Metabolome combined with transcriptome profiling reveals the dynamic changes in flavonoids in red and green leaves of Populus × euramericana ‘Zhonghuahongye’

Resumo

Os flavonóides são metabólitos secundários que possuem valor econômico e são essenciais para a saúde. O choupo/álamo é uma árvore lenhosa perene frequentemente usada para estudar os mecanismos reguladores da síntese de flavonóides. Utilizamos um mutante de botão de choupo, a variedade de choupo de folha vermelha 2025 (Populus × euramericana ‘Zhonghuahongye’) e folhas verdes como materiais de estudo e selecionamos três estágios de mudanças na cor das folhas para avaliação. Análises fenotípicas e bioquímicas mostraram que os teores totais de flavonóides, polifenóis e antocianinas das folhas vermelhas foram maiores do que os das folhas verdes no primeiro estágio, e as folhas jovens e tenras da variedade de folhas vermelhas apresentaram maior atividade antioxidante. As análises de metabólitos amplamente direcionados identificaram um total de 273 metabólitos de flavonóides (114 flavonas, 41 flavonóis, 34 flavonóides, 25 flavanonas, 21 antocianinas, 18 polifenóis, 15 isoflavonas e 5 proantocianidinas). A maior diferença entre os metabólitos foi encontrada na primeira etapa. A maioria dos flavonóides acumulou-se nas folhas vermelhas e oito compostos de antocianina contribuíram para a coloração vermelha das folhas. Uma análise metabolômica abrangente baseada em RNA-seq mostrou que a maioria dos genes nas vias biossintéticas de flavonóides e antocianinas foram expressos diferencialmente nos dois tipos de folhas. Os genes de síntese de flavonóides CHS (gene da chalcona sintase), FLS (gene da flavonol sintase), ANS (gene da antocianidina sintase) e o gene de síntese da proantocianidina LAR (gene da leucoantocianidina redutase) podem desempenhar papéis importantes nas diferenças no metabolismo dos flavonóides. Uma análise de correlação de metabólitos e genes centrais revelou vários candidatos a reguladores da biossíntese de flavonóides e antocianinas, incluindo cinco fatores de transcrição MYB (domínio MYB), três bHLH (hélice-alça-hélice básica) e HY5 (hipocótilo 5 alongado). Este estudo fornece uma referência para a identificação e utilização de componentes bioativos flavonóides no choupo de folhas vermelhas e melhora a compreensão das diferenças no metabolismo e na expressão gênica entre folhas vermelhas e verdes em diferentes estágios de desenvolvimento.

Abstract

Flavonoids are secondary metabolites that have economic value and are essential for health. Poplar is a model perennial woody tree that is often used to study the regulatory mechanisms of flavonoid synthesis. We used a poplar bud mutant, the red leaf poplar variety 2025 (Populus × euramericana ‘Zhonghuahongye’), and green leaves as study materials and selected three stages of leaf color changes for evaluation. Phenotypic and biochemical analyses showed that the total flavonoid, polyphenol, and anthocyanin contents of red leaves were higher than those of green leaves in the first stage, and the young and tender leaves of the red leaf variety had higher antioxidant activity. The analyses of widely targeted metabolites identified a total of 273 flavonoid metabolites (114 flavones, 41 flavonols, 34 flavonoids, 25 flavanones, 21 anthocyanins, 18 polyphenols, 15 isoflavones, and 5 proanthocyanidins). The greatest difference among the metabolites was found in the first stage. Most flavonoids accumulated in red leaves, and eight anthocyanin compounds contributed to red leaf coloration. A comprehensive metabolomic analysis based on RNA-seq showed that most genes in the flavonoid and anthocyanin biosynthetic pathways were differentially expressed in the two types of leaves. The flavonoid synthesis genes CHS (chalcone synthase gene), FLS (flavonol synthase gene), ANS (anthocyanidin synthase gene), and proanthocyanidin synthesis gene LAR (leucoanthocyanidin reductase gene) might play key roles in the differences in flavonoid metabolism. A correlation analysis of core metabolites and genes revealed several candidate regulators of flavonoid and anthocyanin biosynthesis, including five MYB (MYB domain), three bHLH (basic helix-loop-helix), and HY5 (elongated hypocotyl 5) transcription factors. This study provides a reference for the identification and utilization of flavonoid bioactive components in red-leaf poplar and improves the understanding of the differences in metabolism and gene expression between red and green leaves at different developmental stages.