花青素是一類(lèi)廣泛分布的黃酮類(lèi)次生代謝物，不僅是植物色彩的重要決定因素，還作為抗氧化劑參與植物對(duì)生物和非生物脅迫的響應(yīng)。此外，富含花青素的食物對(duì)人類(lèi)健康具有多種益處。馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）作為一種重要的塊莖類(lèi)作物，起源于安第斯山脈的地方種，其塊莖顏色展現(xiàn)出豐富的多樣性，主要?dú)w因于花青素和類(lèi)胡蘿卜素的積累。然而，作為馬鈴薯的主要食用部位，塊莖薯肉中花青素合成的調(diào)控機(jī)制仍然未被闡明。

近日，《植物生物技術(shù)雜志（Plant Biotechnology Journal）》在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）張春芝課題組與云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院祝光濤課題組發(fā)表題為“Two tandem R2R3 MYB transcription factor genes cooperatively regulate anthocyanin accumulation in potato tuber flesh”的文章。該研究闡明了塊莖薯肉花青素調(diào)控位點(diǎn)Pigmented tuber flesh (Pf)中兩個(gè)串聯(lián)的R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子基因StMYB200和StMYB210協(xié)同調(diào)控薯肉花青素合成的分子機(jī)制。

研究人員利用135份二倍體馬鈴薯種質(zhì)對(duì)薯肉花青素性狀進(jìn)行GWAS分析，在10染色體鑒定到一個(gè)主效位點(diǎn)，命名為Pf位點(diǎn)。基因組和轉(zhuǎn)錄組分析表明，StMYB200和StMYB210可能是Pf位點(diǎn)的候選基因。基因編輯試驗(yàn)表明StMYB200和StMYB210均參與調(diào)控薯肉花青素的積累，是Pf位點(diǎn)的候選基因。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)類(lèi)黃酮和花青素合成通路中的大部分結(jié)構(gòu)基因在敲除株系中顯著下調(diào)，進(jìn)一步表明StMYB200和StMYB210調(diào)控薯肉花青素合成。RT-qPCR結(jié)果顯示這兩個(gè)基因敲除基本不影響StMYB200的表達(dá)，但顯著下調(diào)StMYB210的表達(dá)，特別是StMYB200敲除株系中，StMYB210幾乎不表達(dá)，表明這兩個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子之間可能存在調(diào)控關(guān)系。

啟動(dòng)子分析發(fā)現(xiàn)，紅皮紅肉材料中的StMYB210基因啟動(dòng)子存在一個(gè)1.7 kb的插入片段。Dual-LUC試驗(yàn)表明，StMYB200可以激活包含1.7 kb插入片段的StMYB210啟動(dòng)子。而1.7 kb插入片段包含10個(gè)100 bp左右的重復(fù)序列，每個(gè)重復(fù)序列包含兩個(gè)MYB結(jié)合元件（MBS2），同時(shí)含包含四個(gè)另一種類(lèi)型的MYB結(jié)合元件（MBS1）。酵母單雜交和EMSA試驗(yàn)證實(shí)，StMYB200可以結(jié)合MBS1位點(diǎn)。Dual-LUC、酵母單雜交和EMSA試驗(yàn)同樣表明，StMYB210通過(guò)結(jié)合自身啟動(dòng)子中1.7 kb插入片段的MBSs元件激活自身轉(zhuǎn)錄。

StMYB200和StMYB210敲除株系中StbHLH1完全不表達(dá)，因此認(rèn)為StMYB200和StMYB210位于StbHLH1上游調(diào)控其轉(zhuǎn)錄，Dual-LUC試驗(yàn)同樣證實(shí)了該結(jié)論。基因編輯表明StbHLH1參與調(diào)控薯肉花青素積累。利用酵母雙雜交、pull-down、LUC互補(bǔ)和BiFC試驗(yàn)證實(shí)StMYB200、StMYB210和StbHLH1兩兩之間均存在蛋白互作。Dual-LUC試驗(yàn)表明StbHLH1不可以單獨(dú)激活下游花青素合成基因StDFR的轉(zhuǎn)錄，但能增強(qiáng)StMYB200和StMYB210對(duì)StDFR的激活作用。

為了驗(yàn)證StMYB210啟動(dòng)子中1.7 kb插入片段在自然群體中是否同樣關(guān)鍵，選擇了24份二倍體馬鈴薯材料進(jìn)行分析，其中包含4份白皮白肉的野生型材料，11份薯肉無(wú)花青素積累的種質(zhì)，9份薯肉有花青素積累的種質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，野生材料的StMYB210啟動(dòng)子均不含1.7 kb插入，而薯肉有色材料均包含1.7 kb插入；同時(shí)半定量發(fā)現(xiàn)StMYB210在含1.7 kb插入片段馬鈴薯材料的薯肉中有表達(dá)，不含1.7 kb插入片段材料中StMYB210不表達(dá)。進(jìn)一步對(duì)354份二倍體馬鈴薯材料的StMYB210啟動(dòng)子進(jìn)行擴(kuò)增分析，結(jié)果表明StMYB210啟動(dòng)子中1.7 kb插入片段可能是一個(gè)馴化位點(diǎn)，隨著花青素性狀的馴化和改良，頻率不斷增加。

最后，我們繪制了一個(gè)馬鈴薯薯肉花青素合成調(diào)控模式圖。在Pf單倍型中，StMYB200正常表達(dá)，結(jié)合StMYB210啟動(dòng)子的1.7 kb插入片段激活StMYB210表達(dá)，StMYB210進(jìn)一步結(jié)合1.7 kb插入片段增強(qiáng)自身表達(dá)水平；StMYB200、StMYB210與StbHLH1形成復(fù)合體，激活下游花青素合成基因的轉(zhuǎn)錄，在薯肉中積累花青素。在pf單倍型中，StMYB200低表達(dá)，但StMYB210啟動(dòng)子缺失1.7 kb插入片段，無(wú)法被StMYB200激活，他們也無(wú)法形成復(fù)合體激活下游結(jié)構(gòu)基因，薯肉中也不能積累花青素。

本研究揭示了Pf位點(diǎn)調(diào)控馬鈴薯薯肉中色素積累的遺傳和分子機(jī)制，為理解馬鈴薯中花青素合成的調(diào)控提供了新的視角，同時(shí)為開(kāi)發(fā)具有更高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和市場(chǎng)需求的彩色馬鈴薯品種提供了重要參考。

基因組所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）博士后杜慧、翟澤峰和云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院博士研究生普金為論文的共同第一作者。基因組所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）張春芝研究員與云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院祝光濤教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大專(zhuān)項(xiàng)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14602