Transcriptome profiling reveals the roles of pigment formation mechanisms in yellow Paeonia delavayi flowers
- 作者
- Hongzhu Zou, Lin Zhou, Lulu Han, JiHang Lv, YingHua Jia, Yan Wang
- 杂志
- Molecular Genetics and Genomics（2022）
- DOI
- 10.1007/s00438-022-01973-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析黄牡丹（Paeonia delavayi var. lutea）黄色花瓣形成的分子机制，特别是类黄酮和类胡萝卜素代谢途径中的关键基因及转录因子调控网络，为黄色牡丹分子育种提供理论基础。
研究策略
利用RNA-seq和全长ISO-seq对黄牡丹花瓣四个发育阶段（S1-S4）进行转录组测序，分析类黄酮和类胡萝卜素生物合成途径的差异表达转录本（DETs），并通过烟草瞬时过表达验证关键转录因子PdMYB2的功能。
研究路线图
核心内容
本研究以黄牡丹（Paeonia delavayi var. lutea）黄色花瓣为材料，通过RNA-seq和全长ISO-seq对四个发育阶段（S1–S4）进行转录组测序，旨在阐明黄色花瓣形成的分子机制。共获得103,240个全长异构体，N50长度为3,373 bp，其中25.52%的异构体未在公共数据库匹配，表明存在大量新转录本。共鉴定出22,912个差异表达转录本，S1 vs S4阶段差异最大。分析显示，类黄酮途径中CHS与THC2'GT协同合成异杷苷，CHS与FLS协同合成槲皮素和山柰酚；类胡萝卜素途径中PSY、CRTISO和CHYB调控叶黄素形成，CCD参与降解。预测到55个转录因子家族，bHLH和ARF家族数量最多。功能验证表明，花瓣高表达的PdMYB2在本氏烟中瞬时过表达可显著上调NtCHS和NtCHI转录水平。研究表明黄牡丹黄色由类黄酮和类胡萝卜素协同产生，受MYB等转录因子调控，为通过工程化提高异杷苷和叶黄素含量、降低花青素合成以培育黄色牡丹提供理论基础。
创新点
首次在牡丹中报道了类胡萝卜素代谢途径的完整基因表达图谱；深入解析了异杷苷（ISP）合成的分子机制；提出通过遗传工程提高黄酮醇和类胡萝卜素含量并减少花青素合成的育种策略。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类黄酮生物合成 | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 催化4-香豆酰-CoA和3分子丙二酰-CoA生成2',4',6',4-四羟基查尔酮（THC），高表达从S1到S4持续 |
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类黄酮生物合成 | THC2'GT | 查尔酮2'-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 将THC转化为异杷苷（ISP），Isoform0003192和Isoform0020672可能为关键基因 |
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类黄酮生物合成 | CHI | 查尔酮异构酶 | 催化 | 催化THC生成无色的柚皮素，表达量呈下降趋势，可能与ISP途径竞争有关 |
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类黄酮生物合成 | FLS | 黄酮醇合酶 | 催化 | 催化二氢山柰酚生成山柰酚和槲皮素，与CHS协同作用 |
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化GGPP生成15-顺式八氢番茄红素，表达从S1到S4上调 |
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | 类胡萝卜素异构酶 | 催化 | 参与番茄红素异构化，表达上调，影响叶黄素合成 |
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类胡萝卜素生物合成 | CHYB | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素生成玉米黄质等，表达上调，参与叶黄素形成 |
| Paeonia delavayi var. lutea（黄牡丹）花瓣 | 类胡萝卜素降解 | CCD | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | 降解类胡萝卜素，表达上调，与叶黄素积累负相关 |
| Nicotiana benthamiana（本氏烟）叶片 | 类黄酮生物合成调控 | PdMYB2 | MYB转录因子 | 调控 | 瞬时过表达显著上调NtCHS和NtCHI的表达（Isoform0011606） |
关键发现
- 共获得103,240个全长异构体，总长246,339,799 bp，N50长度3,373 bp，GC含量39.82%
- 26,351个异构体（25.52%）未在公共数据库匹配。共鉴定出22,912个DETs，其中S1 vs S4最多（7,433个上调，6,792个下调）。类黄酮途径中3个DETs，类胡萝卜素途径中4个DETs。CHS与THC2'GT协同合成ISP，CHS与FLS协同合成槲皮素和山柰酚
- PSY、CRTISO和CHYB调控叶黄素形成，CCD参与类胡萝卜素降解。PdMYB2（Isoform0011606）在花瓣中高表达，瞬时过表达使本氏烟NtCHS和NtCHI转录水平显著上调。共预测55个转录因子家族，bHLH和ARF家族数量最多（分别191和161个）。
研究结论
黄牡丹黄色花瓣的形成由类黄酮（ISP、槲皮素、山柰酚）和类胡萝卜素（叶黄素）协同作用产生，受bHLH、ARF、MYB等转录因子调控，其中PdMYB2可调控CHS和CHI表达。研究结果为通过基因工程提高ISP和叶黄素含量、降低花青素合成以培育黄色牡丹提供了方向和理论依据。