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动态代谢组和转录组学揭秘如何打造金花茶的“金色”魅力

来源：花匠小妙招时间：2025-04-24 16:01

2024年11月，广西植物研究所特色植物保育及利用创新团队在Horticulture Advances期刊在线发表了题为“Dynamic metabolomic and transcriptomic profiling reveals yellow flower development in , a rare continuously flowering golden ”的研究论文。该研究解析了一种稀有的金花茶（）黄色花发育过程中，代谢物积累和基因表达的变化，鉴定了调控类黄酮生物合成通路的关键基因和代谢物，研究结果对于揭示黄色花形成的分子机制和加速金花茶组植物的育种进程具有重要意义。迈维代谢提供了代谢组、转录组检测与迈维云平台分析服务。

期刊：Horticulture Advances

时间：2024年11月

单位：广西植物研究所

金花茶组（）植物有“山茶花皇后”、“植物届大熊猫”的美称，是著名的观赏植物，为山茶科山茶属中唯一开黄花的类群。由于独特的黄色花属性，金花茶组植物是开展山茶属种质创新的优质材料。此外，由于金花茶组植物富含多种有益的次生代谢物（例如黄酮、多酚等），以其花、叶为原材料制作的茶饮品深受市场欢迎，因此，具有较高经济价值。然而由于物种自身的稀有性，以及金花茶黄色花发育的分子机制缺乏，导致金花茶组植物的育种进程十分缓慢，从而限制了对这一类珍稀物种的进一步开发和利用。本研究以一种稀有的连续开花型四季花金花茶为研究对象，对不同发育时期的花进行代谢组和转录组综合分析，以阐明黄色花形成过程中代谢物差异积累和基因差异表达的模式，有助于深入揭示金花茶组植物黄色花形成的分子机制，从而加速其育种进程。

1.代谢组学分析

根据花芽的分化程度，将开花过程划分为幼蕾期（S1）、初蕾期（S2）、显色期（S3）、膨大期（S4）和盛开期（S5）。基于UPLC-MS/MS对不同花发育阶段的样品进行了广泛靶向代谢物检测，共检测到1160个代谢物，共分为 15 个主要类别，其中黄酮类代谢物（21.6%）最为丰富，其次是酚酸（19.1%）和脂质（9.6%），这些结果表明，黄酮和酚酸代谢是花朵发育过程中的关键过程。K-means 聚类分析将代谢物分为两个具有不同积累模式的Cluster。Cluster I包含 212 种代谢物，在发育过程中呈现先增加后减少的趋势，而Cluster II 包含 340 种代谢物，则呈现持续上升的趋势。KEGG富集分析结果表明，亚油酸代谢在花朵发育的早期阶段发挥着核心作用，随着花朵的成熟，其代谢逐渐转向黄酮类生物合成。对Cluster II 中的55 种关键黄酮类 DAMs进一步分析发现，其中包括 25 种黄酮醇、19 种黄酮、4 种黄烷酮、3 种查尔酮、2 种异黄酮和 2 种其他类型的黄酮，表明黄酮类化合物，尤其是黄酮醇和黄酮的大量积累，可能促进了黄色花形成（图1）。

图1 金花茶花发育五个阶段的广泛靶向代谢组学分析

2.转录组分析

为研究黄色花形成过程的基因表达谱，本研究同步分析了5个花发育时期的转录组，从中鉴定了21152个差异表达基因。在 S1_vs_S2、S1_vs_S3、S1_vs_S4 和 S1_vs_S5 之间的比较中，分别检测到 5473、10403、14310 和 17003 个DEGs。K-means 聚类分析将 21152 个 DEGs 分为四个Cluster，每个Cluster都表现出不同的表达模式。DEGs的GO富集分析结果表明，DEGs主要富集在细胞分裂周期、光合系统 I、膜锚定成分和细胞分裂周期阶段转换等生物学过程中，表明这些过程在金花茶花发育中发挥着重要作用。DEGs的KEGG富集分析结果表明，DEGs 主要富集在光合作用通路和黄酮类生物合成通路。光合作用通路在花发育的早期阶段占主导地位，而黄酮类生物合成通路随着花朵的成熟而逐渐增加，这可能与黄色花瓣的形成有关。此外，作者在DEGs 中预测到902个来自55个家族的转录因子（TFs）和176个来自19个家族的转录调节因子（TRs）。这表明转录因子和转录调节因子在金花茶花发育的基因表达调控中发挥着重要作用。qRT-PCR 验证了转录组结果，提供了金花茶花发育过程中基因表达变化和调控机制的重要信息（图2）。

图2 金花茶花发育五个阶段的转录组学分析

3.转录组与代谢组联合分析

对差异积累代谢物和差异表达基因的生物通路分析均发现了黄酮类生物合成通路的显著富集，表明类黄酮生物合成在黄色花发育过程中发挥重要作用。在黄酮类生物合成通路中，本研究共鉴定了50个功能已知的关键基因和17个关键代谢物，并分析了它们之间的相互作用网络（图3）。

图3 金花茶花中的黄酮类生物合成通路

4.通过 WGCNA 分析识别黄酮合成途径中的hub基因

通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）进一步确定了来自家族的基因可能在黄酮类生物合成调控网络中发挥的核心作用（图4），并绘制了金花茶花黄色花发育的分子机制示意图（图5）。

图4 基因和代谢物的共表达网络分析

图5 金花茶花黄色花发育的分子机制示意图

本研究通过广泛靶向代谢组和转录组的综合分析，明确了黄酮类化合物及其生物合成途径在金花茶黄色花发育中的重要调控作用，并鉴定了50个关键基因和17个关键代谢物，以及识别了它们之间的相互作用网络。研究结果为金花茶黄色花发育的分子机制提供了新的见解，为今后金茶花组植物的分子育种和金茶花资源的利用提供了科学基础。