谷胱甘肽转移酶MaGST1介导葡萄风信子花青素积累与花色调控的分子机制

本研究针对葡萄风信子蓝色花形成机制中花青素转运的关键科学问题，通过鉴定谷胱甘肽转移酶MaGST1的功能，揭示其通过Ser-68位点特异性结合花青素（Cya/Dp3G/Pt3G），并受转录因子MaMybA正向调控的分子机制。研究结合遗传互补、RNAi沉默和体外结合实验，首次阐明GST-U亚家族蛋白在花青素转运中的底物偏好性，为蓝色观赏花卉分子育种提供新靶点。

　　

蓝色花卉因其稀有性在观赏植物市场具有极高价值，但自然界中真正呈现蓝色的开花植物屈指可数。花青素作为植物呈色的关键色素，其从合成部位（内质网）到储存部位（液泡）的转运机制尚存诸多未解之谜。葡萄风信子（Muscari aucheri 'Dark Eyes'）以其独特的蓝色花瓣成为研究蓝色花形成的理想材料，但决定其花青素高效积累的转运蛋白及其调控网络仍待揭示。

西北农林科技大学林学院的研究团队在《Horticultural Plant Journal》发表的研究成果，首次鉴定到葡萄风信子谷胱甘肽转移酶（Glutathione S-transferase, GST）家族关键成员MaGST1。该蛋白通过特异性结合花青素单体（尤其是矢车菊素Cya），介导其跨膜转运，并受R2R3-MYB转录因子MaMybA直接调控，从而形成完整的"合成-转运-储存"调控通路。这项研究不仅填补了GST-U亚家族蛋白在花青素转运中功能机制的空白，更为分子育种改良观赏花卉颜色提供了理论依据。

研究人员运用多组学联用技术：通过转录组筛选与花青素积累共表达的GST基因；利用拟南芥tt19突变体互补实验验证MaGST1功能；建立葡萄风信子花瓣稳定遗传转化体系进行RNAi表型分析；结合分子对接和点突变（Ile-55Ala/Ser-68Ala）解析蛋白-配体互作关键位点；采用酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶报告系统阐明转录调控机制。

研究结果揭示：

1. 表达模式关联分析
   通过HPLC检测发现葡萄风信子花瓣主要积累5种花青素（Dp3G/Pt3G/Mv3G/Cya/Cy3pCG5MaG），其中MaGST1表达峰与花青素积累峰（S4阶段）高度吻合，且呈现花瓣特异性表达模式。

2. 体内功能验证
   在拟南芥tt19突变体中异源表达MaGST1可恢复其花青素缺陷表型，而RNAi沉默导致葡萄风信子花瓣颜色从蓝紫色变为浅紫色，总花青素含量下降42.7%，证实其在花青素转运中的核心作用。

3. 体外结合特性
   荧光淬灭实验显示MaGST1对Cya的结合亲和力（K_A=2.00×10⁵ M^-1）显著高于Dp3G和Pt3G。分子对接发现Ser-68是关键结合位点，该位点突变体（gst-68）完全丧失提高花青素水溶性的能力。

4. 亚细胞定位特征
   双标记共定位证实MaGST1同时定位于内质网和液泡膜，这种独特的双定位模式为其"载体-护送"功能提供了结构基础。

5. 转录调控机制
   在启动子-1,240至-540 bp区段鉴定到MYB结合元件（CAACCA），MaMybA通过结合该元件使MaGST1启动子活性提升3.8倍，形成"转录因子-转运蛋白-花青素"级联调控网络。

该研究首次系统阐释了GST-U亚家族蛋白在花青素转运中的分子机制：MaGST1通过Ser-68位点形成"花青素结合口袋"，优先转运Cya及其衍生物；其表达受MaMybA直接调控，构成完整的转录-转运偶联系统。这一发现不仅深化了对植物花色形成机制的理解，更提出了"修饰转运蛋白结合位点定向改变花色"的育种新策略。研究建立的葡萄风信子花瓣遗传转化体系，为其他单子叶观赏植物的基因功能研究提供了技术范本。未来通过编辑MaGST1结合域或调控元件，可创制从浅紫到深蓝的连续花色变异，具有重要的应用前景。