導語

楨楠（Phoebe zhennan）是中國特有的瀕危珍稀樹種，其木材“金絲楠”兼具金黃光澤、溫潤質感與極高歷史文化價值，是故宮等皇家建筑的核心用材，商業價值巨大。但長期以來，金絲楠木獨特色澤與紋理形成的分子機制始終未被闡明。2026年，國家林草局楠木重點實驗室羅克明教授團隊（西南大學）聯合四川大學生物資源與生態環境馬濤團隊，以永川楨楠國家林木種質資源庫1號古樹為研究材料，在Cell Reports發表研究論文，首次整合端粒到端粒（T2T）基因組、代謝組、單細胞轉錄組等多維組學技術，系統破譯金絲楠木“金絲”形成的分子基礎，明確關鍵色素、核心酶與調控模塊，為楨楠資源保護、遺傳改良與精準培育提供里程碑式理論依據。 SeekOne? DD單細胞轉錄組技術平臺，為項目全程提供專業可靠的單細胞測序技術支撐，助力科研團隊高效獲取精準、高質量單細胞轉錄組測序數據，為厘清楨楠細胞分化、物質合成及紋理形成相關基因表達規律提供堅實技術保障。

圖1 技術路線圖

1.楨楠T2T基因組組裝：高質量遺傳圖譜奠定研究基礎：

研究完成楨楠首個gap-free端粒到端?；蚪M，組裝總長度919.42 Mb，contig N50達84.44 Mb，共注釋35,078個蛋白編碼基因，BUSCO完整性97.46%，LTR組裝指數（LAI）17.02，達到參考級基因組質量。進化分析顯示，楨楠與閩楠親緣關系最近，約542萬年前分化；樟科物種共享兩次全基因組復制事件（94、145百萬年前）；種群歷史表明，人類過度采伐是楨楠瀕危的核心原因，與氣候變化關聯較小。

圖2 幀楠基因組進化史

2.代謝組鎖定：桑色素（Morin）是金絲核心色素：

為明確金絲楠木形成的代謝基礎，研究對不同發育階段楨楠（幼齡、中齡、老齡）及對照香樟開展廣泛靶向代謝組分析。PCA分析（圖3A）顯示，形成金絲的老齡楨楠代謝譜與其他組顯著分離，提示其代謝特征的獨特性。KEGG 富集分析（圖3B）發現，類黃酮及黃酮和黃酮醇生物合成通路在老齡楨楠中顯著富集，指向類黃酮為關鍵候選物質。時序聚類（圖3C）篩選出隨樹齡上調的代謝物簇Cluster1，其中類黃酮在Top 30差異代謝物中占比高達57%（圖3D），熱圖（圖3E）進一步鎖定桑色素為該簇中上調最顯著的類黃酮。OPLS-DA分析（圖3F）證實桑色素為核心差異代謝物，色譜峰對比（圖3G）與定量分析（圖3H）顯示，楨楠桑色素含量顯著高于閩楠，香樟中幾乎無積累，與金絲特征強弱直接正相關，最終明確桑色素是金絲楠木金黃色澤的核心色素分子。

圖3 不同發育階段的沉香木與樟木的代謝組學分析

3.單細胞定位：黃酮合成特異細胞（FAC）主導色素生成:

為解析金絲楠木中桑色素合成的細胞與分子基礎，研究首先對類黃酮合成通路關鍵基因在楨楠不同組織（韌皮部、木質部、莖、根、葉）的表達模式進行分析（圖4A），發現多數通路基因在木質部中高表達，且隨樹齡增長上調，呈現出組織與年齡的雙重特異性。隨后，研究梳理了從苯丙氨酸到黃酮類物質的完整合成通路，并展示了關鍵基因在不同樹齡楨楠中的表達變化（圖4B），明確桑色素合成相關基因在老齡楨楠中顯著激活。為定位類黃酮合成的特異細胞類型，研究構建了楨楠莖的單細胞轉錄組圖譜（圖4C），共識別出16類細胞群，通過通路基因的平均表達熱圖分析（圖4D），發現苯丙烷與類黃酮合成通路基因主要在木質部薄壁細胞、射線細胞及一個特異細胞群中高表達，進一步通過關鍵基因的空間表達分布（圖4E）與細胞亞群UMAP聚類（圖4F、G），鎖定了類黃酮合成相關的特異細胞簇。最后，利用原位雜交技術對關鍵合成基因（PzCHS2、PzCHI、PzF3H2）進行驗證（圖4H），證實其在木質部特定細胞中特異性表達，最終明確類黃酮合成通路在木質部特異細胞中被年齡信號激活，為桑色素的合成提供了細胞基礎。

圖4 幀楠中黃酮類相關基因的時空表達模式

4.關鍵酶鑒定：PzF3’HL是桑色素合成核心：

為明確桑色素合成的關鍵酶，研究首先基于桑色素的結構特征，提出了以柚皮素、二氫山奈酚為底物，經F3H、FLS及候選F3’HL催化生成桑色素的合成路徑假說（圖5A），并通過單細胞轉錄組數據驗證發現，PzF3’HL、PzF3H2、PzFLS2在木質部細胞中特異性高表達（圖5B）。隨后，研究通過體外酶活實驗（圖5C）證實，僅當PzF3H2、PzFLS2與PzF3’HL共同存在時，才能催化底物生成桑色素，質譜分析也驗證了產物的身份（圖5D），表明PzF3’HL是桑色素合成的關鍵限速酶。為進一步驗證其功能，研究對PzF3’HL進行了蛋白結構預測與關鍵位點突變分析（圖5E、F），發現S373A突變可顯著提升酶活，而其他位點突變則降低酶活。最后，通過毛果楊愈傷組織過表達實驗（圖5G-K），證實過表達PzF3’HL可顯著提高愈傷組織中桑色素的含量，從體內層面驗證了該酶在桑色素合成中的核心作用，明確了桑色素合成的關鍵分子機制。

圖5 PzF3’HL的催化功能表征

5.調控網絡：MYB-bHLH模塊驅動年齡依賴黃酮合成：

為解析桑色素合成通路的上游調控機制，研究首先構建了苯丙烷與類黃酮通路的多層級基因調控網絡（圖6A），明確了以PzPAL、Pz4CL等為核心的結構基因，及MYB、bHLH等轉錄因子構成的層級調控關系，并發現部分轉錄因子可同時調控兩條通路。通過對調控網絡與黃酮合成特異細胞（FAC）網絡的轉錄因子進行交集分析（圖6B），篩選出同時調控兩條通路的關鍵轉錄因子，其中MYB與bHLH家族成員在老齡楨楠中表達量隨樹齡增長顯著上調（圖6C），進一步的細胞表達熱圖也證實這些轉錄因子在FAC中特異性高表達（圖6D）。隨后，研究通過雙熒光素酶實驗驗證了這些轉錄因子對結構基因的激活作用（圖6E），發現PzbHLH42與PzMYB4/3可顯著上調苯丙烷及類黃酮通路基因的表達，最終構建出完整的MYB-bHLH模塊調控模型（圖6F），闡明了其通過協同激活通路關鍵基因，驅動老齡楨楠木質部桑色素合成的分子調控機制。

圖6 與幀楠木制著色相關的推定基因共表達網絡

研究結論

1.理論價值：楨楠“金絲”形成的核心機制為年齡依賴、木質部特異的黃酮合成激活，由MYB-bHLH轉錄模塊-核心酶PzF3’HL-特異細胞FAC三重調控：

古樹生長過程中，年齡信號激活MYB-bHLH 模塊，驅動黃酮合成基因在木質部FAC中特異性高表達；

核心酶PzF3′HL催化生成桑色素，協同其他黃酮積累于木質部細胞壁；

木質部纖維排列差異形成明暗紋理，桑色素賦予金黃光澤，最終形成“金絲”特征。

2.保護價值：解析楨楠瀕危的人為驅動因素，為種質資源保護、古樹保育提供科學依據。

3.培育價值：鎖定PzF3’HL、MYB-bHLH模塊等關鍵靶點，為楨楠遺傳改良、快速培育優質金絲楠木提供基因資源。

4.應用價值：為木材色澤改良、天然黃酮開發利用提供新思路，助力珍稀木材資源可持續利用。

參考文獻

[1]Kong L, Song Q, Liang S, et al. Multi-omics analysis uncovers the molecular basis of “golden-thread” formation in Phoebe zhennan stems[J]. Cell Reports, 2026, 45(5).