马铃薯基因型依赖型花青素生物合成通路关键基因表达差异研究及其代谢工程应用前景

本研究系统分析了不同马铃薯基因型花青素（anthocyanin）生物合成通路的分子机制，发现高花青素基因型Heimeiren与低花青素基因型Desiree之间的差异主要源于关键基因（ANS、AOMT、F3′5′H和F3H）的表达水平而非酶活性位点突变。该研究为通过多基因协同代谢工程培育高花青素马铃薯品种提供了重要靶点，对功能性作物开发和人类健康具有重要意义。

　　

1 引言

花青素作为类黄酮化合物的重要亚类，是植物中广泛存在的糖基化多酚类色素，具有独特的2-苯基苯并吡喃氧鎓离子结构。目前已知超过700种天然花青素，其多样性源于羟基化、甲基化、糖基化和酰基化等修饰方式的差异。在植物中，花青素不仅赋予器官红、橙、蓝、紫等色彩，更在抵御生物/非生物胁迫、吸引传粉者、保护光合机构免受紫外线伤害等方面发挥关键作用。对人类而言，花青素通过清除活性氧/氮物种、螯合金属离子、抑制自由基生成酶等机制，展现出预防癌症、心血管疾病和慢性病的健康功效。

2 材料与方法

研究选取五个马铃薯基因型（Desiree、Nicola、Russet Burbank、Victoria、Heimeiren），通过体外培养和温室栽培获得实验材料。采用HPLC法测定块茎皮和肉中三种主要花青素（PTG、PLG、POG）含量，使用NovaSeq 6000平台进行全基因组测序（WGS）和RNA测序（RNA-seq）。通过RT-qPCR验证基因表达，统计分析采用ANOVA和Student's t-test。

3 结果

3.1 基因型间花青素含量差异

Heimeiren在块茎皮和肉中均表现出极高的花青素积累，其中PTG含量占主导地位，Victoria次之，其余基因型含量显著较低。基于此，选择Heimeiren（高含量）和Desiree（低含量）作为代表性材料进行深入分析。时间进程分析显示Heimeiren的花青素含量在生长早期（8周）最高，随生长进程逐渐下降。

3.2 酶活性位点保守性分析

通过WGS比对关键花青素生物合成酶（F3H、DFR、PAL、4CL、CHI、UFGT、ANS、CHS）的活性位点，发现Heimeiren与Desiree之间不存在导致氨基酸置换的单核苷酸多态性（SAP），表明酶活性差异并非表型变异的主要原因。

3.3 转录组分析揭示差异表达基因

RNA-seq分析鉴定出27个候选基因在两种基因型间表达差异显著。GO和KEGG富集分析显示，花青素生物合成通路中下游基因（从柚皮素开始）在Heimeiren中持续高表达。其中ANS（花青素合成酶）和AOMT（花青素O-甲基转移酶）的表达差异最为显著，在8周时表达量相差8倍以上。

3.4 组织特异性表达验证

在块茎肉质部，ANS和AOMT在Heimeiren中的表达显著高于Desiree，而F3′5′H和F3H表达无显著差异。在块茎皮部，仅ANS表达显著升高。这表明ANS和AOMT的表达水平对Heimeiren肉质部花青素高积累具有决定性作用。

4 讨论

本研究首次系统揭示马铃薯基因型依赖的花青素积累差异主要源于生物合成通路关键基因的表达调控而非酶活性变异。特别是ANS和AOMT在肉质部的高表达与花青素积累呈正相关。传统单基因过表达策略仅能提高块茎皮部花青素含量，而本研究建议采用ANS、AOMT与F3′5′H或F3H的多基因协同表达策略，有望实现块茎肉质部花青素的高效生物强化，为开发功能性马铃薯品种提供新途径。

作者贡献

Chae-Min Lee、Hyun-Soon Kim和Hyo-Jun Lee共同构思实验；Chae-Min Lee和Seung Yong Shin主导实验执行；Su-Jin Park和Ji-Sun Park协助栽培实验；Changsoo Kim参与科学讨论；论文由Chae-Min Lee、Seung Yong Shin和Hyo-Jun Lee共同撰写。

致谢

研究获得韩国农村发展厅（PJ01653001）、韩国国家研究基金会（NRF-2023R1A2C1003963、NRF-2022R1I1A2073565）和韩国生命工学院（KGM1102313、KGM1082511、KGM1002521）项目资助。