Hortic Res | 基因组所揭示自嫁接和异嫁接对葡萄花青素生物合成的影响

近日，基因组所与新疆农业科学院园艺作物研究所合作，在《园艺研究(Horticulture Research)》发表了题为Metabolomic and transcriptomic analyses reveal the effects of self- and hetero-grafting on anthocyanin biosynthesis in grapevine的研究论文。该研究通过代谢组学和转录组学分析揭示自嫁接和异嫁接对葡萄花青素生物合成的影响，对葡萄优质生产和品质改良具有重要意义。

嫁接是通过将一株植物的枝或芽，嫁接到另一株植物的茎或根上，从而建立植株之间维管组织连续的，拥有两套基因组的新个体。据史料记载，这种精妙的园林艺术大约在4000年前发源于我国。葡萄嫁接在生产上的应用可追溯到约2500 年前。嫁接能够对增强接穗植物对生物和非生物胁迫的抗性，并对提高其产量、品质等农艺性状具有重要作用。十九世纪，来自美国的根瘤蚜摧毀了欧洲2/3以上的葡萄园，造成万亿的经济损失，而这一难题最终通过嫁接得以解决。美国的野生葡萄具有根瘤蚜抗性，因此被作为砧木广泛应用于葡萄生产中。嫁接个体同时拥有两套核基因组，然而对复杂的调控过程知之甚少。研究砧木与接穗之间的相互调控及其表型影响对葡萄优质生产和品质改良具有重要意义。

在葡萄生产中发现，砧木可以促进接穗果实成熟过程中的着色变化。然而关于嫁接调控葡萄果实成熟过程中花色苷的遗传基础和分子机制尚不清楚。本研究基于果实表型、代谢组学和转录组学分析，研究了嫁接、浆果着色、代谢组学和转录组学特征之间的关系。与无嫁接相比较，异砧嫁接加速了果实成熟过程，增加了果皮花色苷积累。研究结果不仅提高了我们对嫁接调控机制的认识，也为鲜食葡萄栽培生产中的浆果花青素合成和积累的关键品质改良提供了优良的砧穗组合。

在这项研究中，通过将克瑞森无核‘Crimson Seedless’ （Vitis vinifera, CS）嫁接到四种扦插繁殖砧木（三个砧穗组合：CS/101-14MG、 CS/SO4、CS/110R和一个本砧嫁接：CS/CS），以一个未嫁接的克瑞森无核（CS）扦插苗作为对照。结果表明，砧木嫁接影响了克瑞森无核果实的发育，在开花后45天，不同砧木的嫁接促进了花青素的合成和积累，对浆果着色均有较为显著的影响。

代谢组学研究表明，花青素 3-O-葡萄糖苷、飞燕草素 3-O-葡萄糖苷、锦葵素 3-O-葡萄糖苷、牡丹素 3-O 葡萄糖苷和矮牵牛素 3-O-葡萄糖苷是红色果皮色素积累的主要代谢物。进一步的转录组学分析表明，从上游（苯丙氨酸解氨酶）到下游（花青素 3-O-葡糖基转移酶和花青素合酶）的花青素生物合成相关基因在砧穗组合（CS/101-14MG、CS/ SO4 和 CS/110R）中随着花青素的逐渐积累而呈显著上调表达。同时，与扦插苗CS相比，这些基因均高度表达，并且在本砧嫁接CS/CS果实中积累了更多的花青素，这表明本砧嫁接可能也促进了葡萄的浆果变红。

综上，通过结合表型、转录组和代谢组的综合分析为葡萄提供了与花青素合成相关的基因-代谢物调控网络的大规模信息。研究结果提供了不同砧穗组合下葡萄果皮颜色的调控差异，为改良鲜食葡萄的品质和今后育种工作提供了一定的理论参考。

图1 克瑞森无核Crimson Seedless嫁接在不同砧木上的嫁接设计和果实表型

图2 代谢物的无监督多元PCA分析及其与浆果着色的关联

新疆农业科学院园艺作物研究所葡萄与浆果研究室钟海霞副研究员、中国农业科学院深圳农业基因组研究所刘众杰博士后和新疆农业科学院园艺作物研究所张付春研究员为该论文的并列第一作者，新疆农业科学院园艺作物研究所潘明启研究员和伍新宇研究员，中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋研究员为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（32160682、31960575）、甘肃省青年博士基金（2021QB-120）、财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系、自治区天山优秀青年项目（2020Q028）的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhac103