本研究通过整合代谢组和转录组分析，揭示了三种不同豆荚颜色豌豆（Pisum sativum L.）花青素生物合成的分子机制。以绿色豆荚品种‘奇珍’（QZ）、黄色豆荚品种‘丰蜜’（FM）和紫色豆荚品种‘紫玉’（ZY）为材料，发现ZY豆荚的花青素总量最高。代谢组分析鉴定出Delphinidin-3-O-galactoside等四种花青素衍生物在ZY中特异性高积累，是导致其紫色的关键。转录组分析显示，ZY中花青素生物合成通路的关键基因（PAL, 4CL, CHS, F3H, UFGT）表达显著上调。BSA-seq将控制豆荚紫色的候选区间定位到6号染色体，并鉴定出一个编码bHLH转录因子的关键候选基因KIW84_061698，其序列变异可能影响花青素积累。本研究阐明了豌豆豆荚颜色形成的分子机制，为培育高花青素豌豆品种提供了理论依据和基因资源。

1题目

文章题目：Integrated Metabolome and Transcriptome Analysis Reveals the Mechanism of Anthocyanin Biosynthesis in Pisum sativumL. with Different Pod Colors

发文单位：安徽省农业科学院

2杂志

Agronomy；IF=3.4分

3链接

Ye W, Wu Z, Tian D, Zhou B. Integrated Metabolome and Transcriptome Analysis Reveals the Mechanism of Anthocyanin Biosynthesis in Pisum sativumL. with Different Pod Colors. Agronomy. 2025;15(7):1609. doi:10.3390/agronomy15071609

4检测方法

Norminkoda提供了QPCR检测

5主要内容

本研究采用多组学整合分析策略，系统解析了三种不同颜色豆荚豌豆（QZ-绿, FM-黄, ZY-紫）花青素积累的代谢和转录调控机制。

1. 表型与代谢物差异

• 豆荚颜色：QZ（绿）、FM（黄）、ZY（紫）的未成熟豆荚颜色差异显著。

• 花青素含量：ZY豆荚的总花青素和原花青素含量极显著高于FM和QZ，是其颜色呈紫色的直接原因。

2. 靶向代谢组学分析

• 共鉴定出61种花青素相关代谢物，包括16种飞燕草素、14种矢车菊素、10种天竺葵素等衍生物。

• ZY中特异性高积累：Delphinidin-3-O-galactoside, Delphinidin-3-O-(6"-O-xylosyl)glucoside, Cyanidin-3-O-galactoside, Pelargonidin-3-O-(xylosyl)glucoside这四种代谢物在ZY中的积累水平最高，是紫色形成的关键。

• 差异积累数量：ZY vs FM有49个差异积累花青素，ZY vs QZ有43个，FM vs QZ有21个。表明ZY与其它两种材料的代谢谱差异最大。

3. 转录组学分析

• 转录组测序共获得76.62 Gb高质量数据，Q30 > 96%。

• DEGs分析：ZY vs FM鉴定出5710个DEGs，ZY vs QZ鉴定出5325个DEGs，FM vs QZ鉴定出3827个DEGs。PCA分析显示生物学重复性好，组间差异明显。

• 关键基因表达：花青素合成通路中的PAL, 4CL, CHS, F3H, UFGT等结构基因在ZY中的表达量显著高于FM和QZ，这与ZY的高花青素含量表型完全一致。

4. 多组学联合分析

• KEGG富集分析：DEGs和差异代谢物（DAMs）共同显著富集在“花青素生物合成”、“黄酮类生物合成”和“次级代谢物生物合成”等通路，证实了这些通路在颜色形成中的核心作用。

• 基因-代谢物关联网络：分析发现柚皮素（Naringenin）是花青素合成的关键中间产物，其含量与4个CHS基因（KIW84_025518等）的表达高度相关（|r|>0.8），构成了调控网络的核心。

5. BSA-seq与候选基因鉴定

• 通过混池分组分析（BSA-seq）将控制紫色的主效QTL定位在6号染色体71.2-87.2 Mb的区间内。

• 该区间内包含21个DEGs，其中编码bHLH转录因子的 KIW84_061698被确定为最关键的候选基因。

• 序列变异：KIW84_061698在ZY与FM/QZ之间存在非同义突变，可能影响其蛋白功能，从而调控下游花青素合成基因的表达。

6. qRT-PCR验证

• 随机挑选8个候选基因进行qRT-PCR验证，其结果与转录组（RNA-seq）数据高度一致（R² = 0.8441），证明了测序数据的可靠性。

5.主要结论

1. 关键代谢物：四种花青素衍生物（Delphinidin-3-O-galactoside等）在紫色豆荚品种ZY中的特异性高积累，是导致其颜色的直接化学基础。

2. 关键基因：花青素合成通路上的结构基因（PAL, 4CL, CHS, F3H, UFGT）在ZY中的高水平表达，是驱动花青素高效合成的分子动力。

3. 核心调控因子：通过BSA-seq鉴定出编码bHLH转录因子的 KIW84_061698是控制豌豆豆荚紫色的关键候选基因，其序列变异可能是导致表型差异的根本原因。

4. 遗传机制：黄色对绿色为单基因显性遗传；紫色对绿色为多基因控制的数量性状，这为不同颜色的育种策略提供了指导。

6总结

研究亮点与价值解读

• 系统性：首次对三种颜色豌豆豆荚进行了代谢组+转录组+BSA-seq的多组学整合分析，从代谢物、基因到调控因子形成了完整的证据链，系统揭示了颜色形成的机制。

• 发现新颖：不仅再次验证了已知的花青素合成通路，更重要的是鉴定出4种关键花青素代谢物和1个新的bHLH候选基因，为豌豆功能基因研究提供了新的靶点。

• 应用潜力大：研究明确指出紫色豆荚品种ZY具有极高的花青素含量，是培育高营养价值、高抗氧化活性豌豆新品种的优异材料。鉴定出的候选基因KIW84_061698可用于分子标记辅助选择（MAS），加速高花青素豌豆的育种进程。

• 技术可靠：大量数据（qRT-PCR验证、生物学重复、多种分析方法交叉验证）确保了研究结果的科学性和可靠性。

本研究是一项典型的“表型-代谢组-转录组-基因定位”多组学研究的优秀范例。它成功地回答了“为什么ZY豌豆豆荚是紫色的”这一科学问题，揭示了其背后的生化物质基础、基因表达调控和遗传变异原因。研究成果不仅具有重要的理论意义，加深了对豆科植物花青素合成调控网络的理解，更重要的是为豌豆的品质育种提供了具体的基因资源、代谢物指标和分子工具，具有很高的应用价值。

声明：本文内容及图片部分来源于已见刊的文献，内容观点仅代表个人解读，具体参考原文.

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自覃元元科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-3289971-1514846.html

上一篇：[转载]Frontiers in Genetics||转录组和代谢组综合分析山茶花的花色分化的机制