核桃（Juglans regia）是一种具有重要经济价值的坚果油料树种，‘紫京’核桃是极具特色的栽培品种，因其叶片、青皮、雌雄花、枝条、种皮均稳定呈现紫色，又称“五紫”核桃。‘紫京’核桃在五个组织中均含有高水平的花青素，因而对消费者极具吸引力。除了外观醒目和可供食用外，其丰富的类黄酮提取物还具有潜在的药用价值。除了较高的食用和药用价值外，‘紫京’核桃还被用作观赏园艺树种，常种植于公园和花园中。木本植物紫色叶片、花和果实的形成，以及叶片和果实紫色着色的代谢过程和遗传调控机制研究具有理论和实践意义。

近日，西北大学生命科学学院赵鹏教授团队在国际权威期刊Horticulture Research（一区TOP，IF5=10.2）在线发表了题为“Integrated genome assembly, transcriptome, and metabolomics analysis elucidate anthocyanin accumulation and regulatory mechanisms in five-purple walnut (Juglans regia cv. Zijing)”的研究论文。该研究系统阐明了调控核桃花青素介导的紫色表型的调控网络，为多年生木本植物紫色性状形成的分子机制提供了新的理论见解。

该研究整合多组学数据阐明了五紫核桃（Juglans regia cv. Zijing）中花青素的积累及其调控机制。组装了‘紫京’核桃与‘绿岭’核桃染色体水平的高质量基因组，通过整合转录组学和代谢组学分析，鉴定出在紫京叶片和青果皮中高度表达的JrANS54、JrANS102、JrC4H122、JrUFGT46以及转录因子（TFs）。其中，形成MYB-bHLH-WD40（MBW）复合体的基因表达尤为强烈。多组学分析及功能验证证实，JrMYB216和JrMYB85是调控紫核核桃叶片和青皮着色的关键转录因子。JrMYB216在紫核核桃中的功能优势可能源于其独特的遗传特性。本研究为“五紫核桃”的表型提供了遗传学解释，并为培育花青素表达水平更高的观赏植物奠定了理论基础。

图1 “紫京”核桃与“绿岭”核桃的形态学和基因组特征

该研究采用高通量测序技术对‘紫京’核桃和‘绿岭’核桃完成全基因组测序，最终获得基因组大小分别为551.57 Mb和552.94 Mb，BUSCO评估显示‘紫京’核桃和‘绿岭’核桃基因组的完整度高达98.5%和98.6%。其中，在‘紫京’核桃中鉴定到了289个特有基因，它们显著富集在角质层、软木素和蜡生物合成、黄酮类化合物生物合成以及苯丙烷类化合物生物合成等代谢通路。

图2 ‘紫京’核桃和‘绿岭’核桃叶片的多组学联合分析

通过对核桃品种叶片和青皮不同发育时期的转录组学和代谢组学等多组学分析，揭示了多个与花青素合成和积累相关的候选基因，例如JrMYB216、JrMYB85、JrbHLH157和JrANS102等。并且JrMYB216和JrMYB85在‘紫京’核桃的叶片、青皮、枝条、雌雄花、种皮等器官中表达水平均高于‘绿岭’核桃。随后，在拟南芥、烟草、核桃青皮中分别过表达JrMYB216和JrMYB85验证了它们在类黄酮生物合成的作用。JrMYB85与JrMYB216、bHLH42、WD40-168均存在互作关系，而JrMYB216仅与bHLH42和JrMYB85存在互作关系，表明这两个MYB转录因子可能扮演着不同的功能角色。JrMYB85扮演着“组织者”的角色，招募MYB、bHLH、WD40形成MBW复合体调控核桃器官颜色，而JrMYB216则扮演着“执行者”角色，直接调控花青素积累，影响核桃着色。

图3 JrMYB216和JrMYB85的功能和互作验证

西北大学为第一作者单位和通讯作者单位，赵鹏教授为论文的通讯作者。博士研究生马佳雨、惠瑞敏博士和周惠娟博士为论文共同第一作者。西北大学生命科学学院付爱根教授、李贝贝副教授和张卫国副教授，美国普渡大学Keith Woeste教授提供了重要指导。西北农林科技大学郝凡博士，西北大学刘恒兆博士和硕士研究生吴凡、贺定霖、张典典、王锐等参与了这项研究工作。感谢北京紫京核桃科技开发有限公司提供了部分样本材料。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、陕西省基础科学（化学、生物学）研究院、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究、陕西省科学院“秦岭百人”青年拔尖人才、陕西省科学院引智人才、陕西省林业科技创新重点专项、西北大学研究生科研创新等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhag262