觀賞植物花青素合成調控機理及組學技術應用

Abstract：Flower color is animportant phenotypiccharacteristic of ornamental plants，which isof great significance inenhancing theircommercialvalue.Anthocyaninsarethemainsubstances forthepetal pigmentationofornamentalplants， andtheanthocyaninbiosynthesis ismainlyregulatedbytheinternal structural genesand transcription factorsof plants，in addition totheinfluenceof environment.Inrecent years，withthedevelopmentof research technology，thewidespreadapplicationof transcriptomics，metabolomics，and proteomics hasprovidednewmethodsand means for the studyof anthocyaninsynthesismechanism.Basedontheresearchresultsofanthocyaninbiosynthesisregulationinornamentalplantsathome andabroad，wereviewedthestructureofnthocyanins，biosyntheticpathways，keystructuralgenes，transcriptionfactors and the applicationofomics，and elaborated the regulatory mechanismof genes related to anthocyanin biosynthesis.The aim is toprovidetheoreticalreferenceforthemolecularimprovementofflowercolorandthebreedingof novelvarietiesofonamental plants.

Keywords： ornamental plants； anthocyanin biosynthesis；regulation mechanism；omics

觀賞植物的花色繽紛艷麗，其特殊表型對整個植株審美價值的提升具有重要意義[1]。花色素是影響花色形成的重要因素，研究發現植物色素的種類主要有類黃酮、生物堿和類胡蘿卜素[2]。花青素是自然界存在最普遍、分布最廣泛的次生代謝物質，是植物花色形成過程中最常見的一類類黃酮物質。花青素主要以糖昔基化的形式分布在植物的液泡中，是促使植物花瓣、葉片、種子、果實呈現不同顏色的主要色素物質[3]。此外，花青素還是植物應對環境脅迫的重要調控物質，可以減輕植物細胞遭受干旱、紫外線、真菌等外界脅迫造成的損傷[4]

前人對觀賞植物呈色機理進行了深入研究，發現花色、葉色等形成受環境因素和自身基因調控，環境因素包括pH值、光照、溫度、礦物質含量等[5]，但是觀賞植物自身基因的調控作用對花青素合成的種類及含量影響最直接。伴隨植物著色過程，一系列相關的結構基因及轉錄因子編碼的關鍵酶會調控花青素的生物合成，隨著科學技術的發展，高通量測序技術為觀賞植物花色呈色機制的組學研究提供了新的方法。

基于花青素合成相關的花色調控技術已經得到了廣泛的研究和應用，但是有關花青素積累與基因表達之間關系的研究還不夠深入，特別是組學技術在該領域的應用還不夠成熟、分析不夠全面。為了揭示觀賞植物花青素呈色機制，本文綜述了花青素的結構、生物合成途徑以及相關結構基因和轉錄因子的調控機理，并結合組學技術在相關方面的應用，解析不同基因表達與觀賞植物著色之間的關系，進一步揭示黃酮類色素的代謝途徑，為建立花青素的分子調控網絡提供參考，對觀賞植物花色的分子設計育種和優質品種定向選育具有重要參考價值。

1花青素的結構及生物合成途徑

1.1花青素苷的結構及種類

花青素又稱為花色素，是一類天然的水溶性植物色素物質，以糖苷基化形式穩定存在[7-8]。植物通過類黃酮途徑產生黃酮、黃酮醇、異黃酮、黃烷酮、花青素等代謝物，花青素生物合成途徑是類黃酮生物合成途徑的一個重要分支。許多觀賞植物富含花青素，在菊花（Chrysanthemum morifolium）[9]、紫羅蘭（Mauhiola incana）[10]、嘉蘭（Gloriosa superba）[11]、花毛茛（Ranunculus asiaticusL.）[12]大花卷丹（Lili-umleichtliniivar.maximowiczii）[13]矮牽牛（Petuniahybrida）[14等植物中均有相關報道。由于不同植物營養器官和生殖器官中花青素的含量和組成不同，所以植物產生了橙色、紅色、紫色和藍色等不同的顏色特征[15-16]。花青素經過糖基化、酰基化、甲基化修飾作用后形成花青素昔，花青素苷的結構較多，進而形成豐富的花色類型[17]。植物中常見的花青素有飛燕草色素、矢車菊色素、天竺葵色素、矮牽牛色素、錦葵色素、芍藥色素等，其中矮牽牛色素、錦葵色素由飛燕草色素甲基化衍生而來，芍藥色素由矢車菊色素甲基化衍生而來[18]。如圖1所示，當花青素花色基團的位置被不同基團取代會形成不同的花青素，產生相對應的花色，如橙色、紅色、紫色和藍色等。隨著花青素羥基化程度加深花瓣的顏色偏紫色，隨著甲基化、糖基化加深而紅色增強，隨著酰基化加深而藍色增強[19-20]

在植物的不同部位、不同發育時期花青素種類及含量存在差異，同時因氣候和栽培品種的不同花青素也存在較大差異。在高等植物中，花瓣豐富的色彩可以吸引各種動物進行傳粉和傳播種子，但也可能在野外被植物用作警告顏色[2I-22]。花青素可以有效過濾紫外線，使植物免受輻射損傷，同時花青素還可以增強植物對低溫脅迫的抵抗力[23]。植物果實的成熟需要適當的光刺激，紫外光作為植物可以感受的一種環境信號，影響類黃酮代謝途徑以及花青素的合成水平[24]，Kataoka等[25]研究發現紫外光可以增強桃（Prunuspersica）果皮中花青素的積累。

1.2花青素的生物合成途徑

花青素的生物合成途徑和基因調控網絡在許多植物中存在較為相似的模式，被認為是高度保守的[26]，如圖2所示，花青素苷主要在多個結構基因和調控因子的作用下，通過花青素生物合成途徑合成[27]。前人已從金魚草（Antirrhinummajus）、矮牽牛、蝴蝶蘭（Phalaenopsis）擬南芥（Arabidopsis thali-ana）卵葉牡丹（Paeoniaqiui）等觀賞植物中克隆分離出與花青素合成相關的關鍵基因，并對其功能進行了驗證[28-31]。苯丙氨酸作為花青素和其他黃酮類化合物生物合成的初始前體物質，在苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸4-羥化酶（C4H）、4-香豆酰輔酶A連接酶（4CL）、查爾酮合酶（CHS）、查爾酮異構酶（CHI）催化作用下合成無色的柚皮素，隨后柚皮素在黃烷酮3-羥化酶 （F3H ）、類黃酮 3^′ -羥化酶（F3^′H） 、類黃酮 ^3′，5^′ -羥化酶 （F3^′5^′H） 和二氫黃酮醇4-還原酶（DFR）催化作用下合成無色花青素[32-33]，最后不穩定的花青素通過花青素合成酶（ANS）、udp-葡萄糖-類黃酮3-O-葡萄糖基轉移酶（UFGT）轉化成穩定的花青素苷，呈現紅色、粉色、藍色、紫色等顏色。MYB、bHLH和WD4O等轉錄因子通過對花青素合成的關鍵結構基因進行轉錄調控，從而影響花色的形成[34-35] 。

PAL：苯丙氨酸解氨酶;C4H：肉桂酸4-羥化酶；4CL：4-香豆酰輔酶 A 連接酶;CHS：查爾酮合酶;CHI：查爾酮異構酶； F3H ：黃烷酮3-羥化酶；F3^′H ：類黃酮3'-羥化酶； F3^′5^′H ：類黃酮3'，5'-羥化酶;DFR：二氫黃酮醇4-還原酶;ANS：花青素合成酶;UFGT：udp-葡萄糖-類黃酮3-O-葡萄糖基轉移酶；GST：谷胱甘肽 s 轉移酶。

2花青素生物合成中的主要結構基因

苯丙氨酸解氨酶（ PAL） 是花青素生物合成前期的關鍵酶[36]，催化 L -苯丙氨酸脫掉氨轉化成反式肉桂酸。許多植物的花青素含量與PAL活性有關[37]]滇水金鳳（Impatiensuliginosa）的IuPAL1和IuPAL2基因在深紅色花被中的表達量最高，促進花青素的顯著積累[38]，戊糖代謝途徑中合成的苯丙酮酸在PAL 的作用下可減少與氨的結合，朝著花青素合成方向發展[39]。 PAL 是連接初級代謝和苯丙氨酸代謝的必需酶[40]，植物通過苯丙素途徑合成多種重要的次生代謝物質，除了生成花青素外，還生成木質素、類黃酮、植保素等物質。

查爾酮合酶（CHS）可以將1分子香豆酰CoA和3分子丙二酰CoA縮合成查爾酮，是黃酮類物質合成的關鍵聚合酶[41]。作為合成花青素等重要化合物的前體物質，查爾酮經過其他酶的催化作用合成不同的中間產物，包括黃酮、黃酮醇、異黃酮、白藜蘆醇、花青素等。Huang等[42]研究發現，馬纓杜鵑（Rhododendrondelavayi）的RdCHS1基因參與類黃酮的合成，在煙草中過表達RdCHS1基因，可使煙草的花色由淺粉色轉變為深粉色。CHS屬于一個多基因家族編碼的酶，在不同物種間CHS的結構具有一定的保守性。CHS基因在不同植物、不同組織器官中存在不同的表達和調控機制[43]，所以研究CHS基因的分子特性具有重要意義。

查爾酮異構酶（CHI）在植物體內一般以單體形式存在，但在不同物種或者不同組織中的相對分子量有差異。CHI催化查爾酮分子異構化形成（2S）-黃烷酮，再通過其他酶催化進一步衍生為黃酮類物質，包括黃酮、異黃酮、黃酮醇和花青素[44]。已有研究發現CHI基因可以促進類黃酮和花青素的合成，在日本牽牛（Ipomoeanil）中CHI基因編碼的EFP蛋白參與了類黃酮生物合成的早期階段，確保了類黃酮化合物的生成和花色素的沉積[45]；在擬南芥突變體中， CHI（tt5） 基因功能的喪失導致類黃酮和花青素含量降低，促使種皮變黃[46]

類黃酮 ^3′，5^′ -羥化酶 屬于細胞色素P450家族，可以催化二氫黃酮醇B環 3^′，5^′ 位置合成羥基化的類黃酮[47]。已有報道將桔梗（Platyc-odongrandiflorus） PgF3^′5^′H 基因轉化到煙草（Nicoti-anatabacum）中過表達，煙草植株合成花青素的種類和含量均呈增加趨勢，煙草花色由淺粉色轉變為品紅色[48]。前人研究發現豌豆（Pisumsativum）突變體由于缺乏 F3^′5^′H 基因，不能合成飛燕草色素和矮牽牛色素而出現粉色花，這兩種色素是野生型豌豆紫色花的主要著色物質[49]

二氫黃酮醇4-還原酶（DFR）是花青素合成過程中的關鍵節點調控酶，可催化二氫山奈酚、二氫楊梅素、二氫槲皮素3種黃酮醇分別合成無色天竺葵素、無色飛燕草素、無色矢車菊素[50-51]。DFR 基因在不同植物、不同組織器官、不同發育階段的表達存在特異性，有研究結果表明，DFR基因在菊花舌狀花初露伸長、花瓣伸長時表達水平升高，隨著花序的開放其表達水平逐漸降低[52]。Zan等[53]發現玫瑰（Rosarugosa）RrCCoAOMT1基因沉默時，過表達RrDFR1基因可以提高矢車菊素-3，5-雙葡萄糖苷和芍藥素-3，5-葡萄糖苷的含量，使紅色花瓣顏色更濃。

在花青素生物合成途徑末端，無色花青素在花青素合成酶（ANS）的作用下被催化轉變為有色的花青素[54]。作為花青素合成后期重要的調節酶，在擬南芥中發現ANS的活性位點由金屬離子、共底物和兩分子的底物類似物（二氫槲皮素）共同構成[55]ANS基因在觀賞植物花色素的呈色過程中發揮重要的調控作用[56]，有研究發現ANS基因的表達量與花青素的合成呈現正相關關系[57]，其功能的缺失會導致植物器官轉變為無色或白色。Aharoni等[58]發現抑制草莓（FragariaXananassaDuch.）ANS基因的表達導致有色花青素無法合成，使草莓花朵的顏色由粉色轉變成了白色。

黃酮醇合成酶（FLS）屬于2-氧酮戊二酸依賴型雙加氧酶（2-ODD）家族，是一種催化二氫黃酮醇轉化為黃烷醇的可溶性酶[59]。Luo等[60]研究結果表明，在類黃酮生物合成通路中FLS和DFR共同競爭底物二氫黃醇酮，分別合成無色黃醇酮和有色花青素。FLS基因在觀賞植物著色過程中發揮重要的調控作用，已有研究結果證明矮牽牛FLS基因的反義表達減少了黃酮醇的合成，促進花青素的生物合成，使花瓣和花絲由淺粉色變為紅色[6]；草原龍膽（ Eu #stomagrandiflorum）反義表達FLS基因的植株比未轉化植株的花瓣顏色更紅[62]

UDP-葡萄糖-類黃酮3-O-葡萄糖基轉移酶（UF-GT）通過將花青素昔元的C-3位糖基化形成穩定的花青素苷，然后花青素昔被轉運到細胞液泡中[56，63]。UFGT可以在花青素疏水分子中加入糖殘基，增加花青素的溶解度和穩定性，促進花青素昔的形成，花青素昔通過分子間和分子內的堆疊效應影響花瓣顏色[64]。已有報道日本牽牛花（Ipomoeanil）和圓葉牽牛花（Ipomoeapurpurea）突變體的UF-GT基因發生移碼突變而喪失活性，導致花朵中花青素積累量減少了約 80% ，突變體花色因此變淺[65]

3花青素生物合成相關轉錄因子

花青素生物合成主要通過轉錄因子在轉錄水平對結構基因進行調控完成[26]。迄今為止，已發現MYB、bHLH、WD4O、鋅指（Zincfinger）、MADS和WRKY等轉錄因子可以調控花青素的生物代謝過程[66-67]。To等[68]報道在花青素合成通路中，MYB、bHLH和WD40這3個主要轉錄因子家族特異性調控結構基因的表達，進而影響花色素的合成。

3.1 MYB類轉錄因子

MYB轉錄因子具有兩個不同的功能域，一個高度保守的MYBDNA-binding結合域和一個可調控蛋白質活性的C-terminal調節域[9]，根據MYB結構域的重復次數，MYB被分為4大類，即R1、R2R3、R1R2R3和4R-MYB[70]。通過對擬南芥[71]和玉米（Zeamays）[72]R2R3-MYB的研究發現該基因家族的規模較大，盡管MYB結構域外的氨基酸序列存在差異，但仍有一些保守的基序有助于識別R2R3型MYB轉錄因子DNA結合域外的功能域。植物中的R2R3-MYB家族成員已被證實主要參與調控花青素的生物合成[73]。R2R3-MYB可以作為正調控因子和負調控因子調控植物不同器官中花青素合成的種類和含量水平[74]

已有研究發現，在園藝植物中過表達MYB基因能夠促進花青素的積累[75-76]，在蘋果果皮中過表達藍星睡蓮（Nymphaeacolorata）NcMYB25基因，可以顯著增加果皮花青素的含量[7]。過表達AN4（R2R3-MYB編碼基因）可以促進矮牽牛CHS、F3H和DFR基因的表達，進而增強花青素的生物合成[78]。對牡丹（Paeoniasuffruticosa）轉錄因子PsMYB114LPsMYB12L基因進行異源表達，發現這兩個轉錄因子特異性調控DFR和ANS基因表達，促進花青素的沉積[79]。在蝴蝶蘭研究中發現Pe-MYB2PeMYB11和PeMYB12轉錄因子可以激活3個下游結構基因F3H、DFR和ANS的表達，促進花瓣中花青素生物合成，這3個PeMYB還參與了單個花不同部位的色素沉著，促進萼片和花瓣中紅色斑點及脈紋狀表型的形成[80] 。

MYB類轉錄因子可以與結構基因共同作用，抑制花青素的生物合成。已有報道發現，菊花Cm-MYB4和 CmMYB5 轉錄因子基因異源表達導致花青素含量降低[81]， PtrMYB182 轉錄因子基因在楊樹（Populus species）中過表達降低了花青素的積累[82]在葡萄（Vitisvinifera）中R2R3-MYB轉錄因子基因的表達水平與色素沉著密切相關[74]，R2R3-MYB轉錄因子基因在煙草中異源表達可以抑制花青素合成，使花瓣幾乎轉變為白色[58.83]。Albert等[84]研究發現，PhMYB27是矮牽牛花青素生物合成的抑制因子，RNAi轉錄因子PhMYB27增加了矮牽牛花青素積累，而過表達則降低了其花青素的生物合成。通過郁金香（TulipagesnerianaL.）TgMYB4轉錄因子基因在煙草中過表達，發現ANS和DFR基因的轉錄水平嚴重降低，抑制了花青素的合成，減少了花瓣中色素沉積[85]

3.2 bHLH類轉錄因子

bHLH轉錄因子由氨基酸末端的堿性結構域和羧基末端的 α 螺旋-環- ?α 螺旋結構域（HLH結構域）組成，每個結構域是由60個左右保守氨基酸殘基構成的多肽序列。堿性結構域參與bHLH轉錄因子與DNA順式元件E-box或G-box結合，HLH結構域由兩個含有疏水殘基的 α 螺旋形成二聚體，改變不同信號通路靶基因的表達[86]。bHLH作為調控花青素合成的重要的調控因子，可以與結構基因的啟動子結合激活對應基因的活性，在花青素生物合成通路中發揮重要作用[87-88] O

bHLH通過直接調控結構基因（DFR、ANS、UF-GT）的表達水平調控花青素的生物合成。在石斛（Dendrobium）中通過轉錄組分析鑒定到DhbHLH1轉錄因子，DhbHLH1可以與DhMYB2結合激活花瓣中DhDFR和DhANS基因的啟動子，調控花青素的生物合成[89]。擬南芥中與黃酮類合成相關的bHLH已被歸為IIIf亞組[90]，bHLH轉錄因子AtGL3、AtEGL3和AtTT8通過調控結構基因，參與了花青素的積累[91]。bHLH在花青素合成途徑中可以發揮正向調控的作用，通過蓮花（Nelumbonucifera）NnTT8基因異源過表達分析發現， NnTT8 正向調控花青素和原花青素（PA）的生物合成，與擬南芥AtTT8具有類似的功能[92]。從矮牽牛中鑒定出AN1和JAF13（bHLH1）轉錄因子可以直接激活dfrA基因的表達，促進色素在花瓣中積累[93]。前人研究發現，bHLH還可以負調控花青素的生物合成，蠟梅（Chimonanthuspraecox）Cp-bHLH1轉錄因子通過抑制類黃酮生物合成途徑后期基因（LBG）的表達來抑制花青素的沉積[94]。Zhao等[95]研究發現，LcbHLH92通過激活JAZ基因來抑制TT8的表達，導致基因DFR和ANS的表達活性下降，起到顯著降低花青素積累的作用。

3.3 WD40轉錄因子

WD40蛋白也稱為WD重復蛋白（WD-repeatprotein），由4＼～16個高度保守的WD40特征基序構成。每個保守的特征基序從N末端甘氨酸-組氨酸（G-H）對開始，到C末端天冬氨酸-色氨酸（W-D）對結束，也被稱為 Trp-Asp 基序[96-97]，每個基序由4個反式折疊組成[98]。WD40蛋白在植物體中最重要的功能之一是參與花青素生物合成的調控[9-100]，，通過WD40結構域與其他轉錄因子結合協同調控花瓣中色素沉積，所以WD40轉錄因子的發現進一步完善了花青素生物合成機制理論。

前人研究發現矮牽牛PhAN11基因編碼的WD40蛋白可以激活PhAN2的轉錄，促進花青素的合成[I]，而擬南芥TTG1轉錄因子與矮牽牛AN11高度同源，可以誘導DFR基因的表達，調控花青素的積累及葉表皮毛的形成，TTG1基因的缺失會嚴重影響這些發育過程[102-103]。Saito等[63]在紫蘇（Peril-lafrutescens）葉色研究中鑒定到了調控花青素合成的PFWD蛋白，在擬南芥中過表達PFWD基因能夠使花青素的合成增強，An等[104]從蘋果（Malus pum-ila）中克隆到WD40基因MdTTG1，并通過在擬南芥中異源表達，鑒定出MdTTG1為調控花青素積累的關鍵基因。小蒼蘭（Freesiahybrida）WD40基因FhTTG1與花青素和原花青素的合成同步表達，FhT-TG1可能與轉錄因子FhbHLH相互作用，正向調控與花青素、原花青素合成及毛狀體形成相關的基因，進而影響相關發育過程[105] O

3.4轉錄因子MBW復合物的調控作用

花色調控因子R2R3-MYB、bHLH與WD40相互作用組成復合體（MBW）[35，106]，可以激活參與花青素、原花青素合成相關結構基因的活性。MBW復合體通過與結構基因的啟動子特異性結合，實現對花青素生物合成途徑的調控作用[107-108]，但是這些結構基因的功能在不同物種之間存在差異[106]。在擬南芥中茉莉酸（JAs）誘導JAZ蛋白降解，使JAZ蛋白對bHLH和MYB的抑制作用解除，MBW復合體的調控活性恢復，促進了花青素的合成和毛狀體的產生[109]。月季中RcMYB與RcbHLH（RcbHLH42和RcEGL1）、RcTTG1結合形成兩種MWB復合體，通過瞬時表達發現這兩種復合體以功能冗余的方式正向調控花青素的合成[110]。Gu等[1]發現斑點牡丹PsMYB12與bHLH和WD40蛋白相互作用形成復合體，可以激活色斑中PsCHS基因特異性表達。苜蓿（Medicagotruncatula）花中MtTT8、MtWD40-1與MYB轉錄因子MtPAR相互作用，激活花青素還原酶（ANR）和花青素合成酶的活性，調節花青素的生物合成[112]。紫葉茶樹（Camel-liasinensis）中R2R3-MYB轉錄因子CsAN1特異性激活CsGL3（bHLH），結合WD-repeat 蛋白CsTTG1，形成MYB-bHLH-WDR（MBW）復合物，促進花青素合成途徑后期結構基因（LBG）表達，調控花青素積累[113]

4組學研究在觀賞植物中的應用

4.1轉錄組學在觀賞植物研究中的應用

轉錄組學是生物體在一定發育階段或特定功能狀態下，通過對基因的結構和功能進行研究，揭示該生物生長發育特征分子機制的一種分析技術。轉錄組學從特定組織或者特定細胞的整體層面對基因的表達情況進行分析，從根本上對轉錄出來的mRNA集合進行研究。轉錄組測序（RNA-seq）技術是通過對cDNA序列進行測序得到大量read片段，再經過特殊的運算方法，最終獲得基因片段表達水平[114]的一種高通量測序技術。基于下一代測序（NGS）的RNA-seq技術已被廣泛應用于鑒定園藝作物的關鍵調控基因[15-7]。李婧[118]利用 Illumina Hi-Seq 技術對三色堇（Viola×WittrockianaGams.）花瓣進行高通量測序，與公共數據庫進行比對，挖掘出了參與花青素和類胡蘿卜素生物合成的關鍵基因，并在不同花色品種中對基因功能進行了表達分析，揭示了三色堇花斑形成的分子機理。Qu等[119]對不同花期的綠絨蒿（Meconopsis）開展轉錄組測序和生物信息學分析，鑒定出5個調控花色變化的重要差異基因。Shi等[120]基于Illumina Hi-Seq技術對黃色和紫紅色牡丹花瓣進行了大規模轉錄組分析，共篩選出4個在紫紅色花色形成過程中發揮關鍵作用的結構基因和轉錄因子，為今后更好地解析牡丹花著色機理提供了關鍵的基因靶點。

基于IlluminaSolexa平臺的高通量測序技術作為挖掘花色相關基因和解析花瓣呈色機制的高效技術手段，在觀賞植物中得到了廣泛應用，如石蒜花（Lycoris radiata）[121]、甘菊（Chrysanthemum lavandul-ifolium）[122]、馬蹄蓮（Zantedeschia aethiopica）[123]，木槿（Hibiscussyriacus）[i24]等，這些分析結果為植物色素沉著的分子機制研究提供了大量有價值的基因資源，為次生代謝物合成相關調控基因的挖掘提供了重要的途徑。

4.2代謝組學在觀賞植物中的應用

代謝組學是對某一生物體、組織或細胞中的所有低相對分子量（通常是指相對分子量 lt;1 000 ）代謝產物進行定量和定性分析的新興技術。通過檢測分析植物在正常生長發育條件下與特殊環境或者處理下生成的差異次生代謝物，來揭示其生命活動的變化規律[125]。根據植物中代謝物的差異變化也可以反映出植物生長環境的動態變化。利用樣本圖譜的檢測、識別技術，對代謝過程中次生代謝物的富集、消耗及分布進行研究、驗證，找出可能與之相關的生物標志物[126]，可以對生物體的生理狀態作出一定的判斷。

代謝組學在園藝植物花色研究方面已被廣泛應用，通過分析差異代謝物的沉積規律，揭示花青素類物質的生物合成途徑和花色呈色機制[127]。Park等[128]利用代謝組學分析了白色、紫色和紅色杜鵑（Rhododendronschlippenbachii）表型的變化和代謝物的積累，鑒定出40種差異次生代謝物，發現紅色花的花青素積累量最高，主要成分是矢車菊素。Shen等[129]利用代謝組學對紫葉茶新品種ZX進行了研究，發現紫葉茶中與花青素合成相關的代謝產物含量保持了較高水平，而在綠葉茶中與葉綠素、類胡蘿卜素合成有關的代謝產物含量較高，這些發現有助于解析紫葉茶葉色的形成機制。Su等[130]采用代謝組學對玫瑰品種ChenXi在不同光照條件下花瓣中類黃酮代謝物進行了研究，發現不同處理間有56種類黃酮化合物存在差異，主要富集在異黃酮、類黃酮、黃酮和黃酮醇、苯丙素以及花青素的生物合成途徑中，分析認為花青素是引起玫瑰花在光照下轉變為紅色的主要原因。陳勇等[131]通過代謝組學分析發現，洋紫荊花（BauhiniavariegataL.）不同顏色花瓣積累的花青素種類存在差異，紫紅色花瓣積累的主要是錦葵色素衍生物和飛燕草色素衍生物，白色花則以天竺葵色素衍生物為主。此外，通過代謝組學研究與植物色澤相關的次生代謝物還有較多報道，如Ai等[132]對建蘭（Cymbidium ensifolium）的研究、Zhao 等[133]對睡蓮（Nymphaea）的研究、Sawada等[134]對菊花的研究以及桑賢東等[135]對大紅花（Hibiscusrosa-sinensis）的研究。

4.3蛋白質組學在觀賞植物中的應用

蛋白質組學是從生物體或者細胞水平研究某一生理過程的全部蛋白質，分析這一過程中蛋白質的差異表達、修飾作用及蛋白質之間的互作等規律，從而揭示某一生命活動的生理或者分子機制的一種分析技術[136]。目前蛋白質組學主要有雙向分離凝膠電泳技術、質譜分析技術、同位素標記相對和絕對定量技術、蛋白質芯片技術、免疫共沉淀技術等，其中同位素標記技術（iTRAQ）和串聯質譜標記技術（TMT）操作效率和靈敏度較高，廣泛用于蛋白質分析研究[137]。觀賞植物著色相關基因在植株生長發育不同時間、不同部位表達情況并不完全相同，所以有必要進行多時期、多部位、多水平的蛋白質組學研究，建立色澤形成的功能蛋白質庫和基因庫，為觀賞植物種質資源創制、分子輔助育種提供理論基礎。

蛋白質是各種生命活動的承擔者和執行者，通過對蛋白質類物質進行分析，從生物化學角度探究觀賞植物表型特征[138]，有助于揭示其花色形成機理。吳欣欣等[139]采用雙向電泳和蛋白質質譜鑒定技術，對紅色和白色跳枝梅（PrunusmumeFubanTiaozhi）花蕾的差異表達蛋白質進行分析，共鑒定到表達豐度差異達到2倍以上的蛋白質21個，對其中12個關鍵蛋白質編碼基因在分子水平進行分析，發現與信號轉導相關的生長素結合蛋白質、與茉莉酸甲酯合成相關的丙二烯氧化物環化酶可能是導致梅花顏色差異的關鍵因子。為了探究紅掌（Anthuriumandraeanum）佛焰苞顏色變化的機理，高樂[i40]以紅色野生型及玫瑰紅、白色突變體為研究對象進行蛋白質組學研究，鑒定到21個參與類黃酮合成、葡萄糖代謝、抗逆性、基因調節和信號轉導等生命活動過程的功能蛋白，推測這些蛋白質的差異表達是花朵呈現不同顏色的主要原因。李林寶[141]在蓮大灑錦色斑區蛋白質組學研究中鑒定到參與花青素生物合成的差異表達蛋白質（酶）9個，其中有6個酶在著色區域呈上調趨勢，特別是ANS和CHII對花青素在色斑區的積累影響顯著[141]。通過蛋白質組學對觀賞植物花色呈色機理進行解析，為關鍵基因挖掘研究提供了理論基礎，對花色分子改良具有重要意義。

4.4多組學聯合在觀賞植物中的應用

采用轉錄組學、代謝組學、蛋白質組學等多組學進行聯合分析，探究不同基因、次生代謝物、蛋白質的差異表達及互作關系，已成為解析觀賞植物花色素苷合成、花色調控機制的方向和熱點。Fan等[142]通過代謝組學技術和高通量測序技術對草原龍膽雙色花發育過程中與花青素生物合成途徑的差異表達代謝物與差異表達基因進行聯合分析，挖掘了調控網絡中關鍵基因與代謝物的關聯性，為揭示草原龍膽雙色花形成中花青素積累的分子機制奠定了基礎。

為了探究鹿角杜鵑花色變異的分子機制，Xiao等[143]以淺粉色、紫色花為研究對象進行代謝組學與轉錄組學聯合分析，挖掘了與呈色相關的代謝產物、關鍵基因和轉錄因子，發現隨著RIF3GT1表達量的增加和RILAR、RANR表達量的降低，錦葵色素-3-0-葡萄糖昔和芍藥色素-3-0-葡萄糖苷的表達量增加，使鹿角杜鵑花呈現紫色，研究還發現轉錄因子RIMYB4、結構基因RILAR與代謝物蘋果苷-3-O-葡萄糖昔和豌豆昔-3-O-葡萄糖昔之間存在調控關系。吳艷梅[144]通過轉錄組學和蛋白質組學的聯合分析解析華麗龍膽（Gentianasino-ornata）藍色花呈色機制，篩選出1247個差異表達基因和825個差異表達蛋白質，鑒定出與花青素生物合成相關的關鍵基因 F3^′5^′H 、5GT、5AT及聚類基因群（包括3GT、UF3GT，DFR，ANS，bHLH， ，推測這些基因調控飛燕草素苷的生物合成、修飾、轉運等過程，可能是華麗龍膽花冠呈藍色的關鍵基因。Deng等[145]綜合運用代謝組學和蛋白質組學技術對蓮花花瓣紅白雙色模式進行分析，發現花青素3-0-葡萄糖基轉移酶（UF-GT）積累的減少導致花瓣白色部分花青素糖基化失敗，使花瓣不同部位花青素苷差異沉積，形成紅白雙色花。楊娟[146]以紫色和白色燕子花（Iris laevigata）為試驗材料，通過轉錄組學、代謝組學和蛋白質組學聯合分析發現，紫色燕子花中花青素種類和含量顯著高于白色花，特別是飛燕草色素大量積累，而轉錄因子IIMYB4和IIMYB5競爭與IbHLH3結合，促進IANR表達量增加，使白色花中花青素的生物合成通路受到阻礙進而抑制花青素的合成。

5展望

觀賞植物花青素生物合成受結構基因和調控因子的共同作用，隨著組學的應用，科研人員對觀賞植物呈色機制的研究將更加深入。挖掘與花瓣著色相關的關鍵基因并對其功能進行驗證，采用基因改良技術使花色研究朝滿足市場需求的方向發展，將為觀賞植物花色改良和分子輔助育種提供理論參考。

隨著高通量測序技術、代謝組學、蛋白質組學等的發展和完善，不同組學聯合解析在觀賞植物花色形成和基因網絡調控方面具有廣闊的應用空間。花色素的積累是一個復雜的代謝過程，涉及到的差異基因、代謝物、蛋白質相對較多，目前相關代謝調控網絡研究還不夠完善，因此通過多組學聯合從多維度解析花色素積累的調控機制尤為重要。結合表觀遺傳特征，從不同角度深入挖掘影響差異表型形成的基因資源，為花色調控提供理論基礎。

觀賞植物的花瓣除了具有全色以外，還具有雙色、斑狀、霧狀、茶色等特殊表型，例如雙色大麗花、斑狀百合、茶色草原龍膽等具有較高的商業價值，廣受市場歡迎。觀賞植物這些特異性狀相對穩定，但是其分子遺傳規律很少被揭示，采用較先進的技術分析手段，揭示背后控制這些性狀的主效基因和轉錄因子，可以為觀賞植物種質創新和花色改良育種提供理論基礎。

環境因素影響觀賞植物花青素苷的穩定性，基因與環境的互作可以調控花色的表型，環境因子通過影響花青素合成關鍵基因的表達來調控花色素的積累。挖掘不同環境因子的信號轉導方式，分析環境對關鍵基因表達的影響及其與呈色物質積累的關聯性，對觀賞植物栽培過程中環境因子的調控和觀賞植物觀賞價值的提高具有重要意義。

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（責任編輯：黃克玲）