通过群体分离分析和RNA-seq技术研究红肉葡萄品种“中山红玉”中的花青素积累情况

《The Plant Genome》：Anthocyanin accumulation in the red-fleshed grape germplasm ZhongShan-HongYu through bulked segregant analysis and RNA-seq

葡萄红肉表型由染色体2上的VvMYBA1基因调控，其启动子区域的408-bp串联重复序列通过增强基因表达促进花青素合成。研究采用BSA和RNA测序定位关键基因，并通过瞬时转化和烟草稳定转化验证了重复序列的作用机制，为分子育种提供新资源。

　　### 葡萄红肉性状的遗传机制与分子调控

葡萄作为一种重要的经济作物，其果实颜色不仅影响外观，也对市场价值具有重要影响。在葡萄中，果皮颜色主要由**VvMYBA1**和**VvMYBA2**这两个转录因子决定，它们位于第2号染色体（Chr2）上，调控着花青素的合成。然而，长期以来，关于果肉中花青素积累的遗传机制仍不清楚。本研究以一种特殊的红肉葡萄种质资源——“中山红玉”（ZSHY）为材料，该品种不仅在果皮中积累花青素，还表现出果肉中的显著颜色变化。通过对ZSHY及其自交和杂交后代进行基因组分析、转录组测序以及荧光原位杂交（FISH）和转基因实验，研究人员成功定位并确认了**VvMYBA1**基因的调控机制，揭示了其在红肉表型形成中的关键作用。

#### 红肉表型的遗传背景

在葡萄育种过程中，红肉品种通常被视为具有特殊价值的资源，因为它们不仅在外观上更具吸引力，而且可能含有更多的抗氧化物质，从而具有更高的营养价值。然而，红肉性状的遗传基础尚未完全明确。传统上，研究主要集中在果皮颜色上，而对果肉中花青素积累的调控机制了解较少。因此，本研究选择ZSHY这一红肉品种，作为探索红肉性状遗传机制的突破口。

ZSHY与已知的红肉品种如Kolor和Yan73相比，具有独特的红肉性状，其花青素积累发生在果肉中，早于果皮。这种早熟性状为研究红肉性状的调控机制提供了重要的线索。通过自交后代的分离群体分析，研究人员发现红肉性状在自交群体中表现出明显的遗传规律，且与叶色、果皮颜色等表型特征紧密相关，暗示了这些性状可能由同一基因调控。

#### 转录因子VvMYBA1的定位与功能分析

本研究采用**基因组重测序结合批量分离分析（BSA）**的方法，对ZSHY及其自交后代进行了深入研究。通过构建绿色和红色的DNA池，研究人员发现红肉性状与Chr2上的某个基因区域高度相关。进一步的转录组测序（RNA-seq）分析表明，**VvMYBA1**是调控红肉性状的关键基因。该基因的表达水平在ZSHY的果肉中显著提高，而其在果皮中的表达则相对较弱。这表明，**VvMYBA1**可能在红肉性状的形成中起主导作用，而其表达水平的变化可能直接影响花青素的合成。

此外，研究人员还发现，**VvMYBA1**基因的启动子区域存在一个408 bp的串联重复序列。这一重复序列的插入被认为是导致**VvMYBA1**表达水平显著上升的主要原因。通过荧光原位杂交（FISH）和转基因实验，研究人员验证了这一重复序列在红肉性状中的作用。在转基因烟草中，该重复序列的引入显著增强了**VvMYBA1**的表达，并促进了花青素在不同组织中的积累。这些实验结果不仅证明了该重复序列的调控功能，还为理解红肉性状的遗传机制提供了新的视角。

#### 408 bp串联重复序列的调控机制

**VvMYBA1**的表达调控机制是本研究的重点之一。研究人员通过构建**VvMYBA1**的表达载体，并将其导入烟草植物中，观察其对花青素积累的影响。实验结果表明，含有408 bp串联重复序列的**VvMYBA1**启动子能够显著提升其在转基因烟草中的表达水平，从而促进花青素在多个组织中的积累。这说明该重复序列可能通过增强**VvMYBA1**的启动子活性，提高其转录效率，从而影响整个花青素合成通路的表达。

在**VvMYBA1**的调控网络中，它与其他转录因子如**VvMYBA2**共同作用，调控花青素的合成。然而，与**VvMYBA2**在果肉中的表达较弱不同，**VvMYBA1**在红肉葡萄中表现出更高的表达水平。这表明，**VvMYBA1**可能是红肉性状的主要调控因子，而**VvMYBA2**可能在果皮颜色的形成中起辅助作用。

#### 花青素合成通路中的关键基因

除了**VvMYBA1**外，本研究还对其他参与花青素合成的基因进行了分析。这些基因包括**PAL**（苯丙氨酸解氨酶）、**CHS**（查尔酮合成酶）、**CHI**（查尔酮异构酶）、**F3H**（黄烷酮3-羟化酶）、**DFR**（二氢黄酮醇还原酶）、**ANS**（花青素合成酶）以及**UFGT**（UDP-葡萄糖：黄酮3-O-葡萄糖基转移酶）。这些基因在红肉葡萄中表现出显著的上调表达，而其在普通白色果肉葡萄中的表达则相对较弱。这说明，**VvMYBA1**可能通过调控这些基因的表达，进而影响花青素的合成与积累。

此外，**UFGT**作为花青素合成通路中的关键酶，其表达水平与**VvMYBA1**呈显著正相关。这表明，**VvMYBA1**可能通过直接调控**UFGT**的表达，促进花青素在果肉中的积累。这一发现不仅加深了我们对花青素合成通路的理解，也为未来通过分子育种手段调控红肉性状提供了理论依据。

#### 红肉性状的进化意义与应用前景

红肉性状的出现可能是葡萄在长期进化过程中形成的一种适应性特征。花青素不仅具有抗氧化作用，还可能帮助植物抵御病原体侵袭和环境胁迫。因此，红肉葡萄可能在某些生态条件下表现出更强的生存能力。然而，红肉性状的遗传基础仍需进一步研究，特别是在不同葡萄品种之间的基因组差异和调控机制。

从应用角度来看，本研究的发现对葡萄育种具有重要意义。通过了解**VvMYBA1**及其启动子区域的调控机制，育种者可以更精准地选择具有红肉性状的种质资源，并利用分子标记辅助选择（MAS）技术，提高育种效率。此外，该研究还为开发新型红肉品种提供了理论支持，有助于推动葡萄产业的高质量发展。

#### 对未来研究的启示

本研究的成果不仅揭示了红肉性状的遗传基础，还为葡萄基因组研究提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨**VvMYBA1**启动子中408 bp重复序列的分子机制，例如其如何与转录因子结合、如何影响基因表达等。此外，还可以结合基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，对**VvMYBA1**及其调控区域进行功能验证，以更深入地理解其在红肉性状形成中的作用。

在实际应用方面，本研究的发现可以用于培育具有红肉性状的新品种，从而提高葡萄的营养价值和市场竞争力。同时，该研究也为葡萄与其他作物的杂交育种提供了新的思路，例如通过引入**VvMYBA1**基因，可以实现其他作物果肉颜色的改良。此外，研究还表明，红肉性状可能与某些葡萄品种的进化历史相关，这为葡萄种质资源的系统研究提供了重要线索。

综上所述，本研究通过对红肉葡萄ZSHY的遗传分析，揭示了**VvMYBA1**及其启动子中408 bp重复序列在红肉性状形成中的关键作用。这些发现不仅深化了我们对葡萄颜色调控机制的理解，也为葡萄分子育种和品质改良提供了新的方向和工具。未来，随着基因组学和分子生物学技术的不断发展，我们有望进一步揭示红肉性状的遗传网络，并开发更加精准的育种策略。