Zoysiagrass中MYC-bHLH转录因子的双突变导致匍匐茎与穗头花青素着色分离的遗传机制解析

本研究针对暖季型草坪草Zoysiagrass（结缕草属）中花青素积累影响观赏价值的问题，通过构建高密度遗传图谱（含8,402个SNP标记），定位到调控花青素合成的关键基因PP（MYC-bHLH转录因子）。研究发现Zoysia japonica（日本结缕草）与Z. matrella（沟叶结缕草）杂交F2群体中，同一基因的两个独立突变（SNP917导致内含子滞留，SNP632引起Ala163Ser替换）分别影响匍匐茎和穗头的着色。酵母双杂交实验证实后者通过改变MYB互作域影响组织特异性调控。该成果为培育全绿草坪品种提供分子靶点，论文发表于《Horticulture Research》。

　　

研究背景与科学问题

在追求完美草坪的道路上，紫色总是不受欢迎的“闯入者”。Zoysiagrass（结缕草属）作为暖季型草坪草，因其耐旱耐盐的特性广受欢迎，但其匍匐茎和穗头中积累的花青素（anthocyanin）却破坏了整齐的绿色景观。虽然花青素在植物中具有吸引传粉者和抵抗氧化损伤的功能，但对草坪美学价值而言却是减分项。更令人困惑的是，在Zoysia japonica（日本结缕草）与Z. matrella（沟叶结缕草）的杂交后代中，紫色性状的遗传规律呈现复杂模式：F₁群体中穗头颜色发生分离而匍匐茎全为紫色，F₂群体中两者却同时分离。这种组织特异性调控的遗传机制亟待解析。

关键技术方法

研究团队构建了包含530个个体的F₂群体，采用基因分型测序（GBS）技术开发了含8,402个SNP的高密度遗传图谱。通过QTL定位将目标性状锁定于12号染色体，结合全基因组测序筛选候选基因。利用酵母双杂交系统验证蛋白互作，并通过CAPS标记（DdeI和BssHII酶切）进行基因型-表型关联分析。实验材料包括雅典温室和蒂夫顿试验田种植的F₁/F₂群体，以及亲本Meyer和PI 231146。

主要研究结果

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   高密度遗传图谱构建

   基于Z. japonica参考基因组（ZJN_r1.1）构建的20个连锁群覆盖98.9%基因组区域，标记平均间距0.21 cM。比较基因组分析揭示结缕草与指状粟（finger millet）高度共线性，但2、5、7、19号染色体存在严重分离扭曲现象，可能与配子驱动系统有关。

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   花青素调控的遗传解析

   QTL分析发现控制匍匐茎和穗头着色的PP位点（LOD=89.4）位于12号染色体，解释68-89%表型变异。候选基因Zjn_sc00004.1.g07010.1.sm.mk编码MYC-bHLH转录因子，其两个突变具有不同效应：

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     SNP₉₁₇（G→A）：位于第7外显子末端，导致内含子滞留和ACT结构域截短，使蛋白丧失功能，影响所有组织花青素合成。

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     SNP₆₃₂（G→T）：引起N端MYB互作域Ala163Ser替换，特异性削弱与穗头表达MYBc（Zjn_sc00010.1.g01550.1.am.mk）的结合，而不影响匍匐茎相关MYBb的互作。

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   等位基因组合效应

   F₁群体中，SNP₆₃₂杂合子（GT）与SNP₉₁₇野生型（GG）组合导致绿色穗头；F₂群体中SNP₉₁₇纯合突变（AA）则使匍匐茎和穗头均呈绿色。

结论与意义

该研究首次揭示MYC-bHLH转录因子通过结构域特异性突变实现组织差异调控的分子机制：C端ACT结构域变异导致全局性功能丧失，而N端MYB互作域变异引发组织特异性效应。这一发现突破了传统认为MYB是花青素调控主要决定因子的认知，为草坪草育种提供了精准分子标记。通过标记辅助选择SNP₉₁₇和SNP₆₃₂，可培育匍匐茎与穗头均无花青素积累的优质品种，提升草坪景观价值。研究构建的高密度遗传图谱也为解析结缕草属间差异性状奠定基础。