利用基因工程培育藍(lán)色花卉不僅是觀賞植物花色領(lǐng)域中最前沿的研究方向，同時(shí)也象征著對(duì)植物代謝途徑、基因表達(dá)調(diào)控和花色形成機(jī)理的全面深刻理解與操控。目前的藍(lán)色花分子育種策略主要是基于飛燕草素苷的高度積累及其化學(xué)結(jié)構(gòu)的修飾，此后還需要滿足液泡內(nèi)環(huán)境條件：較高的液泡pH值、合適的共色素和適宜的金屬離子。目前已在月季、香石竹、菊花等只積累矢車菊素的物種中通過重建飛燕草素代謝通路實(shí)現(xiàn)了花色的藍(lán)移，但其藍(lán)色仍然不夠飽和。自然界中的矢車菊、綠絨蒿、延胡索等物種中只積累矢車菊素也能產(chǎn)生穩(wěn)定的藍(lán)色花，因此直接利用大部分物種中積累的矢車菊素創(chuàng)制藍(lán)色花有可能是另一條可行的途徑。

近日，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院戴思蘭團(tuán)隊(duì)在Plant, Cell & Environment發(fā)表了題為Fe3+-Mediated Blue Pigment Formation via Collaborative Regulation of Iron Homeostasis byVIT1andFerritin: Insights for Blue Flower Breeding的研究論文。該研究以菊科矢車菊屬的矢車菊（Centaurea cyanus L.）藍(lán)色品種作為試驗(yàn)材料，探討了VIT1和Fer通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)來調(diào)控矢車菊素苷呈現(xiàn)藍(lán)色的機(jī)制，并探討了未來基于矢車菊素通路培育藍(lán)色菊花的育種設(shè)想。

體外色素重建試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)矢車菊素苷呈現(xiàn)藍(lán)色嚴(yán)格依賴于鐵離子（圖1）。在矢車菊基因組中共鑒定到了與細(xì)胞中鐵存儲(chǔ)密切相關(guān)的液泡鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)基因家族（Vacuolar iron transporter and VIT-like，VIT/VTL）成員11個(gè)，鐵蛋白基因家族（Ferritin，F(xiàn)er）成員4個(gè)成員。

圖1 不同金屬離子對(duì)于矢車菊素呈現(xiàn)藍(lán)色的作用

在矢車菊花瓣變藍(lán)的過程中，存在白色-粉紫色-藍(lán)色的轉(zhuǎn)變過程。對(duì)樣本中鐵元素和提取液pH值測(cè)定，結(jié)合色素組分和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)，該過程表征了鐵離子向液泡內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)是導(dǎo)致紅紫向藍(lán)色轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，該過程與編碼液泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CcVIT1a基因的表達(dá)趨勢(shì)一致（圖2）。此外，CcVIT1a和CcFers的總表達(dá)量在不同組織部位中程相反的表達(dá)趨勢(shì)，其中CcVIT1a在藍(lán)色的舌狀花中顯著高表達(dá)（圖3）。

圖2 CcVITa在矢車菊藍(lán)色舌狀花著色過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用

圖3 CcVIT1a與CcFers的組織特異性表達(dá)分析

酵母回補(bǔ)試驗(yàn)和亞細(xì)胞定位結(jié)果表明，CcVIT1a和CcFers分別定位于液泡膜和質(zhì)體中協(xié)同調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的鐵穩(wěn)態(tài)。通過病毒誘導(dǎo)的基因沉默（VIGS）抑制CcVIT1a的表達(dá)后，導(dǎo)致矢車菊舌狀花花色由藍(lán)色變?yōu)榉圩仙C明CcVIT1a是矢車菊藍(lán)色形成過程中的關(guān)鍵酶（圖4，A、B和C）。此外，CcFer1a表達(dá)下調(diào)，其余4個(gè)成員下調(diào)，進(jìn)一步證明了這兩類基因協(xié)同調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)（圖4，D）。

圖4 CcVIT1a沉默后的表型轉(zhuǎn)變

菊花也是只含矢車菊素苷的植物。前期研究發(fā)現(xiàn)，其中存在一類可以響應(yīng)鐵離子變藍(lán)的品種（CB樣本）【1】，在菊花品種‘紫丹特’中瞬時(shí)過表達(dá)CcVITa導(dǎo)致花色由紅紫色變?yōu)樽仙�。同時(shí)CmVIT和CmFer1的表達(dá)均下調(diào)。這一結(jié)果表明，菊花中也存在類似的協(xié)同機(jī)制來調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致其中的矢車菊素苷變藍(lán)。

圖5 菊花CB樣本‘紫丹特’中瞬時(shí)過表達(dá)CcVIT1a

綜上所述，該研究闡明了VIT1和Fer在細(xì)胞內(nèi)具有協(xié)同調(diào)節(jié)鐵分配的作用。證明了CcVITla的上調(diào)表達(dá)增強(qiáng)了鐵離子向液泡的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)了基于矢車菊素苷的藍(lán)色形成。這一研究結(jié)果為只含有矢車菊素苷的花卉提供了一種通過調(diào)控鐵離子穩(wěn)態(tài)培育藍(lán)色花卉的新的育種策略。

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院博士研究生王佳穎、李艷飛和山東臨沂大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院副教授鄧成燕為論文共同第一作者，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院戴思蘭教授為論文通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。

參考文獻(xiàn)：

【1】Yanfei Li, Jiaying Wang, Chenfei Lu, Zhongman Wang, Chengyan Deng, Kang Gao, Jingjing Li, Zhijun Fang, Hao Liu, Yan Hong, Silan Dai*（2024）. Flavonoid extracts from chrysanthemum with appropriate anthocyanins turn blue when exposed to iron ions.Horticulture Plant Journal. 10 (3): 837-852

論文鏈接：

https://doi.org/10.1111/pce.70472