马铃薯块茎驯化过程中的代谢组重塑与遗传调控机制解析

《Molecular Plant》：Metabolomic remodeling and genetic regulation in potato tubers during domestication

本研究针对马铃薯驯化过程中块茎代谢物演变机制不清的问题，通过多组学联合分析，揭示了甾体糖苷生物碱(SGAs)含量与结构多样性降低及黄酮类化合物积累的代谢重塑特征，鉴定出DPS、ZOG、GAME9和MYB13等关键基因，构建了马铃薯块茎代谢遗传调控图谱，为风味与营养品质改良育种提供了重要理论基础和遗传资源。研究成果发表于《Molecular Plant》。

　　

马铃薯作为全球重要的粮食作物，养育着约13亿人口，其块茎的品质直接关系到人类的营养健康。然而，从野生祖先到栽培品种的驯化过程中，马铃薯块茎的代谢物发生了深刻变化，特别是那些影响风味（如苦味）和营养（如抗氧化物质）的关键化合物。这些变化的遗传基础究竟是什么？人类的选择如何重塑了马铃薯的“内在品质”？这些问题一直是植物驯化生物学和作物育种领域的核心谜题。

为了回答这些问题，由张忠、谭伟、刘金涛等研究人员组成的研究团队，在《Molecular Plant》上发表了题为“Metabolomic remodeling and genetic regulation in potato tubers during domestication”的研究论文。该研究通过对数百份马铃薯种质资源进行基因组重测序和代谢组学分析，结合群体遗传学、基因功能验证等多种技术手段，系统解析了马铃薯块茎在驯化过程中的代谢组重塑特征及其遗传调控网络，为理解作物驯化规律和指导马铃薯品质育种提供了宝贵的见解。

本研究主要运用了以下几项关键技术：首先，对469份涵盖野生种（S. brevicaule, BRC）、野生祖先种（S. candolleanum, BUK）以及栽培地方种（S. tuberosum Group Stenotomum, STN 和 Group Phureja, PHU）的马铃薯种质进行了基因组重测序，构建了高质量的基因组变异图谱。其次，对其中316份二倍体种质的成熟块茎进行了广泛靶向代谢组学分析，检测了1186种代谢物。进而，利用代谢物全基因组关联分析(mGWAS)定位与代谢物积累相关的遗传位点。此外，还构建了回交群体进行数量性状位点(QTL)定位，并利用转基因（过表达、启动子置换）、基因编辑(CRISPR/Cas9)、体外酶活测定、DNA亲和纯化测序(DAP-seq)、酵母单杂交(Y1H)、双荧光素酶报告基因检测等技术对候选基因进行了功能验证。转录组测序和加权基因共表达网络分析(WGCNA)则用于揭示基因的调控网络。

进化特征揭示马铃薯地方品种的驯化路径

研究人员通过对469份样本的基因组分析，构建了系统进化树，证实BUK是栽培地方种（STN和PHU）最直接的野生祖先。群体结构分析和主成分分析(PCA)清晰地显示了BRC、BUK和栽培种之间的遗传分化。核苷酸多样性(π)分析表明，BUK的遗传多样性最高，而在驯化过程中，STN和PHU的遗传多样性依次降低。群体间分化指数(F_ST)和连锁不平衡(LD)衰减分析进一步支持了栽培种从BUK驯化而来，并随后分化为STN和PHU的进化路径。

代谢组学改变揭示驯化与分化的代谢足迹

代谢组学分析在块茎中鉴定到1186种代谢物，其中超过64%的代谢物表现出高度的变异。主成分分析和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)显示，BUK与STN/PHU的代谢谱存在明显分离。与BUK相比，地方品种中有187种代谢物含量显著降低，151种显著升高。降低的代谢物以79种生物碱（特别是苦味且有毒的甾体糖苷生物碱SGAs）、22种酚酸和20种酚酰胺为主；而升高的代谢物则以72种黄酮类和22种酚酸为特征。从STN到PHU的分化过程中，也观察到了代谢物的显著变化。通过比较代谢物数量遗传分化(Q_ST)和中性遗传分化(中性F_ST)，研究人员鉴定出了在驯化和分化过程中受到选择的代谢物，与差异积累代谢物(DAMs)有高度重叠。这表明驯化选择显著降低了块茎中苦味生物碱的含量，同时提升了部分黄酮类等营养物质的积累。

mGWAS解析代谢物变异的遗传架构

利用混合线性模型(MLM)进行mGWAS分析，共鉴定到2046个与568种代谢物显著相关的位点。这些位点在基因组上呈非随机分布，并发现了23个“热点”区域，例如与26种SGAs相关的chr07上的热点11和与66种黄酮及18种酚酸相关的chr10上的热点16。约54%的代谢物与多个位点关联，表明其遗传复杂性。这些位点对表型变异的解释率(PVE)平均为6.95%，部分位点PVE超过10%。该结果为解析块茎品质性状的遗传基础提供了框架。

SGA结构多样性减少受两个生物合成基因编码区变异调控

SGAs是植物的防御化合物，但对人类具有苦味和毒性。研究发现，16种螺甾烷(22βN)型和9种四糖苷型SGAs在部分BUK材料中特异性高积累，而在栽培种中几乎检测不到。GWAS将一种螺甾烷型SGA关联到chr01上的一个位点，其候选基因DPS的编码区截断突变阻止了茄啶烷骨架的生物合成，从而导致前体流向螺甾烷型SGAs。另外，9种三糖苷型和4种四糖苷型SGAs共同映射到chr07的热点11区域。该区域一个关键的插入缺失变异与代谢物含量负相关，其附近的玉米素-O-葡萄糖基转移酶(ZOG)基因发生截断失活。功能验证表明，完整的ZOG能够催化γ-卡茄碱生成四糖苷型SGAs。基因分型显示所有栽培种均携带ZOG的无功能等位基因，表明在驯化过程中对功能性ZOG进行了强烈的负选择，以降低苦味四糖苷型SGAs的积累。

鉴定GAME9为调控SGA生物合成的关键驯化基因

块茎中SGA（如α-卡茄碱和α-茄碱）含量的降低是关键的驯化性状。通过构建高SGA（BUK亲本）和低SGA（栽培亲本）的回交一代(BC1)群体并进行集团分离分析(BSA)，在chr01上定位到一个主效QTL（qSGA1），该区间包含6个乙烯响应因子(ERF)基因。其中，GAME9的表达与α-卡茄碱和α-茄碱含量呈显著正相关，且在栽培种块茎中的表达量比野生种降低了93%。启动子置换转基因实验证明，来自高SGA亲本（Hap1）的GAME9启动子驱动基因表达和SGA积累的能力显著强于低SGA亲本（Hap2）的启动子。序列分析发现两个单倍型启动子区域存在60个SNP和8个Indel差异。双荧光素酶报告基因实验表明，Hap1启动子片段（特别是-1.0 kb至-0.5 kb区域）的活性远高于Hap2。该区域内三个SNP的等位基因频率在驯化过程中发生了显著偏移，定点突变实验证实了这三个SNP对启动子活性的关键作用。群体遗传分析显示，GAME9启动子区域（-1.0 kb至-0.5 kb）的核苷酸多样性在栽培种中急剧下降，同时伴随ROD、F_ST和XP-CLR等选择信号，表明GAME9的顺式调控区在驯化过程中受到了强烈选择，其表达下调进而导致下游至少23个SGA生物合成基因表达降低，最终使栽培块茎SGA含量减少。

鉴定新型转录因子MYB13调控SGA生物合成

为了全面解析SGA代谢的转录调控网络，研究人员对94份种质块茎进行了转录组测序。WGCNA分析将MYB13（与拟南芥AtMYB13同源）与包含GAME9在内的25个SGA生物合成基因划分在同一共表达模块中，且MYB13表达与多种SGA含量显著相关。MYB13过表达株系的块茎中，有12个SGA生物合成基因上调，41种SGAs含量显著增加，其中α-卡茄碱和α-茄碱含量提升了16-25倍。DNA亲和纯化测序(DAP-seq)鉴定出MYB13结合 motif (ACCT(A/T)A(A/C))，并发现其直接靶向GAME12等106个基因的启动子区。酵母单杂交(Y1H)、双荧光素酶报告基因和凝胶迁移或电泳迁移率实验(EMSA)均证实MYB13通过ACCTA motif直接结合并激活GAME12的启动子。MYB13不调控GAME9表达，且不受GAME9反式激活，表明它独立于GAME9在转录水平上调控SGA生物合成。MYB13在BUK块茎中的表达量显著高于栽培种，其上游一个SNP与表达量显著相关，且高表达等位基因在栽培种中频率较低，提示其顺式调控变异同样受到了驯化选择。

MYB基因簇调控苯丙烷代谢流重定向

苯丙烷类化合物（包括酚酸和黄酮类）对风味和营养至关重要。GWAS将38种黄酮和5种酚酸映射到chr10的热点16区域，该区域包含8个串联排列的MYB转录因子基因。其中MYB200和MYB210的表达与代谢物含量正相关，且在栽培种块茎中表达量急剧上调（MYB210上调755倍），与黄酮积累趋势一致。CRISPR/Cas9敲除myb200导致10种黄酮含量下降，56种酚酸（主要是羟基苯甲酸和羟基肉桂酸衍生物）含量上升；myb210敲除也引起类似但略有不同的变化。转录组分析表明，myb200敲除下调了MYB210以及黄酮合成基因CHI和F3H的表达，同时上调了酚酸合成基因C3H、CCR和四个CCoAOMT的表达。myb210敲除特异性上调了两个CCoAOMT的表达。这些结果确立了MYB200和MYB210是调控苯丙烷代谢流向黄酮合成途径的关键因子。该黄酮位点与控制块茎着色的Pf/I位点共定位。结构变异(SV)分析发现MYB210上游34 bp处存在一个1758 bp的缺失，该缺失会降低MYB210表达和黄酮积累。携带野生型等位基因（无缺失）的材料在栽培种中频率（55%）远高于BUK（0%），且与块茎着色频率增加相关，推测古代农民对有色块茎的视觉偏好可能无意中选择了有利于黄酮积累的等位基因，通过MYB200/MYB210介导的代謝重编程提升了块茎的抗氧化能力。

遗传路线图为马铃薯代谢性状优化提供多组学图谱

研究系统评估了2046个代谢物关联位点的遗传效应。对于由单个位点主效控制的261种代谢物，其PVE均超过5%。例如，维生素B₂（核黄素, mt0728）在chr02上一个位点的C等位基因可使其含量提高4.43倍（PVE=12.48%）。而加工过程中可能产生致癌物丙烯酰胺的前体L-天冬酰胺(mt0203)，其含量可被chr01上一个位点的T等位基因降低63%（PVE=5.90%）。此外，研究还揭示了307种代谢物受1246个加性效应位点控制，以及138种代谢物存在2745对位点间的上位性相互作用。例如，两个上位性位点共同调控抗氧化剂6-O-咖啡酰熊果苷(mt0883)的含量，最优等位基因组合（AA-AA）可使含量提升375.85倍。对于营养目标物如L-高蛋氨酸(mt0089)，结合两个位点的最优等位基因（TT-CC）也能实现远超加性效应的增益（51.70倍）。研究还观察到268个位点（13.09%）存在多效性，即一个位点影响多种代谢物。例如，chr11上一个与花青素和黄酮醇合成相关的位点与已知的Purple位点（编码类黄酮3',5'-羟化酶）重叠，其A/A缺失等位基因能显著增加代谢物含量。而chr06上一个位点则同时影响有机酸、酚酸、糖类和醇类等9种不同类别的代谢物。这些发现强调了在育种中需要综合考虑PVE、等位基因效应、遗传互作和多效性，以实现代谢性状的精准优化。

研究结论与意义

该研究通过构建全面的马铃薯块茎多组学数据库，深入揭示了代谢物驯化的遗传调控网络。研究发现，马铃薯块茎的驯化伴随着SGAs结构多样性和含量的显著降低，以及黄酮类化合物含量的增加。这一代谢重塑主要由两类遗传变异驱动：生物合成基因（如DPS和ZOG）的编码区变异减少了SGA的结构多样性；而关键转录因子（如GAME9和MYB13）的顺式调控区变异则实现了SGA含量在可食部位（块茎）的组织特异性降低，可能有助于在降低对人类有害物质的同时，保留其在其他部位（如叶片）的防御功能。同时，对块茎颜色的视觉选择可能无意中通过选择MYB210上游的结构变异，激活了MYB200/MYB210调控模块，将苯丙烷代谢流向黄酮合成途径，提升了块茎的营养价值。

这项研究不仅深化了对马铃薯驯化历史的理解，揭示了作物在自然选择和人工选择压力下平衡防御与食用品质的进化策略，而且为未来马铃薯育种提供了丰富的遗传资源和清晰的优化路径。研究所构建的多组学图谱、鉴定的关键基因及等位变异、阐明的遗传效应（加性、上位性、多效性）为通过分子设计育种快速改良马铃薯的风味、营养和安全性奠定了坚实基础。