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Plant Journal | 山东大学周传恩课题组揭示苜蓿种皮中原花青素合成调控新机制

花匠小妙招
2025-01-02 04:52

紫花苜蓿(Medicago sativa) 是全球范围内广泛栽培的一种优质多年生牧草，有着“牧草之王”的美誉，可以充分满足畜牧生产上，反刍动物对蛋白质的需求。然而较高的蛋白含量常会引起反刍动物的瘤胃臌胀(bloat)，从而造成消化系统失调，严重时甚至会造成饲喂动物的窒息与死亡。已有研究发现，原花青素(Proanthocyanidins, PA)即缩合单宁(Condensed tannins)的添加可有效降低瘤胃臌胀的发生。因此提高紫花苜蓿叶片中的原花青素含量，一直以来都是其遗传改良的重要目标。借助紫花苜蓿近缘植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)遗传转化成熟与突变材料丰富等优势，前期研究已挖掘了部分以M(MYB)B(bHLH)W(WD40)复合体组分为主的原花青素合成调控基因。其中部分基因在紫花苜蓿中异源表达后，可有效提高叶片原花青素的含量，但尚未达到减缓瘤胃臌胀的最低用量标准。因此挖掘调控原花青素合成的新基因，对紫花苜蓿的进一步遗传改良具有十分重要的育种价值。

近日，山东大学周传恩课题组联合西南科技大学白史且课题组在The Plant Journal在线发表了题为The HD-ZIP IV transcription factor GLABRA2 acts as an activator for proanthocyanidin biosynthesis in Medicago truncatula seed coat的研究论文，揭示了蒺藜苜蓿中HD-ZIP转录因子MtGL2正向调控种皮中原花青素合成的分子机制。

研究人员通过对蒺藜苜蓿 (Medicago truncatula) 逆转录转座子Tnt1插入突变体库中种皮颜色异常材料的筛选，获得了2个种皮呈现暗棕色的突变体，通过分子克隆发现这两个突变体是Tnt1插入同一基因的不同位置所致，进一步分析发现，突变基因为拟南芥中HD-ZIP家族转录因子GLABRA2 (GL2)的同源基因,因此命名为MtGL2。然而对mtgl2突变体表型分析发现，其在GL2主要调控的表皮毛与根毛发育等方面并无明显表型，因此MtGL2更为特异的影响了种皮的发育。由于种皮是原花青素特异富集的器官，且是决定种皮颜色的关键物质，研究人员便对种皮原花青素的含量进行了分析，结果表明mtgl2中可溶性原花青素的含量显著降低，通过对原花青素合成通路相关基因的表达量分析发现，关键合成基因花青素还原酶（Anthocyanidin reductase, MtANR）的表达显著下调，并且种皮中花青苷的含量显著提高。因此MtGL2很可能是通过正向调控MtANR的表达，确保了种皮发育过程中较高水平的原花青素合成。这一假设也通过后续的分子实验与遗传材料得以证实。此外，该工作还探讨了MtGL2与已知MBW复合体在原花青素合成调控中的关系，发现参与原花青素合成的MBW复合体可显著激活MtGL2的表达，并最终得出结论MtGL2与MBW复合体共同确保了种皮发育过程中原花青素的有效积累，拓展了原有的原花青素合成调控网络。

MtGL2调控种皮原花青素合成的模式图

山东大学生命科学学院周传恩教授和西南科技大学生命科学与工程学院白史且教授为本论文共同通讯作者，山东大学博士研究生谷植群为本论文独立第一作者。山东大学已毕业硕士生周欣与李双双前期在周传恩教授与白史且教授的共同指导下，为该工作的开展奠定了重要基础。中国农业科学院北京畜牧兽医研究所庞永珍研究员为本项目原花青素含量的测定分析提供了重要的技术支持。该项工作得到了国家自然科学基金，山东省自然科学基金与天府杰出科学家资助项目的支持。

周传恩教授课题组利用豆科模式植物蒺藜苜蓿为材料，长期从事豆科植物发育生物学研究和品质改良，成果先后发表在Nature Communications、PNAS、The Plant Cell、New Phytologist、Plant Physiology、Plant Journal和Journal of Integrative Plant Biology等权威期刊。

论文链接：

http://doi.org/10.1111/tpj.16918