甘薯贮藏根叶酸生物合成的关键调控因子IbADCL1的发现及其功能验证

本研究通过整合转录组与代谢组分析，鉴定到甘薯贮藏根叶酸生物合成的关键调控基因IbADCL1。研究人员通过异源过表达技术，在低叶酸品种中实现总叶酸含量177-222%的提升，其中活性形式5-MTHF和5-FTHF分别增加184-224%和40-142%。该研究揭示了叶酸积累的分子机制，为甘薯营养强化提供了重要靶点。

　　

叶酸（维生素B9）作为植物代谢和人类饮食中必需的微量营养素，在预防神经管缺陷、降低巨幼细胞性贫血风险、维持正常神经功能和减少某些癌症风险方面发挥着至关重要的作用。然而，全球超过20%的人口面临叶酸缺乏问题，且植物中的天然叶酸含量较低，在食品加工和烹饪过程中容易降解。甘薯（Ipomoea batatas (L.) Lam.）作为全球重要的主食作物，虽然富含类胡萝卜素、花青素和多糖等营养成分，但其叶酸含量仍不理想，且叶酸生物合成调控机制尚不明确。

为了解决这一问题，山西农业大学的研究团队在《Food Chemistry: Molecular Sciences》发表了题为"IbADCL1 as a key regulator of folate biosynthesis in sweet potato storage roots"的研究论文。该研究通过整合多组学分析和功能验证，揭示了甘薯贮藏根叶酸生物合成的关键调控机制。

研究人员首先对26个甘薯品种的叶酸含量进行了系统评估，筛选出高叶酸品种Y25（19.94 μg/g）和低叶酸品种968-19（14.10 μg/g）作为实验材料。通过靶向代谢组学分析，发现5-甲基四氢叶酸（5-MTHF）和5-甲酰基四氢叶酸（5-FTHF）是叶酸变异的主要决定因子。转录组分析鉴定出编码4-氨基-4-脱氧分支酸裂解酶的IbADCL1基因为潜在的调控基因。

研究采用的主要技术方法包括：叶酸含量测定采用酶联免疫吸附测定（ELISA）法和超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）分析；转录组测序使用Illumina平台，以Taizhong6为参考基因组；基因功能验证通过根癌农杆菌（Agrobacterium rhizogenes）介导的毛发根转化系统实现；使用Cut-Dip-Budding（CDB）遗传转化系统获得转基因植株。

^3.1.不同品种甘薯叶酸含量分析及代表性品种筛选

通过对26个甘薯资源的系统评估，发现Y25和968-19品种间存在显著的叶酸含量差异。盆栽实验表明，叶酸积累主要发生在干物质积累阶段（S3-S4），Y25在S3和S4阶段的叶酸含量显著高于968-19。

^3.2.Y25和968-19块根叶酸靶向代谢分析

靶向代谢组学揭示了5种主要叶酸组分：5,10-亚甲基四氢叶酸（5,10-CHTHF）、5-甲酰基四氢叶酸（5-FTHF）、5-甲基四氢叶酸（5-MTHF）、二氢叶酸（DHF）和四氢叶酸（THF）。Y25在S3阶段的5-FTHF含量达到86.58 μg/100g，比S1阶段增加116倍，而968-19则呈现相反趋势。

^3.3.Y25和968-19甘薯贮藏根转录组分析

转录组分析发现，随着块根发育，两个品种间的差异表达基因（DEGs）数量增加，Y25-S3与968-19-S3比较中鉴定出7789个DEGs，为候选基因筛选奠定了基础。

^3.4.甘薯块根叶酸生物合成代谢候选基因鉴定

从叶酸生物合成途径（ko00790）中的31个DEGs中筛选出两个候选基因：G54242和G4469。G54242编码4-氨基-4-脱氧分支酸裂解酶（ADCL），被选为功能验证的候选基因。

^3.5.G54242（IbADCL1）基因的鉴定与功能分析

G54242位于13号染色体，全长为2395 bp，被命名为IbADCL1。序列分析发现968-19在51 bp处存在单核苷酸突变，导致天冬氨酸（N）被赖氨酸（K）取代，三级结构预测显示968-19相比Y25缺少一个螺旋结构。

^3.6.转基因植株的获得与鉴定

利用根癌农杆菌介导的转化系统，成功获得6个过表达IbADCL1的转基因株系（OE-1至OE-6）。qRT-PCR分析显示OE-1和OE-2的IbADCL1表达量分别比野生型（WT）高2.33倍和1.37倍。叶酸含量测定表明OE-1、OE-2和OE-4的总叶酸含量显著增加，分别提高96%、78%和79%。

靶向叶酸代谢组学分析显示，过表达IbADCL1显著提高了总叶酸含量，OE-2达到34.27 μg/100g，比WT增加122%。5-MTHF含量增加184-224%，5-FTHF含量增加40-142%。其他叶酸组分也呈现不同程度增加。

研究结论与讨论部分指出，该研究通过整合多组学分析和功能验证，确立了IbADCL1作为甘薯叶酸生物合成的限速控制器。IbADCL1编码的4-氨基-4-脱氧分支酸裂解酶（ADCL）催化4-氨基-4-脱氧分支酸（ADC）转化为对氨基苯甲酸（p-ABA），这是叶酸生物合成中的关键步骤。在968-19品种中发现的单核苷酸突变（N→K）及其导致的蛋白质三级结构变化（缺失一个螺旋）可能是其叶酸含量较低的结构基础。

转基因过表达实验证明，IbADCL1的过表达能够显著提高叶酸含量，特别是生物活性形式5-MTHF和5-FTHF的增加尤为明显。这表明IbADCL1在叶酸生物合成途径中发挥着关键调控作用。研究还发现，过表达IbADCL1不仅影响叶酸生物合成途径（ko00790），还通过还原性乙酰辅酶A途径（M00377）模块影响一碳池代谢，表明该基因在叶酸代谢网络中处于核心位置。

该研究的重要意义在于：首先，揭示了甘薯贮藏根叶酸积累的分子机制，填补了多倍体作物贮藏器官叶酸代谢调控研究的空白；其次，鉴定出的IbADCL1基因为甘薯叶酸生物强化提供了重要的分子靶点；第三，建立的CDB遗传转化系统为甘薯基因功能研究和遗传改良提供了有效技术平台；最后，研究结果为通过代谢工程手段提高主食作物的营养价值提供了新思路，对解决全球叶酸缺乏问题具有重要意义。

需要注意的是，虽然该研究聚焦于IbADCL1，但另一个候选基因G4469（钼辅因子合成酶大亚基）可能通过影响钼酶活性间接调控叶酸代谢，值得进一步研究。此外，田间试验和多组学整合分析（如蛋白质组学、代谢通量分析）将有助于全面解析叶酸代谢的调控网络。