马铃薯全基因组O-甲基转移酶家族鉴定及其在花青素甲基化修饰中的功能解析

本研究针对马铃薯(Solanum tuberosum)中花青素(anthocyanin)O-甲基转移酶(AOMT)家族缺乏系统研究的现状，通过全基因组分析鉴定出65个OMT家族成员，基于基因结构、进化关系和启动子基序进行功能分类，发现Group 1成员Soltu.DM.09G025040.1在花青素高积累的突变细胞系中显著上调表达，为利用基因工程手段定向改造花青素甲基化修饰提供了重要靶点。

　　

花青素(anthocyanin)作为植物中重要的次级代谢产物，不仅赋予植物组织绚丽的色彩，还具有抗氧化、抗炎等多种生物活性，在食品和医药领域具有广泛应用价值。然而，天然花青素存在稳定性差、水溶性低等问题，而甲基化修饰能显著改善这些特性。O-甲基转移酶(O-methyltransferases, OMTs)是催化这一修饰过程的关键酶类，但在马铃薯这一重要经济作物中，OMT基因家族的系统研究仍属空白。

针对这一研究缺口，研究人员开展了马铃薯全基因组OMT家族的系统鉴定与功能分析工作。通过生物信息学方法，从马铃薯基因组中鉴定出65个OMT家族成员，并根据蛋白结构域特征将其分为4个功能组别。研究发现这些基因在染色体上呈不均匀分布，且多数通过串联重复事件进化而来。特别值得注意的是，Group 1成员Soltu.DM.09G025040.1在花青素高积累的突变细胞系中表达量显著上调，其启动子区域含有多个与胁迫响应相关的顺式作用元件，暗示该基因可能参与花青素的甲基化修饰过程。

研究采用了多项关键技术方法：利用HMMER软件包构建隐马尔可夫模型进行全基因组OMT鉴定；使用MAFFT和IQ-TREE进行多序列比对和系统发育分析；通过PlantCARE数据库预测启动子区域的转录因子结合基序(TFBM)；采用qRT-PCR技术检测候选基因在野生型和突变型细胞系中的表达差异。

研究结果部分，在"3.1. Identification and characterization of OMT encoding genes"中，研究人员基于InterPro蛋白结构域将65个OMT分为4组，其中Group 1包含13个具有IPR002935结构域的基因。"3.2. Gene structure analysis, duplication events, and phylogenetic relationships"显示OMT基因在染色体上分布不均，53个基因可能起源于基因重复事件，其中48个为串联重复。"3.3. Expression patterns of OMT genes"发现Group 1和Group 4成员在不同组织和胁迫条件下呈现特异性表达模式。"3.4. Transcription factor binding motifs in the promoter region of OMT genes"分析显示候选基因启动子区富含胁迫响应元件如STRE和BOX4。"3.5. High expression of OMT2 could potentially impact anthocyanin profile in edited cell cultures"证实Soltu.DM.09G025040.1在花青素高积累突变体中的表达量是对照组的4.3倍。

在讨论与结论部分，研究指出马铃薯OMT基因家族的扩张主要源于串联重复事件，这与拟南芥和葡萄中的发现一致。Group 1特有的Class I-like SAM-dependent O-methyltransferase结构域暗示其可能具有花青素甲基化活性。Soltu.DM.09G025040.1启动子区含有7个STRE(stress response element)元件，与花青素在胁迫条件下的积累特性相符。该基因在突变细胞系中的高表达进一步支持了其参与花青素修饰的假说。这项研究不仅填补了马铃薯OMT基因家族研究的空白，还为利用合成生物学手段定向改造花青素甲基化修饰提供了重要靶点，对开发高稳定性天然色素具有重要应用价值。