揭示刺梨果实高L-抗坏血酸积累的分子机制：TTG2转录因子调控半乳糖醛酸途径与表皮毛发育的时空协同作用

本研究针对刺梨(Rosa roxburghii)果实中异常高的L-抗坏血酸(AsA)积累机制不明的问题，通过比较基因组学和功能分析，发现RroxGalUR启动子545 bp插入变异是关键驱动因素。研究人员鉴定出WRKY家族转录因子RroxTTG2可结合该变异区域，同时调控表皮毛发育和AsA生物合成通路(RroxPME-RroxGalUR-RroxDHAR2)。通过异源表达验证，在生菜中实现AsA含量最高提升355%，为作物营养强化提供了新策略。该成果发表于《Plant Communications》，揭示了植物次级代谢与形态建成的协同调控机制。

　　

在植物王国中，刺梨(Rosa roxburghii)以其果实表面密布的表皮毛和惊人的维生素C含量闻名，其L-抗坏血酸(AsA)浓度高达1,762 mg/100 g鲜重，是甜橙的40倍。这种"天然维生素C之王"为何能积累如此高水平的抗氧化物质？其分子机制长期困扰着研究者。更引人深思的是，刺梨独特的表皮毛结构与AsA超积累是否存在内在联系？这些问题不仅关乎植物次级代谢调控的理论认知，更为作物营养强化提供了绝佳模型。

华中农业大学的研究团队通过组装刺梨基因组，结合比较转录组分析，发现半乳糖醛酸途径基因RroxPME、RroxGalUR和RroxDHAR2的表达与AsA积累高度相关。特别值得注意的是，在低AsA含量的野蔷薇(R. multiflora)中，RroxGalUR启动子缺失了一段545 bp的关键序列，该片段含有WRKY结合域(W-box)和低温响应元件(LTR)。

研究采用酵母单杂交(Y1H)、双荧光素酶报告系统(Dual-LUC)和电泳迁移率变动分析(EMSA)证实，表皮毛发育关键调控因子RroxTTG2能特异性结合该插入序列。时空表达分析显示，RroxTTG2在幼果期主要调控表皮毛形成，而在果实发育后期转而激活AsA合成通路，呈现明显的功能时序分化。在柑橘中，同源基因CsTTG2仅能调控CsPME，这种靶基因范围的差异解释了物种间AsA积累量的显著差异。

为验证应用价值，研究团队构建了包含RroxTTG2和三个结构基因的多基因表达载体(4TU)，通过农杆菌介导转化生菜。转基因株系AsA含量提升194%-355%，从2 mg/100 g增至10 mg/100 g鲜重，创下了单途径改造的显著增益。温度处理实验表明，25°C下培养的刺梨果实AsA含量较户外(27-36°C)提高2倍，这与启动子中LTR元件的功能预测一致。

研究结论部分指出，刺梨通过RroxGalUR启动子的特异性变异，实现了TTG2转录因子对半乳糖醛酸途径的多基因协同调控。这种"一因多效"的调控模式，将表皮毛发育与抗氧化代谢完美耦合，为理解植物形态建成与次生代谢的协同进化提供了新视角。讨论部分强调，该研究不仅解析了超高AsA积累的分子基础，更开创了通过调控元件改造结合多基因堆叠进行作物营养强化的新范式。

技术方法上，研究整合了Nanopore+Hi-C基因组组装、比较转录组分析、病毒诱导基因沉默(VIGS)、稳定遗传转化(拟南芥和生菜)以及分子互作验证技术(Y1H、EMSA、Dual-LUC)。样本包括刺梨不同发育阶段果实(30-80 DAF)及三个地理种群(贵阳、来凤、武汉)的田间材料。

研究结果部分：

1. "D-半乳糖醛酸途径与刺梨AsA积累相关"：通过比较转录组锁定RroxPME、RroxGalUR和RroxDHAR2为核心基因，其表达模式与AsA积累显著相关(r^R.rox
   =0.985)。
2. "ProxGalUR启动子插入引入额外转录因子结合域"：545 bp插入片段含W-box和LTR元件，低温(25°C)处理使果实AsA含量提升至2,763 mg/100 g。
3. "RroxTTG2时空调控表皮毛发育和AsA生物合成"：VIGS沉默使果实AsA降低14%，拟南芥过表达使叶片AsA增加80%、表皮毛数量增加177%。
4. "多基因异源表达显著提高生菜AsA浓度"：4TU载体(35S::RroxTTG2+内源启动子驱动结构基因)使生菜AsA提升355%，显著高于单基因转化效果。

这项研究首次揭示了植物通过转录因子时空重编程协调形态建成与代谢通路的分子机制，为设计高营养价值作物提供了理论依据和技术路线。特别值得注意的是，刺梨将防御结构(表皮毛)与抗氧化代谢的协同调控，可能反映了植物应对环境压力的进化创新，这种"形态-代谢耦合"策略为理解植物适应性进化开辟了新视角。