近日，青岛农业大学周功克教授团队在Journal of Plant Physiology（中科院2区，IF：3.549）期刊在线发表题为“Metabolome integrated with transcriptome reveal the molecular mechanism of efficient accumulation of flavonoids in a new duckweed variety (68-red)”的研究论文。园林与林学院刘宇副教授论文第一作者，青岛农业大学周功克教授和中国科学院青岛生物能源与过程研究所唐贤丰副研究员为论文共同通讯作者，园林与林学院孟杰和刘福妹也参与了部分工作。该研究得到国家自然科学基金、山东省博士基金和泰山学者项目的支持。

合成生物学为21世纪新兴学科，是当前国际科技发展的重要前沿领域之一。植物合成生物学被称为合成生物学研究的“下一篇章（Next Chapter）”，有望以合成生物技术革新药用植物活性代谢物的开发与生产制造。浮萍是世界上最小的开花植物，也是一种理想的底盘植物之一，具有高光效、生长速度快（2-4天繁殖一代）、结构简单、淀粉蛋白含量高，特别富含花青素、槲皮素、芹菜素和木犀草素衍生物等类黄酮化合物，这些化合物具有抗突变、抗肿瘤、治疗心血管疾病等广泛的生物活性。

在该研究中，团队利用重离子辐射诱变获得浮萍突变体库，经过大量筛选获得一株黄酮含量高且叶状体背面呈现深红色的突变体，我们将其命名为68-red。与野生型紫萍相比，该突变体的花青苷和原花色素含量分别增加5.63倍和2.32倍，荭草苷（luteolin-8-C-glucoside）和青兰苷（luteolin-7-O-glucoside）含量分别增加53.82%和41.31%。利用代谢组分析发现734个代谢物，其中251个代谢物差异积累，特别是矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、矢车菊素-3-O-半乳糖苷、天竺葵素-3-O葡萄糖苷和天竺葵素-3-O-（6''-O-丙二酰）葡萄糖苷呈现显著积累，且低聚原花色素（B1, B2, B3, B4, C1, C2）和黄酮糖苷（11个木犀草素及其糖苷，14个槲皮素及其糖苷，14个山奈酚及其糖苷和2个芹菜素糖苷）也大量积累。进一步分析发现黄酮代谢途径中16个酶基因显著上调表达，而查尔酮异构酶基因（CHI）则显著下调表达。转录组和代谢组联合分析发现，三个类黄酮3'-羟化酶基因（Spipo0G0155000， Spipo2G0086700，Spipo1G0098200）分别与224，238和237个差异代谢物关联，其中包括矢车菊素糖苷，天竺葵素糖苷，低聚原花色素和黄酮糖苷，提出类黄酮3'-羟化酶基因可能是导致突变体高效积累类黄酮的关键因素，为未来利用浮萍高效合成类黄酮化合物提供了重要的功能元件。此外，在本研究中并没有检测到黄酮3'5'-羟化酶基因（F3'5'H）和飞燕草素糖苷，推测紫萍中并不存在飞燕草素合成途径。

图1 突变体68-red类黄酮代谢途径

图2 类黄酮3'-羟化酶基因（F3'H）与差异代谢物关联分析

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jplph.2022.153753