研究背景
玫瑰（Rosa rugosa）是享誉国际的功能花卉。与世界著名观赏植物月季（Rosa hybrida）相比，玫瑰具有更强的抗寒、抗旱、抗病虫害和耐盐碱能力，但花色单调等原因严重限制了其观赏应用。现有玫瑰品种数量不足50个，花色只有白色和粉紫色，缺少红色（正红色，传统的中国红，又称绛色）品种。红色作为喜庆、热情和勇气的象征，一直深受世界各国人民，尤其是中国人民的喜爱。但红色花瓣呈色的分子机理并不清楚，导致红色品种的改良育种存在很大偶然性和不确定性。本研究以课题组培育出的2个红色玫瑰种质、1个变色玫瑰种质和多个粉紫色玫瑰种质为实验材料，通过对OMT（氧甲基转移酶）家族进行成员识别和特征分析、基因表达模式分析和瞬时表达功能验证，筛选出并证实了RrCCoAOMT1能够通过调控矢车菊素苷和芍药花素苷的含量比而介导玫瑰花瓣产生红色和粉紫色分化，是创制红色玫瑰品种的重要分子工具。研究结果可为进一步深入研究红色玫瑰花瓣呈色调控机制和花色改良育种奠定良好理论基础。
研究结果
1) 玫瑰OMT家族共有38个成员，隶属于2个亚家族
通过HMM模型从玫瑰基因组中筛选出38个OMT成员，包含11个CCoAOMT亚家族成员和27个COMT亚家族成员。两个亚家族成员在序列长度、分子量大小和染色体定位等方面存在明显差异。目前的研究表明，与花青苷合成相关的OMT成员均隶属于CCoAOMT亚家族，11个CCoAOMT亚家族成员的启动子区域含有大量激素和逆境胁迫响应元件。多物种系统发育树显示，RrCCoAOMT1与其他物种中具有花青苷甲基化功能的序列聚在一起。
图1 玫瑰、月季、拟南芥、葡萄、石榴和矮牵牛等6个物种中OMT成员的系统发育树
2) RrCCoAOMT1可能与玫瑰花瓣呈色有关
通过分析前期的转录组测序结果发现，6个RrCCoAOMTs基因在玫瑰花瓣中未检测到或表达量极低，另外5个RrCCoAOMTs基因在玫瑰花瓣中高丰度表达，其中RrCCoAOMT1和RrCCoAOMT6均在红色花瓣中表达量最低，且二者表达水平与芍药花素苷含量显著正相关。这说明，RrCCoAOMT1和RrCCoAOMT6可能与玫瑰花瓣呈色有关。随后，我们又检测了玫瑰根、茎、叶、花瓣中的5个RrCCoAOMTs表达量和花青苷含量，推测只有RrCCoAOMT1与玫瑰花瓣呈色有关。
图2 RrCCoAOMTs基因表达模式及其与芍药花素苷含量的相关性分析
3) RrCCoAOMT1可能通过改变Cy3G5G/Pn3G5G影响玫瑰花瓣呈色
为进一步探究RrCCoAOMT1与玫瑰花瓣呈色的关系，我们检测了更多不同颜色玫瑰种质花瓣中的RrCCoAOMT1表达水平和花青苷含量，发现：RrCCoAOMT1在红色、粉色和紫色玫瑰种质花瓣中的表达量呈阶梯状上调趋势，在变色玫瑰种质花瓣颜由红色转变为粉紫色时也呈上调趋势，这与不同玫瑰种质花瓣中Cy3G5G和Pn3G5G含量比（Cy3G5G/Pn3G5G）的变化趋势恰好相反。这说明，RrCCoAOMT1可能通过负向调控Cy3G5G/Pn3G5G影响玫瑰花瓣呈色。
图3 不同颜色玫瑰种质花瓣中的RrCCoAOMT1表达模式与花青苷含量分析
4) RrCCoAOMT1是通过负向调控Cy3G5G/Pn3G5G创制红色玫瑰品种的重要分子工具
为进一步证实RrCCoAOMT1在调控玫瑰花瓣呈色方面的功能，我们分别以紫色（8-16）和粉色（8-37）玫瑰种质花瓣为材料进行了RrCCoAOMT1瞬时过表达和沉默的功能验证，结果显示：与对照相比，在紫色和粉色玫瑰花瓣中沉默RrCCoAOMT1基因后，Cy3G5G/Pn3G5G均显著提高，其中紫色玫瑰花瓣变为正红色，粉色玫瑰花瓣色调也明显往红色偏移。这说明，RrCCoAOMT1可以通过将Cy3G5G甲基化为Pn3G5G，改变玫瑰花瓣的Cy3G5G/Pn3G5G而影响玫瑰花瓣呈色。要想呈现正红色表型，在RrCCoAOMT1低水平表达的同时，可能需要玫瑰花瓣中具有较高的花青苷总含量。RrCCoAOMT1的确是一个通过调控Cy3G5G/Pn3G5G创制红色玫瑰品种的重要分子工具。
图4 RrCCoAOMT1在紫色和粉色玫瑰花瓣中的瞬时表达功能验证
5) 结论：
OMT家族成员—RrCCoAOMT1通过催化Cy3G5G的氧甲基化调控Cy3G5G/Pn3G5G，进而介导玫瑰花瓣红色表型的形成。这一发现不仅为进一步深入研究红色玫瑰花瓣呈色调控机制奠定了理论基础，也为培育红色玫瑰新品种提供了重要基因资源。通过这项研究，不仅增进了我们对红色花形成机制的理解，也为未来观赏植物花色育种工作提供了新的方向和可能性。
山东农业大学林学院于云艳教授和吴岐奎老师为该论文的共同通讯作者，硕士研究生朱子琪为第一作者。山东农业大学园艺科学与工程学院邢树堂副教授参与了论文指导，硕士研究生昝伟霞、王乙婷参与了论文研究工作。该研究获得山东省自然科学基金项目（ZR2023MC015）和山东省农业良种工程项目（2020LZGC011）的资助。
