槐树R2R3-MYB转录因子全基因组鉴定及其在花发育过程中调控黄酮生物合成的功能研究

本研究针对药用植物槐树(Styphnolobium japonicum)黄酮类活性成分生物合成的转录调控机制这一关键科学问题，通过全基因组鉴定158个R2R3-SjMYB转录因子，结合多组学分析揭示了SjMYB85/113/89/158等关键转录因子通过调控SjF3H/Sj4CL/SjANR等结构基因表达，动态调节花发育过程中芦丁(rutin)、槲皮素(quercetin)等药用黄酮合成的分子机制，为药用植物活性成分的代谢工程和分子育种提供了重要理论依据。

　　

槐树作为重要的药用植物，其花朵富含具有抗氧化、抗炎等药理活性的黄酮类化合物，尤其是芦丁(rutin)和槲皮素(quercetin)等成分在传统医药和功能食品领域具有重要价值。然而，这些高价值活性成分的生物合成受到复杂转录调控网络的影响，其中R2R3-MYB转录因子家族被认为是黄酮合成途径的关键调控开关。尽管在模式植物拟南芥等物种中已有较多研究，但槐树这一具有重要药用价值的木本植物中，R2R3-MYB家族的系统鉴定及其在花发育过程中调控黄酮合成的分子机制仍不清楚。这一知识空白严重限制了通过分子育种或代谢工程技术提高槐树药用成分含量的可能性。

河南城建学院的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表了关于槐树R2R3-MYB转录因子家族的全基因组研究成果。研究采用生物信息学分析结合多组学技术，包括全基因组序列比对、系统发育分析、染色体定位、共线性分析，以及RNA-seq转录组测序、qRT-PCR验证和HPLC-MS代谢组检测等技术，系统研究了R2R3-SjMYB基因家族的特征及其与黄酮合成的关联。

研究结果部分：

3.1. 系统发育分析揭示基因家族进化特征
通过构建158个R2R3-SjMYB和126个拟南芥R2R3-AtMYB蛋白的系统发育树，将SjMYB分为39个亚组，其中C5亚组包含与拟南芥黄酮合成调控基因AtMYB11/12/111高度同源的SjMYB17/30/31/54/60，暗示这些基因可能具有保守的黄酮调控功能。

3.2. 基因结构与保守基序分析
发现大多数R2R3-SjMYB基因具有典型的三外显子结构，而SjMYB5/11/40等8个基因呈现单外显子结构。MEME分析鉴定出15个保守基序，其中基序3和4在所有基因中普遍存在，而基序11和12分别特异存在于C29和C7亚组，反映了功能分化。

3.4. 基因复制事件分析
共线性分析发现123对片段复制基因，Ka/Ks比值均小于1，表明R2R3-SjMYB家族主要通过片段复制扩张并受到纯化选择压力。与拟南芥比较发现87对直系同源基因，显示两物种间MYB基因家族的保守性。

3.5. 基因表达与黄酮合成的关联
RNA-seq分析发现SjMYB21/33/85等在花蕾期(S1)高表达，与芦丁、儿茶素含量正相关；而SjMYB89/158等与槲皮素含量显著相关。代谢组检测显示不同发育阶段黄酮成分动态变化，S1期芦丁含量最高，S3期槲皮素含量最高。

3.6. 蛋白互作与调控网络
PPI网络预测SjMYB76与SjF3'H、SjANR等结构基因互作，启动子分析发现SjF3H/Sj4CL/SjANR等基因启动子区含有MYB结合元件，证实R2R3-SjMYB可能直接调控这些结构基因表达。

3.8. 潜在调控模型构建
整合分析提出了R2R3-SjMYB调控黄酮合成的分子模型：SjMYB33/70/128可能通过调控4CL影响上游合成；SjMYB31/88/115可能调控F3H/F3'H介导的分支途径；而SjMYB52/85/108则可能通过ANR调控下游儿茶素合成。

讨论与结论：
该研究首次在槐树中系统鉴定了158个R2R3-MYB转录因子，通过多组学分析揭示了其在花发育过程中动态调控黄酮生物合成的分子机制。研究发现该家族主要通过片段复制扩张，与拟南芥相比显示出更高的基因数量，反映了物种特异性适应。特别重要的是鉴定出SjMYB85/113等与芦丁合成相关，SjMYB89/158与槲皮素合成相关的关键调控因子，并通过启动子分析和PPI网络预测了它们与SjF3H/SjANR等结构基因的调控关系。这些发现不仅丰富了植物次生代谢调控的理论知识，更重要的是为槐树药用品质的分子改良提供了特异性靶点，对开发高黄酮含量的药用植物品种具有重要应用价值。研究建立的调控模型为解析其他药用植物活性成分合成的转录调控机制提供了范例。