烟草Nic1、Nic2和Myc2a基因座近等基因系的田间表现、生物碱含量及转录组特征解析

为应对烟草制品尼古丁含量强制降低的监管需求，研究人员通过构建携带不同Nic1、Nic2和Myc2a等位基因组合的近等基因系（NILs），系统评估了其田间表现、生物碱含量及转录组特征。研究发现隐性nic1/nic2等位基因对生物碱合成的抑制作用强于myc2a突变，组合使用可进一步降低生物碱含量至0.9 mg g-1 ，但伴随叶片品质下降。RNA-seq揭示1028个差异表达基因（DEGs），为解析烟草生物碱合成调控网络提供了新线索。该研究发表于《BMC Genomics》，为低尼古丁烟草育种提供了重要理论依据。

　　

烟草生物碱调控网络的突破性解析

烟草中尼古丁等生物碱的积累一直是公共卫生和农业育种的双重焦点。随着全球监管机构提出将卷烟尼古丁含量强制降至0.4-0.7 mg g^-1
的严苛标准，如何通过遗传改良实现这一目标成为迫切课题。传统低生物碱材料如LA Burley 21和LAFC53虽能降低尼古丁至2-5 mg g^-1
，但距新标准仍有差距。更棘手的是，现有调控机制研究多聚焦单个基因座，对Nic1、Nic2（编码ERF转录因子）与Myc2a（bHLH家族调控因子）的协同作用知之甚少，且生物碱合成末段关键酶仍待发现。

为解决这些问题，美国北卡罗来纳州立大学的研究团队在Ramsey S. Lewis带领下，构建了以优质烤烟品种K326为背景的近等基因系（NILs），分别携带隐性nic1/nic2（源自LAFC53）和myc2a突变（源自种质TI 313）。通过四年田间试验和温室实验，结合RNA-seq技术，系统解析了这些等位基因对生物碱合成、农艺性状及转录组的调控效应。研究主要采用回交育种结合分子标记辅助选择（KASP和CAPS标记）创制NILs，通过HPLC测定生物碱含量，并利用Hisat2和edgeR进行转录组数据分析。

化学与农艺性状：隐性等位基因的级联效应
田间数据显示，K326 nic1/nic2/myc2a三突变体尼古丁含量最低（0.95 mg g^-1
），较单突变体K326 myc2a（5.66 mg g^-1
）和双突变体K326 nic1/nic2（2.28 mg g^-1
）进一步降低82%和58%。值得注意的是，myc2a单突变导致去甲尼古丁（Nornicotine）异常积累至4.79 mg g^-1
，推测与CYP82E4基因自发激活有关。尽管生物碱显著降低，三突变体的叶片品质指数下降29%，产值减少34%，揭示产量-品质权衡的遗传瓶颈。

转录组风暴：1028个DEGs的调控图谱
RNA-seq分析发现，nic1/nic2组合导致681个DEGs（445下调），远多于myc2a单突变的139个DEGs（103下调）。关键发现包括：

1. 层级调控模式：ERF199（Nic1）表达量在K326中高达25.9 cpm，而在nic1/nic2系骤降至0.1 cpm；ERF189（Nic2）在双突变体中完全缺失，证实其基因组删除特性。
2. 通路特异性：nic1/nic2强烈抑制PMT（putrescine N-methyltransferase）、QPT（quinolinate phosphoribosyltransferase）和BBL（berberine bridge-like）等基因，而myc2a仅弱效调控AO（aspartate oxidase）和QS（quinolinate synthase）。
3. 新候选基因：Ntab12g015220-1.1（推测为MATE1同源物）表达与总生物碱含量极强相关（r=0.93），可能参与尼古丁转运。

GO富集：代谢网络的全局重构
下调基因显著富集于吡啶代谢（GO:0070475）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）合成（GO:0009435）等通路，而上调基因涉及茉莉酸响应（GO:0009753）。特别值得注意的是，三突变体特异性激活了CYP88A-like细胞色素P450基因（如Ntab19g031540-1.1），可能与赤霉素通路交叉调控有关。

结论与展望
该研究首次阐明Nic1/Nic2与Myc2a通过叠加效应实现超低尼古丁表型，但代价是生长抑制和品质下降。发现的DEGs库为解析生物碱合成末段机制（如DMN形成）提供了新靶点，例如推测的有机阳离子转运蛋白（Ntab10g014830-1.1）。未来研究需关注如何通过精准编辑避免非目标效应，这对培育符合监管要求的低风险烟草品种具有里程碑意义。论文中揭示的ERF与MYC转录因子互作模型，也为其他植物次生代谢研究提供了范式。