多组学联合分析揭示棉花黄色花药性状的遗传与代谢调控机制
2025年1月，石河子大学农学院薛飞教授和孙杰教授在《International Journal of Biological Macromolecules》期刊（中科院一区）在线发表了一篇题为“Genetic, metabolomic and transcriptomic analyses of the cotton yellow anther trait”的研究论文。该研究通过遗传学、代谢组学和转录组学分析，揭示了棉花黄色花药性状的遗传基础、代谢调控机制及关键基因，为棉花花药颜色性状的遗传改良和杂交育种提供了理论依据。️迈维代谢提供了代谢组与转录组的检测分析服务。
️发表单位：石河子大学农学院
️发表期刊：International Journal of Biological Macromolecules
️影响因子：8.025
️发表时间：2025年1月
棉花()是重要的经济作物，其花药颜色直接影响花粉活力和抗逆性等性状。陆地棉花药通常呈白色，而海岛棉和许多野生棉种的花药则为黄色。花药颜色与植物体内类胡萝卜素和黄酮类物质的积累密切相关。本研究旨在探究棉花花药颜色的遗传基础和代谢调控机制，并解析类胡萝卜素和黄酮类物质在花药颜色形成中的作用，为培育观赏棉和杂交制种提供理论依据。
本研究选取了两个具有不同花药颜色的代表性棉花品种：陆地棉新陆早74号（白色花药，WA）和海岛棉SD102（黄色花药，YA）作为研究对象，通过杂交构建F及其F群体，并对F代群体进行性状调查及表型分析。此外，还从F群体中选取了30株黄色花药植株和30株白色花药植株，构建了两种花药颜色的DNA混池，分别进行BSA-seq和GBTS分析。利用包括1245个棉花种质的自然群体对候选基因进行了单倍型分析。同时，利用代谢组学和转录组学技术对两个品种的花药进行分析，以揭示其代谢物组成和基因表达差异。
️表型鉴定：通过表型鉴定，确认了SD102（YA）和新陆早 74（WA）两个棉花品种花药颜色的差异，并确定了花药发育的4个阶段。
️群体构建：通过构建F2群体并进行遗传分析，确定黄色花药性状受单个显性基因控制。
️遗传定位与单倍型分析：通过BSA-seq和GBTS技术，将控制棉花黄色花药性状的基因定位到A05染色体的89 kb区域内，候选基因为，其基因ID为，编码的是八氢番茄红素合酶（Phytoene Synthase, ）。进一步利用自然群体对候选基因进行单倍型分析，基因可以分为4种单倍型。
️代谢组分析：利用LC-MS/MS技术，检测了两个品种花药中的类胡萝卜素和黄酮类化合物含量，发现黄色花药中这些色素的含量显著高于白色花药。
️转录组分析：通过RNA-seq技术，鉴定出与黄色花药相关的差异表达基因（DEGs），并分析其在类胡萝卜素和类黄酮生物合成途径中的作用。
️进化分析：通过比较不同棉属的基因序列，揭示了黄色花药性状的进化起源，验证了作为黄色花药候选基因的可靠性。
️1.棉花花药颜色的遗传基础
通过对比黄色花药（YA）和白色花药（WA）在不同发育阶段的花药颜色变化，发现黄色花药在花药发育过程中逐渐变黄，而白色花药颜色保持不变，这一结果表明黄色花药颜色的变化与发育阶段密切相关，并且黄色花药性状由单个显性基因控制（图1）。通过F群体的表型分析，黄色花药与白色花药的比例符合3:1的分离比。利用BSA-seq和GBTS技术，将控制黄色花药性状的基因定位到A05染色体的89 kb区域内，候选基因为（，八氢番茄红素合酶），该基因在花药中高表达，且其表达水平随着花药发育逐渐降低（图1d）。使用1245个棉花种质对候选基因进行单倍型分析（图2），结果表明，基因可以分为4种单倍型，称为HAP1到HAP4（图2a）。HAP1和HAP4中白花药的比例超过97%，HAP2中白花药和黄花药的比例为42.3%和57.7%，HAP2中的品种主要来自陆地棉和海岛棉的杂交后代；HAP3是一种杂合单倍型（图2a）。基因结构分析表明，HAP1型基因在第一个外显子中有一个16,663 bp的大片段插入，而HAP4型在第三个外显子中有一个2756 bp插入（图2b）。为了进一步验证这一结果，使用了与HAP1、HAP4类型相对应的白花药和与HAP2类型相对应的黄花药进行表达测定。结果表明，在两种类型的白花药中，基因的相对表达水平都很低，而且两种单倍型之间没有显著差异（图2c）。以上结果明确了控制棉花黄色花药性状的遗传基础，为后续的基因功能验证和遗传改良提供了关键靶点。
图1 棉花黄色花药性状的表型鉴定和基因定位
图2 基因的单倍型分析
️2.类胡萝卜素和黄酮类化合物在花药颜色中的作用
代谢组分析显示，黄色花药中类胡萝卜素和黄酮类化合物的含量显著高于白色花药（图3）。在类胡萝卜素中，α-隐黄素是黄色花药特有的代谢物，β-胡萝卜素、β-隐黄素、叶黄素和玉米黄质在黄色花药中积累较多，其中叶黄素和玉米黄质是黄色花药与白色花药之间的主要差异表达代谢物（DEMs）。黄酮类化合物分析发现，共检测到273种黄酮类物质，其中17种为差异代谢物，分别属于黄酮醇、黄烷醇、黄酮、异黄酮和查尔酮类。这些结果表明，类胡萝卜素和类黄酮对黄色花药颜色形成至关重要。
️3.转录组分析揭示花药颜色调控机制
转录组分析结果显示，在黄色花药与白色花药的比较中，共鉴定出274个差异表达基因（DEGs），其中125个上调，148个下调。这些DEGs在类胡萝卜素和黄酮类生物合成途径都有富集。通过qRT-PCR验证了12个与类胡萝卜素和黄酮类生物合成途径相关的基因表达，结果与转录组数据一致。结合代谢组学，类胡萝卜素和类黄酮之间可能存在潜在的串扰，影响黄色花药颜色的形成。
图3 黄色花药（YA）和白色花药（WA）的转录组与代谢组分析
️4.进化分析揭示黄色花药的起源
通过比较棉属的基因及其同源序列，构建了系统进化树（图4）。基于进化树和序列相似性分析，推测陆地棉黄色花药可能起源于A基因组，D基因组棉属的花药颜色有白色，黄色，粉红色，这些基因序列与的同源基因更为相似。和基因对棉属中花药颜色的形成具有重要意义，类胡萝卜素和黄酮类化合物的积累可能对昆虫传粉具有吸引力，从而影响棉花的异交率。
图4 棉属中GhYA基因及其同源基因的进化分析
本研究揭示了棉花黄色花药性状的遗传基础、代谢调控机制及关键基因。通过遗传、代谢组学和转录组学分析，明确了控制棉花黄色花药性状的关键基因，并揭示了类胡萝卜素和黄酮类化合物在花药颜色形成中的重要作用。这些发现为深入理解棉花花药颜色性状的形成机制提供了新的见解，并为通过遗传改良提高棉花杂交育种效率提供了理论依据。
