马铃薯StMYB308L转录因子调控类黄酮生物合成通路的分子机制解析

为解决彩色马铃薯(Solanum tuberosum L.)花青素与类黄酮积累的分子调控机制不明问题，内蒙古农业大学农学院马艳红团队聚焦R2R3-MYB转录因子StMYB308L的功能解析。研究通过转基因过表达技术证实StMYB308L能显著加深马铃薯茎秆和烟草花瓣颜色，上调花青素合成关键基因StCHS、StF3'5'H、StDFR的表达（增幅1.27-2.83倍），并提高组织内花青素（烟草花瓣增加0.24 μmol/g）及总类黄酮含量（马铃薯茎段增加1.29 mg/g）。转录组分析揭示其通过激活Nt4CLs、NtANSs等20,775个差异基因（含330个转录因子）调控苯丙烷代谢通路。该研究为培育高营养价值马铃薯品种提供了关键靶点。

　　

论文解读

彩色马铃薯被誉为"地下苹果"，其富含的花青素和类黄酮具有抗氧化、降血脂等健康功效，但调控这些活性物质合成的分子机制长期不明。内蒙古农业大学农学院的研究团队通过前期筛选发现，R2R3-MYB转录因子StMYB308L可能与马铃薯块茎呈色密切相关。为揭示其功能，团队在《BMC Plant Biology》发表了系统性研究，证实该基因通过激活类黄酮合成通路关键酶基因，显著提升植物组织的色素沉积与抗氧化能力。

研究采用多组学技术联用策略：首先通过RNA-seq筛选候选基因，利用qRT-PCR验证StMYB308L在8个彩色马铃薯品种中的表达模式（图2）；构建pBI121-StMYB308L过表达载体，通过农杆菌介导转化马铃薯（采用RAPID技术）和烟草（叶盘法）；结合激光共聚焦显微镜进行亚细胞定位（图4）；采用pH示差法（BC1385试剂盒）和铝盐比色法（BC1335试剂盒）分别测定花青素和类黄酮含量；基于Illumina HiSeq平台开展转基因烟草花瓣转录组分析（数据号PRJNA958461），筛选20,775个DEGs并进行KEGG/GO富集（图9）。

关键结果解析

1. 基因特性与表达模式

   • StMYB308L编码267个氨基酸的亲水性核蛋白（图4），启动子含GARE-motif等激素响应元件（图1A）。在紫色块茎品种"黑金刚"中的表达量显著高于黄色品种"后期红"（图2）。
   • 激素处理表明：GA₃和乙烯利促进"黑金刚"愈伤组织中基因表达（图3B-C），16°C低温显著诱导其在不组培苗中的转录（图3D）。

2. 转基因表型与生理效应

   • 过表达马铃薯茎秆颜色加深（图5E），茎段花青素增加0.11 μmol/g，叶片类黄酮提升2.15 mg/g（图5C-D），StCHS、StF3'5'H等基因表达上调2.04-2.83倍（图5B）。
   • 转基因烟草花瓣呈深紫色（图6），花青素含量最高增加0.24 μmol/g（图8B），花瓣总抗氧化能力提升26.80 μmol/g（图8J）。

3. 分子调控网络

   • 转录组分析显示，StMYB308L上调苯丙烷代谢通路基因Nt4CLs、NtDFRs（图10），并激活14个与花青素转运相关的NtBZ1s基因。
   • 蛋白互作预测揭示StMYB308L与花青素调控蛋白StAN11（WD40）互作，共同结合ANS、DFR等靶基因启动子（图1B-C）。

结论与意义
该研究首次阐明StMYB308L通过"MYB-AN11-结构基因"复合体（MBW复合体）正向调控类黄酮合成：一方面直接激活苯丙烷途径限速酶基因（如4CL、DFR），另一方面增强花青素转运蛋白BZ1表达，最终促进植物组织色素积累（图10）。该发现不仅解析了彩色马铃薯呈色的分子基础，更创制了StMYB308L过表达种质材料，为高类黄酮马铃薯分子育种提供新策略。未来可进一步探索该基因在采后低温贮藏中对块茎营养品质的调控机制。