莲是莲科莲属的多年生水生草本植物，具有重要的观赏、食用、药用、生态及宗教文化价值。目前，莲在我国的栽培总面积已达1000余万亩，是我国栽培面积最大的水生经济作物。随着莲全基因组测序工作的完成以及莲遗传育种和基因功能研究平台的建立，莲已日益成为研究植物花器官发育、花色形成、地下茎膨大及次生代谢物合成的重要模式园艺植物。但莲稳定的遗传转化体系至今仍未建立，这严重制约了莲的基因功能研究和精准育种进程。莲愈伤组织不可逆的迅速褐化是影响莲愈伤组织继代及再生的重要原因。
中国科学院武汉植物园杨美研究团队以处于不同褐化阶段的莲愈伤组织为研究对象，结合组化切片染色、广靶代谢组和比较转录组分析，深入探讨了莲愈伤组织快速褐化的分子机制。新鲜诱导的莲愈伤组织（第1-2周）呈健康的乳白色，健康愈伤组织在第3-4周内开始变成淡褐色，之后在第5-8周变为深褐色，并最终逐步凋亡。组化切片染色结果显示，褐化导致了莲愈伤组织细胞的大量死亡，并伴随着大量多酚类和木质化物质的累积。广靶代谢组结果表明，莲愈伤褐化过程中，大多数类黄酮类和生物碱类物质的含量显著下降，但大量多酚类物质的含量显著上升。比较转录组分析鉴定到了一大批参与类黄酮和生物碱类物质合成和调控的差异基因，其中两个多酚氧化酶（PPO）和17个过氧化物酶（POD）基因在愈伤褐化的过程中显著上调。综上，研究结果表明，莲愈伤组织褐化主要受代谢过程控制，其中，莲富含的生物碱类和类黄酮类物质的氧化是导致愈伤组织细胞褐化的决定性因素。
该研究揭示了导致莲愈伤组织细胞褐化的主要原因，鉴定了一批参与莲愈伤组织褐化过程的关键候选基因和转录因子，为控制莲愈伤组织细胞褐化，早日克服莲愈伤组织细胞的继代和再生障碍提供了新的思路。
相关研究结果以“Metabolite profiling and screen of callus browning-related genes in lotus (Nelumbo nucifera)”为题发表在了国际知名学术期刊Physiologia Plantarum上。中国科学院武汉植物园的邓显豹副研究员为本文的第一作者，杨美研究员为通信作者。该研究得到了国家自然科学基金（32070336和31700262）和中国科学院战略生物资源计划（KFJ-BRP-007-009）等项目的资助。
摘要图：莲愈伤组织细胞褐化的分子机制解析。左图，莲愈伤组织褐化分级；中图，愈伤组织切片染色，广靶代谢组和比较转录组分析；右图，愈伤褐化时基因表达和代谢物累积变化分析。
