构树是中国重要的本土树种，具有经济价值和生态功能，但其较弱的耐寒性限制了在寒冷地区的应用。花青素积累已被证明能增强植物耐寒性，但构树中花青素积累的精确机制尚不清楚。本研究旨在阐明冷胁迫下构树花青素积累的途径和调控机制。

本研究通过综合代谢组学和转录组学分析，揭示了构树(Broussonetia papyrifera)两个品种(ZJ和CL)在冷胁迫(4°C)下叶脉花青素积累的分子机制。研究发现：

1.CL品种在冷胁迫21天后叶脉显著积累花青素，而ZJ品种叶脉严重黄化

2.代谢组分析鉴定出60种花青素相关代谢物，其中Cyanidin-3-O-rutinoside是CL叶脉的主要色素

3.转录组分析显示花青素合成相关基因在冷胁迫下上调，但ZJ中BpGST基因表达显著降低，导致花青素转运受损

4.CL通过激活BpCHI、BpABR1和BpWRKY40维持花青素合成，并通过BpGST提高转运效率

5.花青素积累部分减弱了光合作用活性，但增强了CL的耐寒性

1题目

文章题目：Comprehensive metabolomic and transcriptomic analyses of the anthocyanin accumulation mechanism in the leaf veins of two Broussonetia papyrifera varieties (ZJ and CL) under cold stress

发文单位：石河子大学生命科学学院、贵州大学生命科学学院、新疆生产建设兵团第七师农业科学研究所、石河子大学医学院预防医学系

2杂志

Plant Physiology and Biochemistry；IF=5.7分

3链接

Xiangxue Yu, Rui Ni, Mei Wang, Bingxin Jia, Bo Chen, Qian Li, Guoqing Hou, Ziyu Yang, Chenjing Li, Fuyuan Liu, Yongtao Xia, Jingyi Zhao, Zhijia Tian, Li Zhang, Xinyong Guo,Comprehensive metabolomic and transcriptomic analyses of the anthocyanin accumulation mechanism in the leaf veins of two Broussonetia papyrifera varieties (ZJ and CL) under cold stress,Plant Physiology and Biochemistry,Volume 228,2025,110248,ISSN 0981-9428,

https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2025.110248.

4检测指标

Norminkoda提供了花青素检测

5主要内容

5.1. 研究背景与意义

构树是中国重要的本土树种，具有经济价值和生态功能，但其较弱的耐寒性限制了在寒冷地区的应用。花青素积累已被证明能增强植物耐寒性，但构树中花青素积累的精确机制尚不清楚。本研究旨在阐明冷胁迫下构树花青素积累的途径和调控机制。

5.2. 材料与方法

研究使用构树两个品种ZJ和CL的一年生幼苗，在4°C下进行冷处理，监测0、4、7、14和21天的表型变化。采集0天和21天的叶脉样本进行生理、转录组和代谢组分析。通过UPLC-MS/MS进行花青素代谢谱分析，Illumina HiSeq平台进行RNA测序。

5.3. 主要发现

5.3.1表型与生理分析

冷胁迫21天后，CL叶脉呈现明显的紫红色，而ZJ叶脉严重黄化。定量分析显示CL-V-DW组的花青素含量显著高于其他组。

5.3.2代谢组学分析

鉴定出60种花青素相关代谢物，包括23种花青素、9种飞燕草素等。Cyanidin-3-O-rutinoside是CL-V-DW中最主要的色素。

5.3.3转录组学分析

差异表达基因主要富集在花青素生物合成的类黄酮代谢途径。冷胁迫诱导大多数花青素合成相关基因上调，但ZJ中BpGST基因表达显著降低，导致合成的花青素转运受损。

5.3.4光合作用相关基因

65个光合作用相关基因在冷胁迫后表达显著降低，这可能解释了ZJ叶脉的黄化现象。

5.3.5转录因子分析

鉴定出多个与花青素合成相关的转录因子，包括BpMYB44、BpWRKY40和ERF家族成员(BpABR1、BpRAV1)等。

5.4主要结论

CL叶脉在冷胁迫下呈现紫红色是由于花青素途径的激活和花青素的大量积累，其中Cyanidin-3-O-rutinoside是主要色素

ZJ叶脉严重黄化是由于光合作用抑制和相关色素合成受阻

CL通过激活BpCHI、BpABR1和BpWRKY40维持花青素合成，并通过BpGST提高转运效率

花青素积累部分减弱光合作用活性，但增强了CL的耐寒性

研究结果为构树叶脉颜色调控网络提供了重要见解，并为培育耐寒品种提供了理论基础

6总结

这项研究通过多组学联合分析，系统揭示了构树不同品种对冷胁迫的响应机制差异：

6.1 代谢调控层面：首次在构树中鉴定出60种花青素相关代谢物，明确了Cyanidin-3-O-rutinoside是冷胁迫下主要的保护性色素。

6.2 基因调控网络：

发现BpCHI是CL品种花青素合成的关键差异基因

揭示BpGST基因在花青素转运中的核心作用

鉴定出BpABR1、BpWRKY40等多个关键转录因子

6.3 生理适应机制：

花青素积累与光合作用抑制的平衡关系

不同品种采取不同的生存策略：ZJ倾向于加速衰老，CL则通过花青素积累增强耐寒性

6.4 应用价值：

为构树耐寒品种选育提供了分子标记

花青素合成调控网络的解析有助于其他作物的抗逆改良

为植物应对非生物胁迫的机制研究提供了新视角

该研究创新性地将表型、生理、代谢和基因表达多维度数据整合分析，全面阐明了构树响应冷胁迫的分子机制，对经济林木的抗逆育种具有重要指导意义。