北美鹅掌楸的花为何有一个亮橙色的带?转录组学与代谢组学联合分析为您揭秘

图片中这种美丽的花是北美鹅掌楸的花。图中可见,在花瓣的根部附近有一个亮橙色的带,为什么北美鹅掌楸的花有一个亮橙色的带呢?转录组学与代谢组学联合分析为您揭秘!

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美丽的花朵不仅可以供我们观赏,花瓣的颜色也是吸引传粉者以确保繁殖成功的主要花卉特征。花色的多样性主要由三大类色素构成:类黄酮、类胡萝卜素和甜菜碱,这些色素合成相关基因表达的精确时空调节产生了特定的着色模式。

北美鹅掌楸(Liriodendron tulipifera)在花瓣的根部附近有一个亮橙色的带,其花瓣带着色的发育、调控和生化基础尚不清楚。文章结合了鹅掌楸物种的转录组学和代谢组学,对有助于花瓣橙色带形成的主要色素进行了鉴定,并定义了可能的转录调控机制。

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杂志:Horticulture Research
影响因子:5.404
发表时间:May 2020
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41438-020-0287-3#Sec1

摘要

北美鹅掌楸(Liriodendron tulipifera)是一种流行的观赏性园艺植物,其特别的郁金香形的花基部附近有一条橙色带。北美鹅掌楸花在发育过程中,花瓣带特异性色素沉着的机制尚不清楚。研究者通过多组学联合分析,结合非靶向和靶向代谢组学以及转录组学,对花瓣带中被特异性激活的类胡萝卜素生物合成的级联途径进行了鉴定。比较分析北美鹅掌楸和鹅掌楸杂交种的类胡萝卜素代谢产物表明,γ-胡萝卜素,一种植物中罕见的胡萝卜素,是最有可能导致花瓣带着色的橙色色素。对发育中的花瓣的表型和转录组分析表明,带区首先是由绿色损失预先确定的。再通过分别局部激活和抑制类胡萝卜素和叶绿素生物合成基因来维持该条带。胡萝卜素生物合成的两个限速基因,类胡萝卜素异构酶(CRTISO)和ε番茄红素环化酶(ε-LCY),编码负责在花瓣特定条带橙色色素沉着的核心酶。与中国鹅掌楸相比,北美鹅掌楸中有一个额外的ε-LCY拷贝,作者推测该拷贝可能有助于形成独特的花瓣着色图案。综上所述,该研究首次提供了鹅掌楸花着色中的代谢组和转录组动力学,并为花卉育种或代谢工程以及了解早期木本被子植物的花卉进化提供了宝贵的资源。

主要结果

研究者采集了北美鹅掌楸花四个不同阶段的花瓣,用于转录组和代谢组学分析。非靶向代谢组的时间过程数据集中共获得4799种代谢物,它们在至少两个阶段之间显示出显著差异(p <0.05)。根据聚类分析和KEGG富集分析,发现类胡萝卜素可能在北美鹅掌楸的花瓣着色中起关键作用。转录组测序共获得224,245个unigene,对其中63.22%(141,781)的基因进行了功能注释。所有样本中unigene表达发生显著变化的基因进行了聚类分析,结果显示了鹅掌楸花发育过程中的阶段/组织特异性转录组特征。转录组数据分析表明,在北美鹅掌楸花瓣中,基因表达的局部转录调控可能会导致类胡萝卜素的生物合成和积累,使花朵发育过程中花瓣带着色。靶向代谢组学进一步证实类胡萝卜素在北美鹅掌楸花瓣带着色中的作用:特定位点γ-胡萝卜素的局部积累可能是导致北美鹅掌楸花开花过程中花瓣带着色的关键过程。胡萝卜素关键酶的动力学分析显示,检测到的ε-LCY基因在花瓣的下侧相比于萼片和花瓣的上侧上调。

北美鹅掌楸花瓣发育的转录组分析

北美鹅掌楸花瓣发育的转录组分析

北美鹅掌楸花瓣发育中涉及着色的基因

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鹅掌楸杂交种花瓣中四种胡萝卜素的含量

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