花青素调控新机制：R2R3-MYB转录因子BoMYB147/148协同BoTT8驱动西兰花紫色花球形成

《BMC Plant Biology》：Transcriptomic and metabolomic analyses reveal novel R2R3-MYB transcription factors control anthocyanin biosynthesis in broccoli

为解决紫西兰花育种中分子标记缺乏及调控机制不清的问题，研究人员开展了整合转录组与代谢组的分析。研究发现，紫西兰花中主要积累飞燕草素类花青素，其中delphinidin-3-O-glucoside-5-O-galactoside含量最高。通过功能验证，鉴定出两个R2R3-MYB转录因子BoMYB147和BoMYB148，它们与bHLH蛋白BoTT8协同作用，是调控花青素合成的关键因子。该研究为紫西兰花分子设计育种提供了理论依据和基因资源。

　　

西兰花（Brassica oleracea var. italica）因其富含维生素、矿物质和生物活性物质而备受推崇，是餐桌上常见的绿色健康蔬菜。然而，市场上常见的多为绿色西兰花，而富含花青素（Anthocyanin）的紫色西兰花则相对罕见。花青素作为植物中重要的次生代谢产物，不仅赋予植物器官绚丽的色彩，还具有抗氧化、抗炎等多种健康益处。因此，培育高花青素含量的紫色西兰花品种，既能满足消费者对蔬菜多样性和观赏性的需求，又能提升其营养品质。

尽管紫色西兰花具有巨大的市场潜力和营养价值，但其育种进程却面临挑战。一个核心问题是，目前对紫色西兰花中花青素的种类、含量以及其合成的分子调控机制尚不完全清楚。与紫甘蓝、紫菜花等其他芸薹属蔬菜不同，紫西兰花中积累的主要花青素类型存在争议，有研究报道为矢车菊素（Cyanidin），也有研究指出是飞燕草素（Delphinidin）。此外，花青素的合成受到结构基因和转录因子的共同调控，其中MYB转录因子家族是关键的调控者。然而，在西兰花中，调控花球颜色形成的MYB转录因子鲜有报道。缺乏明确的分子标记和调控基因，严重制约了紫西兰花的高效育种。

为了填补这一知识空白，加速紫西兰花的育种进程，张权等人开展了一项整合代谢组学与转录组学的系统性研究。该研究旨在明确紫西兰花中花青素的种类和含量，并揭示其合成的分子调控网络，特别是鉴定出关键的MYB转录因子。这项研究不仅有助于理解芸薹属蔬菜花青素合成的多样性，也为紫西兰花的分子设计育种提供了宝贵的基因资源和理论依据。该研究成果已发表于《BMC Plant Biology》。

关键实验方法

本研究主要采用了多组学整合分析结合瞬时功能验证的策略。研究人员选取了1个绿色西兰花自交系（G1）和4个不同花青素积累水平的紫色西兰花自交系（C1-C4）作为实验材料，采集其花球萼片进行后续分析。首先，利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术对样品进行靶向代谢组学分析，以鉴定和定量花青素代谢物。其次，利用RNA测序（RNA-seq）技术对样品进行转录组分析，筛选差异表达基因。在此基础上，通过全基因组鉴定、系统发育分析、染色体定位和共线性分析，对西兰花中的R2R3-MYB转录因子家族进行了全面解析。最后，通过农杆菌介导的烟草叶片瞬时过表达实验，验证候选MYB基因在调控花青素合成中的功能。

研究结果

紫西兰花中主要积累飞燕草素类花青素

为了明确紫西兰花中花青素的种类和含量，研究人员对5个不同颜色的西兰花材料进行了靶向代谢组学分析。结果共检测到59种花青素类化合物。分析发现，绿色西兰花（G1）中花青素含量极低，且主要成分为矢车菊素（Cyanidin），占总花青素的99.44%。而紫色西兰花（C1-C4）中，虽然矢车菊素含量也较高，但主要的花青素类型是飞燕草素（Delphinidin），其在总花青素中的占比高达67.71%至74.39%。进一步分析发现，delphinidin-3-O-glucoside-5-O-galactoside是紫西兰花中积累最丰富的花青素单体，而在绿色西兰花中几乎检测不到。这一结果明确了紫西兰花中花青素的主要类型，揭示了其与紫甘蓝等其他芸薹属蔬菜在花青素组成上的差异。

转录组分析揭示花青素合成结构基因表达差异

为了从分子层面解析花青素合成的调控机制，研究人员对5个材料进行了转录组测序。主成分分析（PCA）显示，不同材料的生物学重复具有良好的一致性。差异表达基因（DEGs）分析发现，与绿色西兰花（G1）相比，紫色西兰花中有大量基因表达发生显著变化。KEGG富集分析表明，差异表达基因显著富集于类黄酮生物合成（Flavonoid biosynthesis）等通路。进一步分析花青素合成通路中的结构基因发现，BoF3H1、BoF3'H、BoDFR、BoANS和BoUFGT等基因的表达水平在紫色西兰花中显著上调，且其表达模式与花青素含量的变化趋势一致。这表明这些结构基因的表达差异是导致西兰花花球颜色变异的关键因素。

R2R3-MYB转录因子家族鉴定与表达分析

转录因子是调控结构基因表达的上游关键因子。分析发现，在所有的差异表达转录因子中，MYB家族成员占比最高（9.51%），提示其在花青素调控中可能发挥重要作用。研究人员对西兰花基因组中的R2R3-MYB家族进行了全基因组鉴定，共鉴定出236个成员（BoMYB1-BoMYB236），并对其理化性质、系统发育关系、染色体分布和基因复制事件进行了全面分析。通过将差异表达基因的表达模式与花青素表型进行关联分析，研究人员筛选出与花青素含量显著相关的7个候选MYB基因，包括BoMYB29、BoMYB48、BoMYB53、BoMYB60、BoMYB147、BoMYB148和BoMYB234。

BoMYB147和BoMYB148是调控花青素合成的关键因子

为了验证候选MYB基因的功能，研究人员进行了农杆菌介导的烟草叶片瞬时过表达实验。结果显示，单独过表达BoMYB60、BoMYB147、BoMYB148或BoMYB234均未能在烟草叶片中诱导花青素积累。考虑到在拟南芥等植物中，MYB蛋白通常需要与bHLH蛋白（如TT8）形成MBW复合物（MYB-bHLH-WD40 complex）来协同调控花青素合成，研究人员将候选MYB基因与西兰花中的BoTT8基因共转化烟草叶片。令人兴奋的是，当BoMYB147或BoMYB148与BoTT8共表达时，在烟草叶片注射部位观察到了明显的花青素积累（红色斑点），而对照（空载体）和单独表达BoTT8的叶片则无此现象。对注射部位花青素含量的定量分析进一步证实了这一结果。这表明，BoMYB147和BoMYB148是调控西兰花花青素合成的关键转录因子，其功能依赖于与BoTT8的协同作用。

结论与讨论

本研究通过整合代谢组学和转录组学分析，系统性地揭示了紫西兰花花球颜色形成的分子基础。研究明确了紫西兰花中主要积累飞燕草素类花青素，其中delphinidin-3-O-glucoside-5-O-galactoside是含量最丰富的单体。这一发现澄清了紫西兰花与紫甘蓝等其他芸薹属蔬菜在花青素类型上的差异，为理解芸薹属蔬菜花青素合成的多样性提供了新视角。

更重要的是，本研究成功鉴定并功能验证了两个关键的R2R3-MYB转录因子——BoMYB147和BoMYB148。功能验证实验表明，这两个转录因子不能单独发挥作用，而是需要与bHLH蛋白BoTT8协同作用，才能有效激活花青素合成通路。这一调控模式与拟南芥等模式植物中经典的MBW复合物调控机制相似，表明花青素合成的调控网络在植物中具有一定的保守性。

尽管芸薹属作物在进化过程中经历了全基因组三倍化事件，导致基因家族成员数量增加，但本研究仅鉴定出两个具有花青素调控功能的MYB基因。这可能是由于在基因组多倍化后，部分基因发生了功能丢失或亚功能化，只有少数关键基因被保留下来并承担了核心调控功能。

综上所述，本研究不仅明确了紫西兰花中花青素的化学本质，更重要的是，鉴定出了BoMYB147和BoMYB148这两个关键的调控基因。这些发现极大地丰富了我们对西兰花花青素合成调控网络的认识，为开发紫西兰花分子标记、加速高花青素含量西兰花品种的选育提供了宝贵的基因资源和理论依据。