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夏蜡梅Sinicalycanthus chinensis为蜡梅科Calycanthaceae夏蜡梅属Sinocalycanthus落叶灌木,花型独特,观赏价值高,为中国特有珍稀野生花卉,属于国家二级保护植物[1]。同科蜡梅属Calycanthus植物光叶红蜡梅Calycanthus floridus var. glaucus为美国蜡梅C. floridus一变种,与美国蜡梅的区别主要是叶片、叶柄及幼枝无毛或近无毛。广泛的杂交有助于扩大植物的基因库[2], LASSEIGNE等[3]最早获得了夏蜡梅与美国蜡梅的属间杂种,并通过反复杂交和进一步回交选育出了不同花色的品种。夏蜡梅与光叶红蜡梅亲缘关系近,但在花被片形状、大小和颜色方面差别较大。夏蜡梅花大,有内、外两型花被片,外被片呈倒卵状椭圆形或倒卵形,白色、边缘淡紫红色,内被片肉质贝壳状,中部以上淡黄色、中部以下为黄白色并在腹面基部具淡紫红色斑点[4];光叶红蜡梅花褐紫色,具清香[5]。夏蜡梅与光叶红蜡梅花期均为每年的4—5月初夏时节。研究发现:夏蜡梅的主要传粉昆虫为蜂类,而光叶红蜡梅主要传粉昆虫为甲虫类[6]。植物花的特征涉及传粉生物与进化生态,传粉者对不同花部特征的偏好是近缘物种之间分离和分化的一种重要机制,尤其是花色的分化。花色进化的假设当中,“传粉者选择假说”受到大部分学者的支持,即传粉者对花色的选择性和偏向性导致物种之间花色不同[7]。花色的多样性是植物多样性中最为复杂的性状之一[8]。
广泛靶向代谢组学利用多反应监测(MRM)模型,定性、定量检测样本中代谢物含量,具有高效、高灵敏、高覆盖的特点[9−10]。因此,利用广泛靶向代谢组学对植物中花色素相关代谢产物进行鉴定与分析,可以深入解析植物不同花色形成的物质基础。鉴于此,本研究以夏蜡梅、光叶红蜡梅、光叶红蜡梅×夏蜡梅杂交后代为材料,比较杂交后代与双亲之间花色表型与代谢物之间的差异,并对差异代谢通路进行富集,为深入探究不同品种花色形成的分子机制提供参考。
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比色结果(表1)显示:光叶红蜡梅(186A)和杂交后代(N77A)的RHSCC相对较为接近,夏蜡梅外轮花瓣(76D)、夏蜡梅内轮花瓣(8B)与光叶红蜡梅和杂交后代的RHSCC差距相对较大。L*从0到100表示明度由暗到明的变化,结果显示L*由高到低依次为夏蜡梅外轮花瓣、夏蜡梅内轮花瓣、杂交后代、光叶红蜡梅。a*由负值到正值,代表绿色逐渐减弱、红色逐渐增强,结果显示杂交后代a*高于光叶红蜡梅,光叶红蜡梅与夏蜡梅内轮花瓣a*无显著差异,但显著高于夏蜡梅外轮花瓣(P<0.05)。b*的增加代表蓝色逐渐减弱、黄色逐渐增强,结果显示夏蜡梅内轮花瓣b*最高,其次是夏蜡梅外轮花瓣,而光叶红蜡梅和杂交后代的b*最低。C*表示颜色的强度或饱和度,结果显示夏蜡梅内轮花瓣C*最大,其次是杂交后代,夏蜡梅外轮花瓣和光叶红蜡梅C*最小。h是对颜色色调的描述,即所处的光谱颜色的位置,其中h=0,紫红色;h=90,黄色;h=180,绿色,h由高到低的顺序依次为夏蜡梅内轮花瓣、夏蜡梅外轮花瓣、光叶红蜡梅、杂交后代。
植物材料 RHSCC CIELab颜色系统 明度(L*) 红度(a*) 黄度(b*) 彩度(C*) 色相角(h) 夏蜡梅外轮花瓣 76D 70.81±9.44 a 5.41±4.12 c 12.09±2.66 b 13.24±4.90 c 1.15±0.57 b 夏蜡梅内轮花瓣 9B 64.20±10.11 b 7.49±3.19 bc 36.74±11.62 a 37.49±12.05 a 1.37±1.30 a 光叶红蜡梅 186A 23.31±2.47 d 10.73±2.86 b 5.16±2.10 c 11.91±3.55 c 0.45±0.63 c 杂交后代 N77A 29.72±6.19 c 26.45±7.37 a 4.02±2.34 c 26.76±7.74 b 0.15±0.31 d 说明:RHSCC表示英国皇家园艺学会比色卡。差异显著分析使用LSD法,同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。 Table 1. Flower color phenotype data of S. chinensis, C. floridus var. glaucus and their hybrid progenies during blooming period
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广泛靶向代谢组分析共检测到1 059种代谢物,其中差异代谢物种类如表2所示。将3种植物中所有差异代谢物进行分类,比较其不同代谢物相对含量的差异,如图1所示:3种植物花瓣中类黄酮的相对含量均为最高,除类黄酮外,酚酸类、脂质的相对含量也较高。3种植物中鞣质、核苷酸及其衍生物相对含量均较低。
全部差异代谢物数量/种 差异代谢物上调数量/种 差异代谢物下调数量/种 夏蜡梅 光叶红蜡梅 夏蜡梅 光叶红蜡梅 夏蜡梅 光叶红蜡梅 光叶红蜡梅 589 263 326 杂交后代 476 386 175 170 301 216 Table 2. Statistical table of the number of differential metabolites
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如图2所示:夏蜡梅与光叶红蜡梅差异表达的代谢物富集程度显著的途径为黄酮类生物合成、花青素合成、异喹啉生物碱的生物合成等。如表3所示:注释在黄酮类生物合成途径的代谢物共25个,其中15个上调,10个下调;注释在花青素合成的代谢物共8个,其中7个上调,1个下调;注释在异喹啉生物碱的生物合成的代谢物共4个,其中3个上调,1个下调。如图3所示:夏蜡梅与杂交后代差异表达代谢物质富集显著的途径为花青素合成、黄酮和黄酮醇类生物合成、泛醌和其他萜类醌生物合成等。注释在花青素合成的代谢物共10个,其中9个上调,1个下调;注释在黄酮和黄酮醇类生物合成的代谢物共11个,全部上调;注释在泛醌和其他萜类醌生物合成的代谢物共5个,其中1个上调,4个下调(表3)。如图4所示:光叶红蜡梅与杂交后代差异表达代谢物质富集显著的途径为黄酮类生物合成、糖酵解/糖异生、磷酸肌醇代谢等。注释在黄酮类生物合成的代谢物共16个,其中8个上调,8个下调;注释在糖酵解/糖异生的代谢物共4个,其中2个上调,2个下调;注释在磷酸肌醇代谢的代谢物共3个,其中2个上调,1个下调(表3)。
物质 一级分类 二级分类 在3种植物中的表达情况 黄酮类生物合成途径 3,4,2′,4′,6′-五羟基查尔酮-4′-O-葡萄糖苷 3,4,2′,4′,6′-
pentahydroxychalcone-4′-O-glucoside类黄酮 查尔酮 夏蜡梅>光叶红蜡梅 3,4,2′,4′,6′-五羟基查尔酮 3,4,2′,4′,6′-pentahydroxychalcone 类黄酮 查尔酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅;光叶红蜡梅>杂交后代 柚皮素查尔酮 naringenin chalcone 类黄酮 查尔酮 夏蜡梅>光叶红蜡梅 根皮苷phloretin-2′-O-glucoside (phlorizin) 类黄酮 查尔酮 夏蜡梅>光叶红蜡梅;光叶红蜡梅<杂交后代 柚皮素-7-O-新橙皮糖苷 (柚皮苷) naringenin-7-O-
neohesperidoside (naringin)类黄酮 二氢黄酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅;光叶红蜡梅>杂交后代 高圣草酚homoeriodictyol 类黄酮 二氢黄酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅;光叶红蜡梅>杂交后代 柚皮素-7-O-葡萄糖苷 (樱桃苷) naringenin-7-O-glucoside (prunin) 类黄酮 二氢黄酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅;光叶红蜡梅>杂交后代 异樱花素 isosakuranetin(5,7-dihydroxy-4′-methoxyflavanone) 类黄酮 二氢黄酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅;光叶红蜡梅>杂交后代 3-O-乙酰短叶松黄烷酮 3-O-acetylpinobanksin 类黄酮 二氢黄酮醇 夏蜡梅>光叶红蜡梅;光叶红蜡梅<杂交后代 短叶松素 pinobanksin 类黄酮 二氢黄酮醇 夏蜡梅>光叶红蜡梅 二氢杨梅素(蛇葡萄素) dihydromyricetin (ampelopsin) 类黄酮 二氢黄酮醇 夏蜡梅>光叶红蜡梅;光叶红蜡梅<杂交后代 二氢槲皮素(花旗松素) dihydroquercetin(taxifolin) 类黄酮 二氢黄酮醇 夏蜡梅<光叶红蜡梅 香橙素 (二氢山奈酚) aromadendrin (dihydrokaempferol) 类黄酮 二氢黄酮醇 夏蜡梅>光叶红蜡梅;光叶红蜡梅<杂交后代 绿原酸 (3-O-咖啡酰奎宁酸) chlorogenic acid (3-O-caffeoylquinic acid) 酚酸类 酚酸类 夏蜡梅>光叶红蜡梅 五羟黄酮 tricetin (5,7,3′,4′,5′-pentahydroxyflavone) 类黄酮 黄酮 夏蜡梅>光叶红蜡梅;光叶红蜡梅<杂交后代 高良姜素 galangin (3,5,7-trihydroxyflavone) 类黄酮 黄酮 夏蜡梅>光叶红蜡梅;光叶红蜡梅<杂交后代 儿茶素 catechin 类黄酮 黄酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅;光叶红蜡梅>杂交后代 3′,4,4′,5,7-五羟基黄烷 3′,4,4′,5,7-pentahydroxyflavan (luteoforol) 类黄酮 黄酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅 橙皮素 hesperetin 类黄酮 黄酮 夏蜡梅<光叶红蜡梅;光叶红蜡梅>杂交后代 木犀草素 luteolin (5,7,3′,4′-tetrahydroxyflavone) 类黄酮 黄酮 夏蜡梅>光叶红蜡梅;光叶红蜡梅<杂交后代 山奈酚 kaempferol (3,5,7,4′-tetrahydroxyflavone) 类黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代>光叶红蜡梅 表没食子儿茶素 epigallocatechin 类黄酮 黄烷醇类 夏蜡梅>光叶红蜡梅 没食子儿茶素 gallocatechin 类黄酮 黄烷醇类 夏蜡梅>光叶红蜡梅 表儿茶素 epicatechin 类黄酮 黄烷醇类 夏蜡梅<光叶红蜡梅 阿夫儿茶精 afzelechin (3,5,7,4′-tetrahydroxyflavan) 类黄酮 黄烷醇类 夏蜡梅>光叶红蜡梅 5-O-对香豆酰奎宁酸 5-O-p-coumaroylquinic acid 酚酸类 酚酸类 光叶红蜡梅>杂交后代 花青素合成途径 矢车菊素-3-O-桑布双糖苷 cyanidin-3-O-sambubioside
[cyanidin-3-O-(2″-O-xylosyl) glucoside]类黄酮 花青素 夏蜡梅>光叶红蜡梅;夏蜡梅>杂交后代 矢车菊素-3-O- (2″-O-葡萄糖基)葡萄糖苷 cyanidin-3-O-
(2″-O-glucosyl) glucoside类黄酮 花青素 夏蜡梅>光叶红蜡梅 矢车菊素-3-O- (6″-O-对香豆酰)葡萄糖苷 cyanidin-3-O-
(6″-O-p-coumaroyl) glucoside类黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代;夏蜡梅>光叶红蜡梅 矢车菊素-3,5-二-O-葡萄糖苷 cyanidin-3,5-O-diglucoside (cyanin) 类黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代;夏蜡梅>光叶红蜡梅 矢车菊素-3-O-葡萄糖苷 cyanidin-3-O-glucoside (kuromanin) 类黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代;夏蜡梅>光叶红蜡梅 矢车菊素-3-O-芸香糖苷cyanidin-3-O-rutinoside (keracyanin) 黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代 矢车菊素-3-O- (2″-O-葡萄糖基)葡萄糖苷 cyanidin-3-O-
(2″-O-glucosyl) glucoside黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代 天竺葵素-3-O-芸香糖苷 pelargonidin-3-O-rutinoside 类黄酮 花青素 夏蜡梅<杂交后代;夏蜡梅<光叶红蜡梅 芍药花素 3-O-葡萄糖苷 peonidin-3-O-glucoside 类黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代;夏蜡梅>光叶红蜡梅 天竺葵素-3-O-葡萄糖苷 pelargonidin-3-O-glucoside 类黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代;夏蜡梅>光叶红蜡梅 飞燕草素-3-O-芸香糖苷delphinidin-3-O-rutinoside 黄酮 花青素 夏蜡梅>杂交后代 异喹啉生物碱的生物合成途径 原儿茶醛 protocatechualdehyde 酚酸类 酚酸类 夏蜡梅<光叶红蜡梅 多巴胺 dopamine 生物碱 生物碱 夏蜡梅>光叶红蜡梅 L-酪胺 L-tyramine 氨基酸及
其衍生物氨基酸及
其衍生物夏蜡梅>光叶红蜡梅 3,4-二羟基-L-苯丙氨酸 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine 氨基酸及
其衍生物氨基酸及
其衍生物夏蜡梅>光叶红蜡梅 黄酮和黄酮醇类生物合成途径 西伯利亚落叶松黄酮 laricitrin 黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代 山奈酚-3-O-鼠李糖苷 (阿福豆苷)(番泻叶山奈苷)
kaempferol-3-O-rhamnoside (afzelin)(kaempferin)黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代 芹菜素-7-O-葡萄糖苷 apigenin-7-O-glucoside (cosmosiin) 黄酮 黄酮 夏蜡梅>杂交后代 槲皮素-3-O-鼠李糖苷(槲皮苷) quercetin-3-O-rhamnoside (quercitrin) 黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代 山奈酚-3-O-半乳糖苷(三叶豆苷) kaempferol-3-O-galactoside (trifolin) 黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代 山奈酚-3-O-葡萄糖苷(紫云英苷)(黄芪苷)
kaempferol-3-O-glucoside (astragalin)黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代 木犀草素-7-O-新橘皮糖苷 (忍冬苷) luteolin-7-O-neohesperidoside (lonicerin) 黄酮 黄酮 夏蜡梅>杂交后代 槲皮素-3-O-桑布双糖苷 quercetin-3-O-sambubioside 黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代 槲皮素-3-O-(2″-O-木糖基)芸香糖苷 quercetin-3-O-(2″-O-xylosyl) rutinoside 黄酮 黄酮醇 夏蜡梅>杂交后代 泛醌和其他萜类醌生物合成 对羟基苯甲酸 4-hydroxybenzoic acid 酚酸类 酚酸类 夏蜡梅>杂交后代 高龙胆酸 homogentisic acid 酚酸类 酚酸类 夏蜡梅<杂交后代 3-[(1-羧乙烯基)氧基]苯甲酸 3-[(1-carboxyvinyl) oxy]benzoic acid 酚酸类 酚酸类 夏蜡梅<杂交后代 D-δ-生育三烯酚 δ-tocotrienol 其他类 维生素 夏蜡梅<杂交后代 甲基萘醌 (维生素 K2) menaquinone (vitamin K2) 其他类 维生素 夏蜡梅<杂交后代 糖酵解/糖异生 磷酸二羟基丙酮 dihydroxyacetone phosphate 其他类 糖及醇类 光叶红蜡梅<杂交后代 D-葡萄糖 D-glucose 其他类 糖及醇类 光叶红蜡梅>杂交后代 3-磷酸-D-甘油酸 3-phospho-D-glyceric acid 其他类 糖及醇类 光叶红蜡梅<杂交后代 熊果苷 arbutin 酚酸类 酚酸类 光叶红蜡梅>杂交后代 磷酸肌醇代谢 磷酸二羟基丙酮 dihydroxyacetone phosphate 其他类 糖及醇类 光叶红蜡梅<杂交后代 肌醇 inositol 其他类 糖及醇类 光叶红蜡梅>杂交后代 D-葡萄糖醛酸 D-glucoronic acid 其他类 糖及醇类 光叶红蜡梅>杂交后代 Table 3. Annotate metabolites in a significant pathway of enrichment
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如表4所示:花青素调控的颜色从粉红色到蓝紫色,3种植物中花青素的相对含量由高到低依次为杂交后代、光叶红蜡梅、夏蜡梅;查尔酮调控的颜色为深黄色,3种植物中查尔酮相对含量由高到低依次为夏蜡梅、杂交后代、光叶红蜡梅;黄酮和黄酮醇调控的颜色为淡黄色或近乎无色,3种植物中黄酮的相对含量由高到低依次为杂交后代、光叶红蜡梅、夏蜡梅,黄酮醇的相对含量由高到低依次为光叶红蜡梅、杂交后代、夏蜡梅。
植物 相对含量 花青素 黄酮 黄酮醇 查尔酮 夏蜡梅 4.40×107 2.71×108 9.38×107 7.02×106 光叶红蜡梅 6.21×107 3.68×108 2.92×108 4.94×106 杂交后代 7.51×107 3.78×108 2.64×108 5.28×106 Table 4. Relative content of main coloring substances
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双变量Pearson检验结果(表5)显示:黄酮与L*、h呈显著负相关(P<0.05);黄酮醇与L*呈极显著负相关(P<0.01);花青素与h呈显著负相关(P<0.05);查尔酮与L*呈极显著负相关(P<0.01)。
花色表型 黄酮 黄酮醇 花青素 查尔酮 L* −0.978* −0.994** −0.887 −0.994** a* 0.779 0.659 0.924 −0.645 b* −0.751 −0.743 −0.714 0.741 C* −0.252 −0.339 −0.094 0.347 h −0.977* −0.936 −0.978* 0.930 说明:*表示显著相关(P<0.05);**表示极显著相关(P<0.01)。 Table 5. Correlation between pigment components and flower color phenotypes
Flower color phenotype and pigment accumulation characteristics of Sinicalycanthus chinensis, Calycanthus floridus var. glaucus and their hybrid progenies
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220543
- Received Date: 2022-08-23
- Accepted Date: 2023-04-10
- Rev Recd Date: 2023-03-28
- Available Online: 2023-07-13
- Publish Date: 2023-08-20
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Key words:
- Sinicalycanthus chinensis /
- Calycanthus floridus var. glaucus /
- widely targeted metabolome /
- flower color /
- flavonoids /
- hybrid progenies
Abstract:
Citation: | LIU Yuqi, YANG Liyuan, WANG Yiguang, et al. Flower color phenotype and pigment accumulation characteristics of Sinicalycanthus chinensis, Calycanthus floridus var. glaucus and their hybrid progenies[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2023, 40(4): 747-755. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220543 |