摘要：花青素是一类广泛分布的黄酮类次生代谢物，不仅是植物色彩的重要决定因素，还作为抗氧化剂参与植物对生物和非生物胁迫的响应。此外，富含花青素的食物对人类健康具有多种益处。马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为一种重要的块茎类作物，起源于安第斯山脉的地
花青素是一类广泛分布的黄酮类次生代谢物，不仅是植物色彩的重要决定因素，还作为抗氧化剂参与植物对生物和非生物胁迫的响应。此外，富含花青素的食物对人类健康具有多种益处。马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为一种重要的块茎类作物，起源于安第斯山脉的地方种，其块茎颜色展现出丰富的多样性，主要归因于花青素和类胡萝卜素的积累。然而，作为马铃薯的主要食用部位，块茎薯肉中花青素合成的调控机制仍然未被阐明。
近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了中国农业科学院农业基因组研究所张春芝课题组与云南师范大学马铃薯科学研究院祝光涛课题组题为“Two tandem R2R3 MYB transcription factor genes cooperatively regulate anthocyanin accumulation in potato tuber flesh”的文章。该研究阐明了块茎薯肉花青素调控位点Pigmented tuber flesh (Pf)中两个串联的R2R3 MYB转录因子基因StMYB200和StMYB210协同调控薯肉花青素合成的分子机制。
研究人员利用135份二倍体马铃薯种质对薯肉花青素性状进行GWAS分析，在10染色体鉴定到一个主效位点，命名为Pf位点。基因组和转录组分析表明，StMYB200和StMYB210可能是Pf位点的候选基因。基因编辑试验表明StMYB200和StMYB210均参与调控薯肉花青素的积累，是Pf位点的候选基因。转录组分析发现类黄酮和花青素合成通路中的大部分结构基因在敲除株系中显著下调，进一步表明StMYB200和StMYB210调控薯肉花青素合成。RT-qPCR结果显示这两个基因敲除基本不影响StMYB200的表达，但显著下调StMYB210的表达，特别是StMYB200敲除株系中，StMYB210几乎不表达，表明这两个MYB转录因子之间可能存在调控关系。
启动子分析发现，红皮红肉材料中的StMYB210基因启动子存在一个1.7 kb的插入片段。Dual-LUC试验表明，StMYB200可以激活包含1.7 kb插入片段的StMYB210启动子。而1.7 kb插入片段包含10个100 bp左右的重复序列，每个重复序列包含两个MYB结合元件（MBS2），同时含包含四个另一种类型的MYB结合元件（MBS1）。酵母单杂交和EMSA试验证实，StMYB200可以结合MBS1位点。Dual-LUC、酵母单杂交和EMSA试验同样表明，StMYB210通过结合自身启动子中1.7 kb插入片段的MBSs元件激活自身转录。
StMYB200和StMYB210敲除株系中StbHLH1完全不表达，因此认为StMYB200和StMYB210位于StbHLH1上游调控其转录，Dual-LUC试验同样证实了该结论。基因编辑表明StbHLH1参与调控薯肉花青素积累。利用酵母双杂交、pull-down、LUC互补和BiFC试验证实StMYB200、StMYB210和StbHLH1两两之间均存在蛋白互作。Dual-LUC试验表明StbHLH1不可以单独激活下游花青素合成基因StDFR的转录，但能增强StMYB200和StMYB210对StDFR的激活作用。
为了验证StMYB210启动子中1.7 kb插入片段在自然群体中是否同样关键，选择了24份二倍体马铃薯材料进行分析，其中包含4份白皮白肉的野生型材料，11份薯肉无花青素积累的种质，9份薯肉有花青素积累的种质。结果发现，野生材料的StMYB210启动子均不含1.7 kb插入，而薯肉有色材料均包含1.7 kb插入；同时半定量发现StMYB210在含1.7 kb插入片段马铃薯材料的薯肉中有表达，不含1.7 kb插入片段材料中StMYB210不表达。进一步对354份二倍体马铃薯材料的StMYB210启动子进行扩增分析，结果表明StMYB210启动子中1.7 kb插入片段可能是一个驯化位点，随着花青素性状的驯化和改良，频率不断增加。
最后，我们绘制了一个马铃薯薯肉花青素合成调控模式图。在Pf单倍型中，StMYB200正常表达，结合StMYB210启动子的1.7 kb插入片段激活StMYB210表达，StMYB210进一步结合1.7 kb插入片段增强自身表达水平；StMYB200、StMYB210与StbHLH1形成复合体，激活下游花青素合成基因的转录，在薯肉中积累花青素。在pf单倍型中，StMYB200低表达，但StMYB210启动子缺失1.7 kb插入片段，无法被StMYB200激活，他们也无法形成复合体激活下游结构基因，薯肉中也不能积累花青素。
本研究揭示了Pf位点调控马铃薯薯肉中色素积累的遗传和分子机制，为理解马铃薯中花青素合成的调控提供了新的视角，同时为开发具有更高营养价值和市场需求的彩色马铃薯品种提供了重要参考。本研究得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究重大专项和中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。中国农业科学院农业基因组研究所博士后杜慧、翟泽峰和云南师范大学马铃薯科学研究院博士研究生普金为论文的共同第一作者。中国农业科学院农业基因组研究所张春芝研究员与云南师范大学马铃薯科学研究院祝光涛教授为论文共同通讯作者。
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来源：豆豆说科学