紫色土豆花青素怎么形成的？马铃薯块茎的花青素秘密

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文丨江玉珘

编辑丨江玉珘

马铃薯中含有有益健康的黄酮类化合物，为了更好地了解马铃薯块茎黄酮的积累和肉质色素的调控机制。

采用综合方法分析了三个有色马铃薯克隆在三个发育阶段的块茎的转录组和代谢组，在有色肉质中鉴定了72种黄酮类化合物，其中包括花青素、黄酮醇和黄酮。

加权基因共表达网络分析进一步确定了模块和候选基因，这些基因在正向或负向调节黄酮类生物合成方面发挥作用。

还鉴定出参与块茎发育过程中花青素生物合成调控的R2R3-MYB抑制子StMYB3和R3-MYB抑制子StMYBATV，StMYB3和StMYBATV都可以与辅因子StbHLH1相互作用，并抑制花青素的生物合成。

在马铃薯块茎发育过程中，协调的MYB激活子-抑制子网络存在反馈调控机制，精细调节了马铃薯块茎色素的生成。

马铃薯块茎中黄酮合成及调控机制的研究

通过缩合反应，香豆素合酶将对香豆酰辅酶A和脂肪酸衍生的马来酰辅酶A转化为柚皮素香豆素，随后由途径内不同酶催化，生成各种黄酮类化合物。

黄酮3-羟化酶、黄酮3′5′-羟化酶、黄酮3′-羟化酶和二氢黄酮醇4还原酶将路线引导到白色花青素，无色的白色花青素然后被花青素合酶转化为有色的花青素。

如花青素、洋红花青素和石竹花青素，然后通过尿苷5'-二磷酸-葡萄糖黄酮-O-糖基转移酶或其他化学修饰，如******化和酰化。

这些产物通过谷胱甘肽S-转移酶、ATP结合盒蛋白和多药和有毒外排等不同类型的机制从细胞质转运到液泡中进行储存。

除了与制造黄酮醇、黄酮、异黄酮和PAs相关的酶编码基因外，影响基因表达的转录因子在各个物种中也有所发现。

这条途径内的基因表达受到MYB-bHLH-WD40复合体的控制，基本上涉及MYB、碱性螺旋环-环-螺旋环和WD40/WDR调节因子之间的相互作用。

在黄酮类途径中，产生单独终端产物的不同分支由不同的MYB TFs分别调控，导致黄酮醇、PAs和花青素的产生，阿拉伯芥中有126个R2R3-MYB成员中有13个成员控制黄酮代谢。

黄酮醇生物合成需要R2R3-MYB组中的MYB11、MYB12和MYB111进行调控，而在阿拉伯芥的种子外皮中。

PAs的积累由至少四个MBW复合体TT2-TT8/GL3/EGL3-TTG1、MYB5-TT8-TTG1部分重叠的功能。

以在梨中积极共同调节花青素积累，而在红肉苹果中，MdHY5-MdWRKY41-MdMYB复合体影响花青素和PAs的合成，其他转录因子也被认为上调了关键的R2R3 MYB调控因子。

马铃薯的黄酮生物合成途径及相关调节基因的特征已成为多项研究的重点，本研究中，研究了通过传统育种程序从同一祖先中培育出的马铃薯品种，这些品种表现出黄色、红色和紫色的色素。

这个特点使得可以在不混淆遗传背景的情况下确定调控黄酮生物合成的因素，联合转录组和代谢组分析确定了马铃薯块茎主要的黄酮化合物及其对应的基因。

共表达基因网络分析提供了共表达的基因模块，允许确定对控制有色马铃薯块茎中黄酮合成至关重要的基因。

两个MYB抑制子被确定为参与了在块茎发育过程中反馈调节黄酮积累生物合成的机制，本研究将阐明不同颜色的马铃薯块茎中黄酮的时序积累。

紫色马铃薯块茎中花青素合成及调控机制的研究

在紫色块茎中，F3′H的表达较弱，但积累了高水平的芦丁、侧柏二醇、杨梅素、槲皮素、Dp、Pt、Mv和Pt衍生物。

这表明高表达的F3H和F3′5′H基因，以及UFGT、ANS、DFR和AOMT的高表达，主要负责通过在二氢杨梅素、二氢槲皮素和芦丁中引导通量，从而影响黄酮生物合成。

这导致Dp、Pt、Mv和Pt衍生物的积累增加，最终导致P在S3阶段的块茎组织中出现深紫色，GSTs、MATEs和ABC蛋白作为载体蛋白在液泡内储存花青素和原花青素。

在模块grey60中，发现了两个GSTs、一个MATE和两个ABC转运蛋白，它们很可能参与了黄酮合成。

质膜H -ATPase为进入液泡的PAs提供能量，在的数据集中，在模块grey60中找到了一个高表达在S3阶段的R的块茎组织中的F型H -ATPase，它可能负责这个功能。

在模块grey60中，一个R2R3-MYB和一个MYB相关的TF显示出高的模块内连通性，kME值大于0.9，在有色组织中高表达，在greenyellow模块中，鉴定了22个基因作为TFs或转录调节因子。

其中6个基因的kME绝对值较高，包括锌指TFs、STK、SNF2和ARID家族，在绿色模块中，鉴定了36个基因作为TFs或TRs。

其中12个基因的kME绝对值较高，其中两个C2C2-GATA TFs和三个SET TRs在正kME集合中。

它们在有色组织中均被下调，而包括bHLH1、C2H2、BPC、MYB相关、HB TFs以及PHD、GNAT TRs在内的7个TFs在有色组织中均被上调，在红色模块中，42个TFs或TRs中有14个显示出高的kME绝对值。

在正kME集合中，白色或黄色的Y组织中上调的TFs包括一个bHLH，其在片段每千碱基转录本百万片段映射值 >100时表现出高表达。

一个MADS-MIKC和一个RWP-RK，在FPKM >20时高表达，花青素激活剂StAN1在R和P的块茎组织中高表达了三个阶段。

HB其他TF显示了与StAN1有重叠表达模式，但FPKM相对较低，除了报告的与花青素相关的StAN1和StbHLH1 TFs之外。

在同一模块中的其他TFs显示了类似于StAN1和StbHLH1的表达模式，从而暗示它们可能参与调控马铃薯块茎组织中黄酮的合成。

模块grey60是与黄酮化合物相关的主要模块，在这个模块中，共表达的基因显著富集了“黄酮生物合成”，大多数与黄酮有关的基因被归类到模块grey60中。

对grey60模块中的基因进行了进一步分析，结果表明有34个基因与边缘权重≥0.15相关，在这个网络中。

只有两个TFs—一个R2R3-MYB TF和一个MYB相关的TF—被包括在内，其kMEs分别为0.92和0.91，具有很高的连通性，表明它们是该模块中的中心基因。

基于系统发育分析，Soltu.DM.05G004700与AtMYB3和AtMYB4聚类，它们属于阿拉伯芥中MYB蛋白的4组。

因此它被注释为StMYB3，Soltu. DM.05G004700的推导蛋白与PhMYB27、FaMYB1和AtMYB3具有很高的相似性。

在亚基4型MYB TFs的C末端发现了两个保守域，C1和EAR基序，它们需要用于其抑制活性，这两个域在StMYB3中被找到。

StMYBATV的CDS被克隆并转化到烟草叶片中，通过瞬时的农杆菌浸润实验，根据瞬时颜色分析，发现在仅浸润StMYB3的烟草叶片后。

不会诱导出花青素的产生，但是在使用StAN1-R1作为花青素激活剂的情况下，会观察到强烈的红色色素沉积。

将StAN1-R1与StMYB3一起浸润后，在4天后观察到不出现色素沉积，在7天后，与StAN1-R1浸润的叶片中观察到深红色的花青素积累，而在与合并的StAN1-R1和StMYB3浸润的叶片组织中，出现了很浅的红色。

StMYB3能够抑制花青素的积累，为了进一步验证StMYB3抑制花青素生物合成的能力，将StMYB3浸润到携带花青素激活剂StAN1-R1的转基因烟草的幼叶中。

马铃薯块茎中黄酮合成的调控网络及潜在应用

为了评估StMYB3和StMYBATV如何影响花青素途径中的基因表达，将StMYB3和StMYBATV进行融合，并与马铃薯DFR基因的启动子prom-3-StDFR融合到荧光素报告基因中。

将StAN1-R1与StbHLH1同时浸润，激活了启动子，而将StMYB3或StMYBATV浸润则抑制了基因活性。

单独使用StMYB3或StMYBATV的抑制功能，或者将StMYB3和StMYBATV结合使用，均没有显著差异，这些结果进一步证实了StMYB3和StMYBATV对花青素合成的负调控作用。

在马铃薯块茎中，StAN1与StbHLH1一起调控花青素生物合成，StMYB3和StMYBATV中也发现了bHLH结合域。

为了进一步研究StMYB3和StMYBATV是否与StbHLH1相互作用，构建了StMYBATV和StbHLH1的重组载体，用于酵母双杂交和BiFC实验。

在选择性培养基上，只有同时表达MYB抑制子和StbHLH1因子的细胞才能生长，通过农杆菌介导的尼克松的叶片，组合在尼克松的外皮细胞中显示出荧光信号。

两个抑制子StMYB3和StMYBATV都能够通过与StbHLH1相互作用，与花青素激活剂StAN1竞争，从而抑制块茎发育中的花青素合成。

在不同发育阶段的三个马铃薯克隆中检测到了72种不同类型的黄酮类化合物，包括24种花青素、21种黄酮、18种黄酮醇、4种黄烷-3-醇、2种二氢黄烷、1种二氢查尔酮、1种二氢黄烷醇和1种异黄酮。

其中十种黄酮类化合物在R和P的块茎肉中普遍积累，即使在S1和S2阶段R的块茎肉是白色或黄色的，其中大部分是桔红素衍生物，有47种黄酮类化合物在P的紫色肉中在三个阶段积累。

其中有20种黄酮类化合物在紫色肉中专门保留：两种藜芦苇素衍生物、九种紫葳衍生物、一种天竺葵苷、一种花青素衍生物、四种黄酮醇、两种黄酮和一种异黄酮，有23种黄酮类化合物在R的白色、黄色和红色肉中在三个阶段积累。

其中有七种黄酮类化合物专门积累：五种黄酮和两种黄烷-3-醇，不同克隆在不同发育阶段的共同和独特黄酮类化合物数量在图S1A和S1B的维恩图中显示。

在红色和紫色的块茎肉中存在24种黄酮类化合物，其中有九种黄酮类化合物专门积累：一种天竺葵苷衍生物、五种黄酮、两种黄酮醇和一种二氢黄酮。

通过整合块茎肉中的黄酮类化合物积累信息和转录组学数据，建立了一个马铃薯块茎中黄酮合成的基因调控网络。

该网络揭示了不同基因模块与特定黄酮类化合物的积累之间的关系，为马铃薯块茎色素沉积的调控机制提供了见解。

该研究还鉴定了参与调控黄酮生物合成的关键基因，为进一步深入研究这些基因的功能和调控机制提供了基础。

这对于改良马铃薯的颜色和抗氧化性质具有潜在的应用价值，以满足消费者对健康和美味食品的需求。

总结

通过综合分析马铃薯不同品种和发育阶段块茎中的黄酮类化合物积累和转录组数据，研究揭示了马铃薯块茎中黄酮类化合物积累的差异和调控网络。

这有助于更好地理解马铃薯块茎色素沉积的分子机制，并为进一步研究和利用马铃薯的颜色性状提供了有价值的信息。