2025年7月14号，南京林业大学林木细胞工程课题组在Forestry Research上发表了题为PORA1/2-dependent chlorophyll biosynthesis coordinates with carotenoid accumulation to drive petal color patterning in Liriodendron的文章，揭示了叶绿素合成和类胡萝卜素积累协同调控鹅掌楸属植物的花瓣着色模式分化。

为了适应自然界复杂多变的环境，被子植物在演化过程中形成了花瓣形态、颜色、数目的多样性。作为典型的东亚—北美洲际间断分布树种，鹅掌楸属不同物种的花瓣特征不仅是重要的分类鉴别依据，同时在植物繁殖及园林观赏中也具有重要的生态和经济价值。本课题组前期研究发现，北美鹅掌楸花瓣中部在发育过程中会积累丰富的类胡萝卜素，从而形成橙黄色色带，而鹅掌楸花瓣则不具备这一表型特征。因此，深入解析鹅掌楸属花瓣着色模式分化的分子机制，对于揭示该属植物的适应性演化，并为未来观赏性杂交育种提供新思路，具有重要意义。作者首先对鹅掌楸、北美鹅掌楸以及杂交鹅掌楸（金盏1号和金盏2号）的花瓣着色模式进行了详细的表型分析（图1），结果显示鹅掌楸、北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸花瓣的基部都呈白色，鹅掌楸花瓣中上部为深绿色，北美鹅掌楸中部有一明亮的橙黄色色带，上部为浅绿色，杂交鹅掌楸中上部基本完全被橙黄色色素覆盖，只有边缘的着色程度稍低。

图1. 鹅掌楸属植物的花瓣着色表型

进一步的徒手切片和叶绿素荧光观察结果显示（图2），鹅掌楸、北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸花瓣下部的组织相对透明，没有明显的色素积累。鹅掌楸花瓣的中上部明显积累了大量的叶绿素；北美鹅掌楸花瓣中部积累了较多含量的橙黄色色素，上部积累了大量的叶绿素；杂交鹅掌楸花瓣的中上部均积累了大量的橙黄色色素。通过比较转录组学鉴定差异表达基因并进行功能富集分析（图3），作者发现橙黄色色素覆盖区域主要富集类胡萝卜素代谢通路，而绿色区域主要富集光合作用、叶绿素代谢等通路，表明鹅掌楸属植物花瓣的着色模式主要与类胡萝卜素和叶绿素的代谢有关。

图2. 鹅掌楸属植物花瓣的微观结构和叶绿素荧光观察图3. 鹅掌楸、北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸花瓣的比较转录组

通过对类胡萝卜素及其上游代谢途径的关键酶的表达模式分析（图4），发现番茄红素β-环化酶编码基因LCYB在所有测试组织中表达量较低，而番茄红素ε-环化酶编码基因LCYE在花瓣中表达量较高，且在不同的鹅掌楸物种中有不同的转录本特异性表达。在叶黄素生物合成途径中，β-胡萝卜素3-羟化酶编码基因CRTZ的不同转录本也存在物种特异性的高表达。另外，在叶绿素生物合成和代谢途径中（图5），原叶绿素酸酯氧化还原酶POR将Pchlide a还原为叶绿素（Chlide）a，PORA_1和PORA_2两个转录本在鹅掌楸花瓣中强烈上调表达。

图4. 类胡萝卜素代谢途径

图5. 叶绿素代谢途径

进一步的类胡萝卜素靶向代谢组数据显示（图6），杂交鹅掌楸花瓣中的番茄红素含量远高于鹅掌楸和北美鹅掌楸，表明杂交鹅掌楸花瓣中的类胡萝卜素代谢途径的底物来源更加充分。另外，杂交鹅掌楸中的胡萝卜素（尤其是γ-胡萝卜素）含量也要高于鹅掌楸和北美鹅掌楸。此外，通过与叶绿素a和叶绿素b的含量测定显示，鹅掌楸花瓣中的叶绿素含量最高，而北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸花瓣中叶绿素含量维持在较低水平，但北美鹅掌楸仍要稍高于杂交鹅掌楸。

图6. 鹅掌楸属花瓣的类胡萝卜素和叶绿素含量测定

最后，作者通过对鹅掌楸、北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸花瓣中部区域不同发育时期的组织取样和qRT-PCR定量（图7），发现LCYE和CRTZ基因在花瓣发育过程中呈先上调、后下调的表达模式，且在北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸中的表达量要显著高于鹅掌楸。此外，PORA的两个转录本均在北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸花瓣发育过程中维持在较低水平，但是叶绿素降解基因SGR和PPH的表达则维持在较高水平，并且在鹅掌楸中呈相反趋势。

图7. 类胡萝卜素和叶绿素关键代谢基因的动态表达

为了验证叶绿素合成基因在花瓣着色中的关键作用，作者首次开发了以鹅掌楸花瓣为受体材料的VIGS体系（图8）。作者以鹅掌楸开花突变体（slb1，开花周期从4月中旬到10月中旬）为材料，通过构建TRV2-PORA1和TRV2-PORA2载体，分别与TRV1共侵染鹅掌楸花瓣。结果显示，相比于TRV1单独侵染，TRV2-PORA1（TRV2-PORA2）侵染花瓣中的PORA1（PORA2）表达水平显著降低，并且花瓣的颜色从深绿色变为浅绿色。进一步的超微结构分析，发现TRV2-PORA1和TRV2-PORA2花瓣中的叶绿体数量减少，叶绿体由对照的椭圆形变为梭形，且类囊体结构出现明显的损伤，基粒/基质片层变得模糊。叶绿素含量测定显示，TRV2-PORA1和TRV2-PORA2花瓣中的叶绿素含量显著低于TRV1对照。

图8. 鹅掌楸花瓣PORA基因沉默的表型分析

综合上述研究结果，作者总结出鹅掌楸属植物花瓣的着色主要涉及到类胡萝卜素和叶绿素两种主要色素的代谢途径（图9）。在鹅掌楸中，叶绿素合成基因PORA1的高表达以及叶绿素降解基因SGR的抑制，导致其花瓣中积累的叶绿素含量水平较高，从而花瓣呈绿色；在北美鹅掌楸中，花瓣中部位置叶绿素合成基因PORA1表达水平低而叶绿素降解基因SGR表达水平高，同时存在以LCYE为代表的类胡萝卜素生物合成基因的特异性高表达，从而导致其花瓣中部出现了一条橙黄色的明亮色带；而在杂交鹅掌楸中，这一特征不再局限于北美鹅掌楸花瓣的中部区域，而是拓展到几乎整个花瓣中，从而导致杂交鹅掌楸整个花瓣几乎完全被橙黄色色素覆盖。

图9. 鹅掌楸属植物花瓣着色模式示意图

该研究成果由南京林业大学林木细胞工程课题组完成，博士研究生胡凌峰为第一作者，施季森教授和郝兆东副教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目（32101546）、江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20210614）、江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX23_1208）和江苏省高等学校重点学科建设项目的联合资助。

作者：郝兆东、胡凌峰

编辑：郝兆东

Reference:

Hu L, Zhu Y, Yu L, Lu L, Ma Y,  et al. 2025. PORA1/2-dependent chlorophyll biosynthesis coordinates with carotenoid accumulation to drive petal color patterning in Liriodendron. Forestry Research 5: e013 doi: 10.48130/forres-0025-0013

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