明模型的解释能力和预测能力越好,OPLS-DA模型分析数据良好(表2)。置换检验图(图5:B-D)显示,左侧所有的R2Q2值均低于右侧的原始点,表示3组模型未过度拟合,模型有意义,可用于后续筛选差异代谢物。
3 样品总离子流色谱图(正离子)
Fig. 3 Total ion chromatogram of sample (positive ion)
4 深山含笑和红花深山含笑的花青素代谢物聚类分析
Fig. 4 Cluster analysis of anthocyanin metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
从OPLS-DA模型中提取了VIP值的数据,以P<0.05、VIP>1.0、FDR<0.25为标准,筛选各组花青素差异代谢物(differential anthocyanin metabolites, DAMs),共鉴定出13种DAMs,组间比较筛选出3种共有DAMs,分别是矢车菊素3-芸香糖、飞燕草素3-芸香糖苷-5-葡萄糖苷和三甲花翠素(hirsutidin)(图6:A;表3)。DF和WF间存在9种DAMs(6种上调/3种下调),DF和LF间存在9种DAMs(3种上调/6种下调),LF和WF间存在8 种DAMs(6种上调/2种下调)(图6:C)。在3组的差异比较中,最显著上调的代谢物均为矢车菊素3-芸香糖苷,说明矢车菊素3-芸香糖苷可能是花瓣呈现红色的重要代谢物。
5 深山含笑和红花深山含笑的差异代谢物OPLS-DA得分图与置换检验图
Fig. 5 OPLS-DA score plots and permutation test plots of differential metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
在差异代谢物中进行筛选,欧白花丹素、矢车菊素3-芸香糖苷、矢车菊素3-半乳糖苷的相对含量与花色红色度呈正相关,即上述3种花色苷含量越高,花色越红,花青素相对含量差异显著(图6:B)。通过SPSS软件对上述3种花青素相对含量进行单因素ANOVA检验,P值均<0.001,表明组内差异极显著,其中矢车菊素3-芸香糖苷在各组中相对含量最高,由此推测矢车菊素3-芸香糖苷可能是影响红花深山含笑花瓣红色度的主要物质。
2.4 代谢通路分析
KEGG富集分析结果显示,WF、LF和DF的差异代谢物在花青素生物合成通路中富集(P<0.01)(图7)。DF和WF组间有1种差异代谢物在花青素生物合成通路中显著富集且上调,为矢车菊素3-芸香糖苷;LF和WF组间有3种差异代谢物在花青素生物合成通路中显著富集且均为上调,为矢车菊素3-芸香糖苷、飞燕草素3-槐糖苷、矮牵牛素3-芸香糖苷;DF和LF组间有2种差异代谢物在花青素生物合成通路中显著富集,其中矢车菊素3-芸香糖苷上调,矮牵牛素3-芸香糖苷下调。
2 深山含笑和红花深山含笑的差异代谢物 OPLS-DA模型分析数据
Table 2 OPLS-DA model analysis data of differential metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
3 讨论与结论
花青素是调控植物花色的重要色素,其含量差异对花色有重要影响。矢车菊素作为被子植物中调控红色表型的核心花青素类型之一,在花瓣着色过程中发挥关键作用。从结构与呈色特性来看,其分子结构决定了在植物花瓣酸性细胞液环境下可稳定呈现红色且常以糖苷化形式(如矢车菊素3-葡萄糖苷)存在以增强稳定性,是构成红色花瓣色素基础的核心组分(桑贤东等,2024)。从表型关联来看,矢车菊素的含量及比例直接影响花瓣红色深度与纯度:在玫瑰中,矢车菊素-3,5-二葡萄糖苷(cyanidin-3,5-O-diglucoside,Cy3G5G)和芍药色素-3,5-二葡萄糖苷(peonidin 3,5-O-diglucoside,Pn3G5G)的总含量及比例与红色度均存在显著相关性,高含量的 Cy3G5G+Pn3G5G和高比例的 Cy3G5G/Pn3G5G,是红色表型形成的两大必要条件(Zan et al., 2024)。本研究通过代谢组学对深山含笑和红花深山含笑花瓣中的花青素类物质进行定性定量分析,共鉴定出27种代谢物,3组样品中均检测到矢车菊素,与前人研究结果(孙建霞等,2009)一致。在3组样品的两两比较中,上调最显著的差异代谢物均为矢车菊素3-芸香糖苷,说明矢车菊素3-芸香糖苷在红花深山含笑花色呈红色方面发挥了重要作用。Zhang等(2024)对4种不同花色紫花含笑(Michelia crassipes)的研究发现,矢车菊素3-芸香糖苷在其中3组紫红色样品中均显著积累且花瓣紫红色越深,其相对含量越高,而在卡其色花瓣中未检测到。本研究中的矢车菊素3-芸香糖苷的相对含量与花瓣红色度呈极显著正相关,即相对含量越高花色越深,其对花瓣红色度的贡献度在所有差异代谢物中最高,说明矢车菊素3-芸香糖苷可能是影响红花深山含笑花瓣红色度的关键花色苷。Lang等(2019)关于红花深山含笑(样品来源陕西西安)的研究中,发现其花瓣中的差异花青素以矢车菊素为主,其中矢车菊素 3-葡萄糖苷在红花中极显著上调;而本研究所鉴定出的关键差异代谢物为矢车菊素3-芸香糖苷,与其共享矢车菊素这一核心骨架,但二者的糖基化修饰不同,前者连接的是葡萄糖基,后者连接的是芸香糖基,推测是由于负责其糖基修饰的关键调控酶不同,从而导致这种差异。
6 深山含笑和红花深山含笑的差异代谢物分析
Fig. 6 Analysis of differential metabolites in Michelia maudiae and Michelia maudiae var. rubicunda
3 深山含笑和红花深山含笑的花青素差异代谢物
Table 3 Differential anthocyanins metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
注:—表示未检测到。
Note:—indicates not detected.
为进一步探讨本研究中差异代谢物,通过KEGG数据库对差异代谢物进行富集分析,筛选出3种关键差异代谢物,即矢车菊素3-芸香糖苷、矮牵牛素3-芸香糖苷和飞燕草素3-槐糖苷。目前研究广泛认为飞燕草素是形成蓝色花的主要色素,但大多数飞燕草素需要一些类黄酮作为助色素才能显出蓝色,其单独存在时显现紫红色(徐清燏和戴思兰,2004)。飞燕草素通过酶的进一步修饰形成了其衍生物矮牵牛素(王蕾等,2009),飞燕草素3-槐糖苷和矮牵牛素3-芸香糖苷的相对含量在LF中较高,说明其浅红色并非由单一红色系花青素决定,而是多色系花青素按特定比例混合的结果。因此,推测LF中类黄酮助色素含量极低或缺失,导致飞燕草素无法呈现蓝色,只能按其单独存在时显紫红色的特性,与矢车菊素协同最终呈现浅红色。
7 红花深山含笑花青素合成代谢通路
Fig. 7 Metabolic pathway of anthocyanin biosynthesis in Michelia maudiae var. rubicunda
花青素生物合成属于类黄酮代谢途径的一个分支,需要一系列酶的催化作用。该途径始于苯丙烷代谢途径,经过多个催化步骤最终形成花青素(Sunil & Shetty, 2022)。关于花青素合成相关结构基因和转录因子的研究表明,大多数合成酶相关基因(如CHSCHIF3’HDFRANSANR等)的差异表达可能是导致花朵呈现红色的主要原因(田蔼茜等,2023)。王宁杭(2019)对紫花望春玉兰(Magnolia biomdii)的花色研究结果显示,其花色突变是因为类黄酮合成途径中相关结构基因表达量的增加,导致了花瓣中的花青素积累差异;Lim 等(2020)在关于菊花(Chrysanthemum morifolium)花色的研究中,F3’H在菊花的花序中表达,促进花青素积累,进而导致花瓣呈现红色;此外,红花菊花中DFR的表达量显著高于白花菊花(Chen et al., 2012)。BZ1(Bronze 1)是一种花青素糖基转移酶,也称UFGT,Kobayashi 等(2001)的研究表明,葡萄(Vitis vinifera)的 BZ1 基因表达具有果皮颜色特异性,该基因仅在红色果皮中表达,而在白色果皮中不表达。根据KEGG 数据库绘制出红花深山含笑花青素生物合成通路差异代谢物的调控网络图,发现深山含笑和红花深山含笑在二氢山奈酚代谢途径的分支中有所差异,推测F3’5’HF3’HDFRANSBZ1等相关结构基因的表达量可能在不同花色的花瓣中存在差异,但本研究中的样本量较少且研究层面仅限于代谢组学,上述基因并未在红花深山含笑中进行验证。为探究红花深山含笑花青素类物质和功能基因的关联,后续需进一步开展转录组学和功能基因鉴定等研究。
本研究利用靶向代谢组学技术对深山含笑和红花深山含笑的花瓣中的花青素类物质进行了检测,共鉴定出27种代谢物,其中3种共有差异代谢物显著富集,分析了花青素在不同花色花瓣中的累积规律,探究了红花深山含笑红色深度与特定花色苷种类和含量之间的关联性。本研究结果为后续开展红花深山含笑花色呈色机理研究提供了参考,为花色遗传育种提供了一定的科学依据。
1 深山含笑和红花深山含笑的花朵样品
Fig. 1 Flower samples of Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
2 深山含笑和红花深山含笑花瓣样品的主成分分析(PCA)
Fig. 2 Principal component analysis (PCA) of Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda  petal samples
3 样品总离子流色谱图(正离子)
Fig. 3 Total ion chromatogram of sample (positive ion)
4 深山含笑和红花深山含笑的花青素代谢物聚类分析
Fig. 4 Cluster analysis of anthocyanin metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
5 深山含笑和红花深山含笑的差异代谢物OPLS-DA得分图与置换检验图
Fig. 5 OPLS-DA score plots and permutation test plots of differential metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
6 深山含笑和红花深山含笑的差异代谢物分析
Fig. 6 Analysis of differential metabolites in Michelia maudiae and Michelia maudiae var. rubicunda
7 红花深山含笑花青素合成代谢通路
Fig. 7 Metabolic pathway of anthocyanin biosynthesis in Michelia maudiae var. rubicunda
1 深山含笑和红花深山含笑花瓣的色彩值
Table 1 Color values of Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda  petals
2 深山含笑和红花深山含笑的差异代谢物 OPLS-DA模型分析数据
Table 2 OPLS-DA model analysis data of differential metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
3 深山含笑和红花深山含笑的花青素差异代谢物
Table 3 Differential anthocyanins metabolites in Michelia maudiae and M. maudiae var. rubicunda 
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