本网讯 5月1日，植物科学最前沿微信公众号以《湖北中医药大学刘大会团队解析了红皮半夏表皮颜色形成分子机制》为题，报道了我校刘大会教授团队“红半夏”种质研究成果。
以下为全文内容：
天南星科植物半夏Pinellia ternata (Thunb.) Breit.的干燥块茎，是我国常用大宗中药材，入药最早见距今2100年历史的医方《五十二病方》中，具有燥湿化痰，降逆止呕，消痞散结的功效。半夏药材在中医临床上使用广泛，2020版《中国药典》含半夏中成药有66品种，国家中医药管理局推荐的100个首批中药经典名方中含半夏药材占17方。湖北江汉平原的潜江、天门、沙洋、钟祥、京山等地为半夏道地产区，行内称为“荆半夏”。半夏新鲜块茎的表皮一般为浅黄色至黄白色。湖北中医药大学刘大会教授团队在潜江、天门等半夏种植区田间调研采样时，发现当地田间存在大量块茎表皮呈红色至紫红色的“红半夏”种质，进一步试验观察比较发现“红半夏”种质比传统黄皮半夏种质在地上部分长势、抗逆性和块茎大小与粉性要更优秀。基于此，团队基于半夏全长转录组，联合二代转录组与代谢组分析，解析了红半夏块茎表皮红色形成的分子机制。研究成果以“Integrative Analysis of Metabolomic and Transcriptomic Data Reveals the Mechanism of Color Formation in Corms of Pinellia ternata”发表于中科院2区Top期刊International Journal of Molecular Sciences。
植物表观颜色的变化是其内在次生代谢产物变化的重要体现， 团队对红、黄半夏的主要化学成分总黄酮进行了含量测定，结果显示红半夏的总黄酮含量显著高于黄半夏，是黄半夏的1.6倍（图1C、D）。分别对红、黄半夏块茎的茎肉及表皮进行了花青素含量测定，结果显示红半夏块茎表皮的矢车菊素、天竺葵素含量显著高于黄半夏，表明这两种花青素是红半夏表皮呈红成的物质基础（图1E、F）。通过代谢组分析，进一步鉴定了二氢槲皮素、二氢山奈酚、柚皮素等15个黄酮类差异代谢产物，可作为红半夏的特征代谢产物（图2）。
图1 红、黄半夏表、总黄酮及花青素含量差异比较（Yf-黄半夏块茎茎肉，Rf-红半夏块茎茎肉，Ye-黄半夏块茎表皮，Re-红半夏块茎表皮）
图2 红、黄半夏15个VIP值最高的差异代谢产物
以半夏全长转录组为参考，对二代测序数据进行比对分析，推测PtCHS1、PtCHS2、PtCHI1、PtDFR5、PtANS、PtUPD-GT2、PtUPD-GT3对半夏花青素的积累有重要贡献；PtF3′5′H、PtDFR2、PtUPD-GT1可能是半夏块茎红色表皮的形成的关键酶基因；PtbHLH1和PtbHLH2对红半夏中花青素的生物合成具有调节作用（图3）。转录组、代谢组联合分析发现，PtCHS1、PtCHS2、PtCHI1、PtF3′H1等13个DEGs与花青素生物合成途径中的DAMs成显著正相关，且PtCHS1、PtCHS2、PtCHI1、PtF3′H1、PtF3′H2、PtF3′H4与它们编码的酶产物呈显著正相关（图4A）。在上述的DEGs中，PtCHI1、PtDFR2、PtUPD-GT1、PtUPD-GT2、PtUPD-GT3与矢车菊素、天竺葵素含量呈显著正相关关系（图4A）；PtCHI1、PtDFR2、PtUPD-GT3编码酶的产物也与矢车菊素、天竺葵素含量呈显著正相关关系（图4B）。
图3 Re、Rf、Ye和Yf中花青素生物合成相关DEGs的表达热图
图4 花青素生物合成相关的DEGs和DAMs的相关性分析
该研究首次基于全长转录组对二代测序数据进行校正，获得准确的基因和表达定量，联合转录组代谢组，更精准的对DEGs进行筛选，揭示半夏块茎表皮红色形成的分子机制，构建了半夏花青素生物合成路线图（图5）。并鉴定筛选了15个代谢产物，作为区分红色、黄色表皮半夏的潜在标记。研究认为PtCHI1、PtDFR2、PtUPD-GT1、PtUPP-GT2和PtUPD-GT3五个基因是半夏块茎表皮红色形成的关键基因；柚皮素查尔酮、柚皮素、二氢山奈酚和二氢槲皮素是半夏块茎表皮花青素累积的重要中产物。该文研究结果为半夏的分子育种和红、黄块茎的品系半夏的快速鉴定提供了理论依据。
图5 半夏块茎花青素生物合成路线
湖北中医药大学药学院博士研究生徐荣为论文第一作者，刘大会教授和苗玉焕副教授为论文共同通讯作者。相关研究得到湖北中医药大学青苗计划（2020ZZX027）、湖北省农村振兴科技支撑项目（2022BBA148）、湖北中医药大学中医药重点项目基金（2022ZZXZ001）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-21）资助。
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