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特别推荐 | 一文解析调控花青素合成的R2R3-MYB基因研究发展

花匠小妙招
2024-09-17 19:35

前言

花青素是植物体内一种重要的次生代谢产物，主要积累在植物的花、果实和叶片等组织中，并通过其斑斓的色彩吸引昆虫等传粉媒介，帮助植物完成其生命过程。此外，研究表明，长期有规律的食用富含花青素的食物可以有效预防心血管疾病、神经退行性疾病、癌症等。

植物组织是否富含花青素是肉眼可见的，因其表型明显，且遗传关系简单，关于花青素的研究也是植物最早研究的性状之一。通过大量对植物花青素合成调控的研究，研究人员发现，不同物种花青素的合成总是受到R2R3-MYB转录因子、bHLH转录因子以及WD40蛋白的调控，进而将这三个蛋白组成的复合体称为MBW复合体。其中，R2R3-MYB转录因子的表达具有强烈的组织特异性，通常也是植株花青素合成最关键的调控因子。

本文以时间线索和基因克隆技术发展的角度，汇总了部分已发表的R2R3-MYB基因克隆的文章，并对其基因特性进行了简单描述。

1986年

1986年，Cone等利用转座子标签法克隆了调控玉米籽粒糊粉层颜色的基因ZmColor1, 简称ZmC11。随后的研究发现，该基因编码一个与动物myb具有较高同源性的蛋白，且其表达受到光信号调控。ZmC1是植物中克隆的第一个R2R3-MYB基因，也是第一个被克隆的花青素合成调控因子。

除了玉米外，对于矮牵牛和拟南芥等模式植物的研究也为揭示R2R3-MYB转录因子调控花青素合成提供了更多证据。

1999年

1999年，Quattrocchio等克隆了矮牵牛花瓣花青素合成的主效调控位点AN2 (PhAN2)，该基因同样编码R2R3-MYB转录因子2。2000年，Borevitz等利用激活标签法，将35S启动子随机插入拟南芥基因组中，并通过分离侧翼序列克隆了调控拟南芥营养组织花青素积累的MYB转录因子AtPAP13。

图1 | 不同颜色的矮牵牛（来源于Ref4）

2000年

2000年，拟南芥基因组测序完成。通过对基因组R2R3-MYB转录因子以及已克隆的花青素合成调控基因的系统进化分析，研究人员发现，调控植物花青素合成的R2R3-MYB大多属于MYB基因家族中的第6亚家族。这使得利用同源克隆法分离其他物种花青素合成调控基因成为了主流。

2004年

2004年，Borovsky等克隆了辣椒花青素合成调控基因A5。研究人员首先利用F2分离群体将调控花青素合成的位点定位在第10染色体一个与矮牵牛PhAN2具有共线性的区间，随后根据已克隆的R2R3-MYB基因的保守序列设计简并引物，并通过简并PCR及5’RACE和3’RACE技术获得A 的全长cDNA。表达分析发现，A 基因不在青椒品种“PI 159234”中表达，但可以在紫色辣椒“5226”的果实花瓣和叶片中表达，而且，A 基因表现出与花青素合成晚期结构基因一致的表达模式。

在随后的几年间，研究人员利用简并PCR及5’RACE和3’RACE技术相继从苹果、紫薯、山竹、梨、血橙等物种中克隆了控制花青素合成的关键R2R3-MYB转录因子，如MdMYB10，IBMYB1，GmMYB10，PyMYB10，Ruby 等。

此后，随着越来越多的植物基因组序列被公布以及生物信息学的发展，人们对基因组信息以及基因的预测也越来越准确，这也极大方便了基因定位、克隆以及候选基因预测和基因的功能验证。

红色卷心菜是一种可以积累大量花青素的蔬菜，研究表明，其具有极强的抗氧化能力。2009年，Yuan等通过同源克隆法分离了红色卷心菜中可能调控花青素合成的4个MYB转录因子，并进一步通过表达分析发现，BoMYB2基因的表达模式与卷心菜花青素积累模式一致，说明该基因可能是花青素积累的调控基因6。与此类似，2010年，Chiu等通过图位克隆及同源克隆法，克隆了调控紫色花椰菜花青素合成的关键基因Pr-D(Purple)7。进一步分析发现，Pr基因启动子区一个包含转座子的大片段插入激活了该基因在紫色花椰菜中的表达，进而诱导了花青素的积累。

随后，研究人员利用基因组信息在基因组水平上分离AtPAP1、MdMYB10 等的同源基因并结合表达分析、瞬时转化等克隆了杨梅，甘蓝，苹果，樱桃，猕猴桃，梨，血橙，番茄和生菜等物种中的花青素合成调控基因，包括MrMYB1，BoPAP1，MdMYB110a，PavMYB10.1，AcMYB75，PyMYB114，Ruby2，SlAN2-like，RLL2 等基因。

图2 | 紫色花椰菜（图片来源于网络）

此外，RNA-seq等技术的发展也为分离花青素调控基因提供了一种新的思路。另一方面，通过对有/无花青素的组织或者对处于不同发育（花青素合成前后）的组织进行转录组测序也可以进一步加深对于花青素合成调控的理解。而且，随着代谢组研究的发展，转录组与代谢组联合分析还可以更系统的分析花青素积累对其他代谢产物积累的影响，进而更全面的评估植物的营养价值。

2016年

2016年，Zhou等通过对桃多个组织的转录组数据分析，发现49个在富含花青素的花，叶及果实中大量表达的R2R3-MYB转录因子，其中8个基因在花器官中大量表达。进一步研究发现，在8个基因中，PpMYB10.2 和PpMYB9 都可以激活花青素合成结构基因表达，而其他基因则可以抑制桃花器官花青素积累，说明桃花瓣中花青素的积累是多个R2R3-MYB转录因子共同调控的结果8。

同年，为进一步研究花青素转录合成调控网络，揭示花青素合成关键调控基因。Cho等对3种不同颜色的土豆品种（红色、深紫色和白色）进行转录组和代谢组联合分析9。通过对代谢产物和基因表达的相关性分析，作者发现22种黄酮类物质与119个与类黄酮代谢或激素信号通路相关的基因具有显著相关性。

图3 | 不同颜色的土豆及其块茎切片（来源于Ref9）

2019年

2019年，Jian等发现过表达SlMYB75 可以显著诱导花青素在观赏番茄 “Micro-Tom”果实中的积累，大大增加了其营养价值。此外，代谢组分析发现，转基因番茄果实中多酚类物质、类黄酮、可溶性固形物含量以及挥发性物质也显著增加。转录组分析表明，转基因番茄中苯丙烷代谢通路和类异戊二烯通路基因的表达也显著提高，这为代谢产物含量的变化提供了依据10。

图4 | 普通番茄和富含花青素的紫色番茄（来源于Ref11）

参考文献：

1. Cone, K. C., Burr, F. A. & Burr, B. Molecular analysis of the maize anthocyanin regulatory locus C1. Proc Natl Acad Sci U S A 83, 9631-9635, doi:10.1073/pnas.83.24.9631 (1986).

2. Quattrocchio, F. et al. Molecular analysis of the anthocyanin2 gene of petunia and its role in the evolution of flower color. Plant Cell 11, 1433-1444, doi:10.1105/tpc.11.8.1433 (1999).

3. Borevitz, J. O., Xia, Y., Blount, J., Dixon, R. A. & Lamb, C. Activation tagging identifies a conserved MYB regulator of phenylpropanoid biosynthesis. Plant Cell 12, 2383-2394, doi:10.1105/tpc.12.12.2383 (2000).

4. Bombarely, A. et al. Insight into the evolution of the Solanaceae from the parental genomes of Petunia hybrida. Nature plants 2, 16074, doi:10.1038/nplants.2016.74 (2016).

5. Borovsky, Y., Oren-Shamir, M., Ovadia, R., De Jong, W. & Paran, I. The A locus that controls anthocyanin accumulation in pepper encodes a MYB transcription factor homologous to Anthocyanin2 of Petunia. TAG. Theoretical and applied genetics. Theoretische und angewandte Genetik 109, 23-29, doi:10.1007/s00122-004-1625-9 (2004).

6. Yuan, Y., Chiu, L. W. & Li, L. Transcriptional regulation of anthocyanin biosynthesis in red cabbage. Planta 230, 1141-1153, doi:10.1007/s00425-009-1013-4 (2009).

7. Chiu, L. et al. The purple cauliflower arises from activation of a MYB transcription factor.Plant Physiol. 154, 1470-1480 (2010).

8. Zhou, H. et al. Multiple R2R3-MYB Transcription Factors Involved in the Regulation of Anthocyanin Accumulation in Peach Flower. Front Plant Sci 7, 1557, doi:10.3389/fpls.2016.01557 (2016).

9. Cho, K. et al. Network analysis of the metabolome and transcriptome reveals novel regulation of potato pigmentation. J Exp Bot 67, 1519-1533, doi:10.1093/jxb/erv549 (2016).

10. Jian, W. et al. SlMYB75, an MYB-type transcription factor, promotes anthocyanin accumulation and enhances volatile aroma production in tomato fruits. Hortic Res 6, 22, doi:10.1038/s41438-018-0098-y (2019).

11. Sun, C. et al. A Transcriptional Network Promotes Anthocyanin Biosynthesis in Tomato Flesh. Mol Plant 13, 42-58, doi:10.1016/j.molp.2019.10.010 (2020).

特邀作者

中科院遗传发育所

孙传龙博士

研究方向：致力于花青素合成调控，光信号通路以及基因克隆等研究

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