睡莲（Nymphaea colorata）花青素合成酶（ANS）基因家族序列与表达分析的研究报告

作者及发表信息
本研究由海南大学热带作物育种国家重点实验室的Yang Shuting、Khan Wasi Ullah、Zhang Junyu等共同完成，通讯作者为Bai Yang与Chen Fei。研究成果于2025年3月发表于期刊 *Tropical Plants*（第4卷，文章编号e011），开放获取（DOI: 10.48130/tp-0025-0006）。

学术背景
花青素是植物中重要的水溶性色素，赋予花朵红、紫、蓝等颜色，其合成途径中的关键酶——花青素合成酶（Anthocyanin Synthase, ANS）在模型植物中已有较多研究，但在基部被子植物睡莲中的功能多样性及表达模式尚不明确。睡莲因其花色多样（尤其是稀有的蓝色花瓣）和进化地位特殊（基部被子植物），成为研究花色形成的理想材料。本研究旨在系统鉴定睡莲 N. colorata 中的ANS基因家族（命名为 *NcANS*），分析其进化关系、表达模式及与花色的关联，为分子育种提供理论依据。

研究流程与方法
1. 基因鉴定与理化性质分析
- 以拟南芥ANS蛋白为查询序列，通过同源比对和隐马尔可夫模型（HMM）从 N. colorata 基因组中鉴定出32个 NcANS 基因，并分析其分子量、等电点（pI）、亲水性等理化特性。
- 使用TBtools软件计算蛋白稳定性，发现仅6个基因编码的蛋白为稳定蛋白（不稳定性指数<40），其余均为不稳定蛋白。

1. 系统进化与结构分析

   • 构建包含6种植物（拟南芥、银杏、苏铁等）共388个ANS蛋白的最大似然（ML）系统发育树，将 NcANS 基因分为7个亚家族，揭示其与拟南芥ANS基因的亲缘关系较近。
     
   • 基序（Motif）分析显示，除 NcANS18 外，其余基因均含4个以上保守基序，且同一进化分支的基因基序排列相似。
     
   • 结构域分析发现，31个 NcANS 基因同时含2OG-Fe(II)依赖的加氧酶（2OG-Fe_oxy）和DIOX结构域，仅 NcANS16 缺失DIOX结构域。

2. 顺式作用元件与表达模式

   • 启动子分析发现所有 NcANS 基因均含光响应元件，且激素响应元件（如茉莉酸甲酯MeJA和赤霉素GA）丰富，暗示其受光和激素调控。
     
   • 转录组测序（RNA-seq）结合实时荧光定量PCR（RT-qPCR）验证显示：
     
     • *NcANS17*、*NcANS3*、NcANS6 在蓝、红色花瓣中表达显著高于白色花瓣；
       
     • NcANS19 和 NcANS16 呈现花色特异性表达，在蓝、红色花瓣中高表达，白色花瓣中几乎不表达。
       

3. 染色体定位与共线性分析

   • 共线性分析发现 NcANS 基因家族存在5对复制基因（如 NcANS1/*NcANS19*），Ka/Ks比值均，表明其经历了纯化选择。
     
   • 跨物种比较显示，睡莲与葡萄（*Vitis vinifera*）的ANS基因共线性最高（17对），暗示双子叶植物中ANS基因的保守性。

主要结果与逻辑关联
1. 基因家族扩张与功能分化
- 32个 NcANS 基因的鉴定表明睡莲中ANS家族经历了物种特异性扩张，其亚家族分类（7组）提示功能分化可能参与不同花色形成。
- 启动子中的光/激素响应元件与转录组数据一致，解释了蓝、红色花瓣中ANS高表达的环境调控机制。

1. 关键基因与花色关联
   
   • NcANS17 在三种花色中均高表达，可能为核心管家基因；而 NcANS19 和 NcANS16 的特异性表达直接关联蓝色色素积累。
     
   • RT-qPCR验证了RNA-seq结果，确认 NcANS19 在蓝色花瓣中表达量最高，与花青素含量正相关。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统解析了睡莲ANS基因家族的进化与表达特征，揭示了基部被子植物中花青素合成的独特调控机制。
- 发现 NcANS16 等基因可能通过结构域缺失（无DIOX域）实现功能创新，为酶活性的分子调控提供新视角。

1. 应用价值
   
   • 筛选出的花色相关基因（如 *NcANS19*）可作为分子标记，用于睡莲蓝色花卉的定向育种。
     
   • 启动子中的GA响应元件与水生适应性的关联，为研究环境胁迫下的色素合成调控提供线索。

研究亮点
1. 关键发现
- 鉴定出32个 NcANS 基因，其中 NcANS19 和 NcANS16 是蓝色花瓣形成的候选基因。
- 揭示了睡莲叶片中ANS基因的表达与其非全绿色表型（叶腋花青素积累）的相关性。

1. 方法创新
   
   • 整合多组学数据（基因组、转录组、启动子分析），结合跨物种共线性比较，全面解析基因家族进化。
     
   • 使用PhyloForge和TBtools等工具优化系统发育与可视化分析流程。

其他有价值内容
研究指出睡莲ANS基因可能通过协调光信号与激素（如GA）响应适应水生环境，这一假设为后续功能验证（如转基因或酵母杂交实验）提供了方向。此外，叶片中ANS基因的表达模式为研究非花器官色素分布机制开辟了新思路。