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近日，浙江省農(nóng)科院亞熱帶作物研究所張培安助理研究員為第一作者、劉冬峰副研究員為通訊作者，在《BMC Plant Biology》雜志發(fā)表題為“Identification of key genes controlling anthocyanin biosynthesis in the fruits of a bud variety of Tarocco blood-orange”的研究論文，研究聚焦中國(guó)常見(jiàn)的血橙（蕓香科柑橘屬）品種Tarocco及其在溫州發(fā)現(xiàn)的芽變品種Ouya（MT），討論了MT果實(shí)中花青素生物合成受抑制的品質(zhì)特性及分子機(jī)制。研究結(jié)果表明，MT果實(shí)具有更優(yōu)的糖酸比、更大的果實(shí)重量和尺寸，且成熟期比WT提前約1個(gè)月，具備較高的推廣價(jià)值。在分子水平上，研究人員鑒定出多個(gè)與花青素合成相關(guān)的差異表達(dá)基因、轉(zhuǎn)錄因子和甲基化相關(guān)基因，并通過(guò)WGBS+RNA-seq聯(lián)合分析，驗(yàn)證了DNA甲基化在花青素積累中的調(diào)控作用。這些發(fā)現(xiàn)不僅為血橙果實(shí)品質(zhì)改良提供了新的基因資源和靶點(diǎn)，也為其他柑橘品種的遺傳改良提供參考。易基因?yàn)楸狙芯刻峁┲匾?span>WGBS+RNA-seq技術(shù)服務(wù)，助力揭示花青素生物合成調(diào)控柑橘果實(shí)品質(zhì)的表觀新機(jī)制。

研究人員收集了Tarocco（野生型，WT）和芽變品種Ouya（MT）的果實(shí)，共九個(gè)發(fā)育階段，檢測(cè)其花青素、可溶性糖和有機(jī)酸含量，并在三個(gè)發(fā)育階段對(duì)轉(zhuǎn)錄組和代謝物進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，MT是一個(gè)新的花青素含量低、糖酸比優(yōu)于WT的血橙品種。與WT果實(shí)相比，MT果實(shí)中花青素的含量顯著降低，尤其是矢車菊素類花青素（cyanidin-like anthocyanins），而黃酮類化合物含量沒(méi)有顯著變化。在WT和MT的三個(gè)果實(shí)發(fā)育階段，共鑒定出64個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs），包括5個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（TFs）、5個(gè)甲基化相關(guān)基因和1個(gè)黃酮類生物合成基因。進(jìn)一步利用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）構(gòu)建這些TFs的潛在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。此外，經(jīng)5-氮雜胞苷（5-aza）處理的MT果實(shí)果肉中，積累的花青素以及一些花青素合成相關(guān)基因的啟動(dòng)子和基因區(qū)域存在低甲基化。這些結(jié)果為研究DNA甲基化對(duì)MT果實(shí)中花青素積累的作用提供了新的見(jiàn)解，并為推廣MT作為一個(gè)新品種提供支持。

圖形摘要：血橙果實(shí)色澤變化機(jī)制比較

 

易小結(jié)

該研究通過(guò)WGBS+RNA-seq技術(shù)聯(lián)合分析，深入探究了MT果實(shí)中花青素合成受抑制的分子機(jī)制。不僅為理解DNA甲基化對(duì)MT果實(shí)花青素積累的影響提供了新見(jiàn)解，而且為MT作為一種新的血橙品種的推廣提供了支持。

WGBS分析揭示了DNA甲基化在花青素合成相關(guān)基因調(diào)控中的重要作用，而RNA-seq則鑒定出多個(gè)與花青素合成相關(guān)的差異表達(dá)基因、轉(zhuǎn)錄因子和甲基化相關(guān)基因。這些發(fā)現(xiàn)不僅為血橙果實(shí)品質(zhì)改良提供了新的基因資源和靶點(diǎn)，也為其他柑橘品種的遺傳改良提供了參考。此外，本研究還強(qiáng)調(diào)了WGBS+RNA-seq技術(shù)在揭示植物次生代謝產(chǎn)物生物合成和調(diào)控機(jī)制中的重要作用，為未來(lái)類似作物研究提供了有力的技術(shù)支持和應(yīng)用范例，有助于挖掘更多與果實(shí)品質(zhì)相關(guān)的基因和調(diào)控元件，推動(dòng)農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

研究方法

植物材料：收集WT和MT果實(shí)樣本，每15天采集一次，共采集九個(gè)樣本，每個(gè)樣本包含10個(gè)果實(shí)。

外觀性狀分析：果實(shí)重量和尺寸；果皮和果肉顏色參數(shù)。

理化性質(zhì)檢測(cè)：可溶性固形物、可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C和總類胡蘿卜素含量；總花青素及其組分含量分析。

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（RNA-seq）：從開(kāi)花后（days after flowering，DAF）235、265和280天收集的WT和MT果肉中提取總RNA，分別命名為WT1 / MT1、WT2 / MT2和WT3 / MT3并進(jìn)行高通量測(cè)序，每個(gè)文庫(kù)包含40.8-85.2M的clean reads，與參考基因組比對(duì)，篩選出DEGs，并進(jìn)行KEGG和GO富集分析。

WGCNA分析：構(gòu)建共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、模塊和基因選擇以及模塊基因的功能分析。通過(guò)模塊特征基因與樣本性狀的相關(guān)性分析，篩選出與花青素含量和果實(shí)品質(zhì)性狀相關(guān)的模塊。

全基因組亞硫酸鹽測(cè)序分析（WGBS）+RNA-seq：經(jīng)5-aza處理235DAF收集MT果實(shí)，處理7天后，將果實(shí)切成兩半，取果肉樣本進(jìn)行RNA-seq和WGBS分析，分析其DNA甲基化水平和基因表達(dá)變化之間的關(guān)系。

結(jié)果圖形

（1）理化性質(zhì)

在160-235 DAF期間，WT果實(shí)的果皮顏色比MT果實(shí)更橙紅，而220 DAF之前，兩種品種的果肉顏色相似，均未檢測(cè)到花青素積累。220 DAF后，MT果肉顏色顯著淺于WT，WT果皮邊緣開(kāi)始變紅，隨后紅色逐漸向中心擴(kuò)散，到280 DAF時(shí)，整個(gè)果肉呈絲狀紅色，而MT僅邊緣有紅色。果皮和果肉的顏色參數(shù)在不同發(fā)育階段表現(xiàn)出顯著差異，反映了兩種品種果實(shí)顏色的變化。

在果實(shí)重量、尺寸、可溶性固形物（TSS）、可溶性糖和有機(jī)酸含量方面，MT果實(shí)的直徑和重量均顯著大于WT，280 DAF時(shí)MT果實(shí)重量為254.08g，WT為242.36g。MT的TSS含量在190DAF時(shí)超過(guò)15°Brix，而WT僅為12.91°Brix，且隨著果實(shí)成熟，MT的TSS、可溶性糖含量均顯著高于WT，而有機(jī)酸含量則相反，尤其是檸檬酸，導(dǎo)致MT的糖酸比在190 DAF后顯著高于WT。此外，280 DAF時(shí)，兩種品種果實(shí)果肉中的維生素C含量差異不顯著，但WT的類胡蘿卜素含量顯著高于MT。

圖1：Tarocco（WT）及其芽變品種（MT）在不同發(fā)育階段的外觀（A）及果皮和果肉中總花青素含量（B）。

 

（2）總花青素及其組分含量變化

兩種品種果實(shí)果皮和果肉中總花青素含量的變化趨勢(shì)與果實(shí)外觀變化相似，220 DAF之前未檢測(cè)到花青素。隨著果實(shí)成熟，果肉中總花青素含量相對(duì)較低，且在220和235 DAF時(shí)兩類品種間無(wú)顯著差異。從250 DAF到280 DAF，WT果實(shí)的果皮和果肉中總花青素含量均顯著高于MT。在235、265和280 DAF收集的果肉樣本中，共檢測(cè)到38種花青素和6種黃烷酮，其中矢車菊素類花青素含量相對(duì)較高，且隨著果實(shí)成熟，花青素含量在WT中顯著高于MT。此外還檢測(cè)到黃酮類化合物含量在WT中也顯著高于MT。在不同組間比較花青素和黃酮類化合物的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)235 DAF時(shí)WT和MT果實(shí)間有4種差異代謝物，265 DAF時(shí)有7種，280 DAF時(shí)有19種。在相同品種中，與235DAF相比，265 DAF和280 DAF大多數(shù)（分別為11種和9種）差異代謝物在WT和MT中共同差異合成。

圖2：不同發(fā)育階段 Tarocco（WT）及其芽變品種（MT）果肉中花青素組分熱圖（A）和維恩圖（B-D）。

參考文獻(xiàn)：

Zhang, P., Zhao, Q., Song, Y. et al. Identification of key genes controlling anthocyanin biosynthesis in the fruits of a bud variety of Tarocco blood-orange. BMC Plant Biol 25, 230 (2025). Doi:0.1186/s12870-025-06212-7.