北京林業大學戴思蘭團隊解析鐵離子調控矢車菊素苷呈現藍色的遺傳機制

利用基因工程培育藍色花卉不僅是觀賞植物花色領域中最前沿的研究方向，同時也象征著對植物代謝途徑、基因表達調控和花色形成機理的全面深刻理解與操控。目前的藍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結構的修飾，此后還需要滿足液泡內環境條件：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現了花色的藍移，但其藍色仍然不夠飽和。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生穩定的藍色花，因此直接利用大部分物種中積累的矢車菊素創制藍色花有可能是另一條可行的途徑。

近日，北京林業大學園林學院戴思蘭團隊在Plant, Cell & Environment發表了題為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.）藍色品種作為試驗材料，探討了VIT1和Fer通過調控細胞內鐵穩態來調控矢車菊素苷呈現藍色的機制，并探討了未來基于矢車菊素通路培育藍色菊花的育種設想。

體外色素重建試驗發現矢車菊素苷呈現藍色嚴格依賴于鐵離子（圖1）。在矢車菊基因組中共鑒定到了與細胞中鐵存儲密切相關的液泡鐵離子轉運基因家族（Vacuolar iron transporter and VIT-like，VIT/VTL）成員11個，鐵蛋白基因家族（Ferritin，Fer）成員4個成員。

圖1 不同金屬離子對于矢車菊素呈現藍色的作用

在矢車菊花瓣變藍的過程中，存在白色-粉紫色-藍色的轉變過程。對樣本中鐵元素和提取液pH值測定，結合色素組分和轉錄組測序分析發現，該過程表征了鐵離子向液泡內轉運是導致紅紫向藍色轉變的關鍵，該過程與編碼液泡轉運蛋白CcVIT1a基因的表達趨勢一致（圖2）。此外，CcVIT1a和CcFers的總表達量在不同組織部位中程相反的表達趨勢，其中CcVIT1a在藍色的舌狀花中顯著高表達（圖3）。

圖2 CcVITa在矢車菊藍色舌狀花著色過程中發揮關鍵作用

圖3 CcVIT1a與CcFers的組織特異性表達分析

酵母回補試驗和亞細胞定位結果表明，CcVIT1a和CcFers分別定位于液泡膜和質體中協同調控細胞內的鐵穩態。通過病毒誘導的基因沉默（VIGS）抑制CcVIT1a的表達后，導致矢車菊舌狀花花色由藍色變為粉紫色，證明CcVIT1a是矢車菊藍色形成過程中的關鍵酶（圖4，A、B和C）。此外，CcFer1a表達下調，其余4個成員下調，進一步證明了這兩類基因協同調控細胞內鐵穩態（圖4，D）。

圖4 CcVIT1a沉默后的表型轉變

菊花也是只含矢車菊素苷的植物。前期研究發現，其中存在一類可以響應鐵離子變藍的品種（CB樣本）【1】，在菊花品種‘紫丹特’中瞬時過表達CcVITa導致花色由紅紫色變為紫色。同時CmVIT和CmFer1的表達均下調。這一結果表明，菊花中也存在類似的協同機制來調節鐵穩態導致其中的矢車菊素苷變藍。

圖5 菊花CB樣本‘紫丹特’中瞬時過表達CcVIT1a

綜上所述，該研究闡明了VIT1和Fer在細胞內具有協同調節鐵分配的作用。證明了CcVITla的上調表達增強了鐵離子向液泡的轉運，從而促進了基于矢車菊素苷的藍色形成。這一研究結果為只含有矢車菊素苷的花卉提供了一種通過調控鐵離子穩態培育藍色花卉的新的育種策略。

北京林業大學園林學院博士研究生王佳穎、李艷飛和山東臨沂大學農林科學院副教授鄧成燕為論文共同第一作者，北京林業大學園林學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基金面上項目和國家重點研發項目的資助。

參考文獻：

【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