藻类MYB转录因子进化多样化与功能角色：从基因组分布到调控网络

《Biology》：Evolutionary Diversification and Functional Roles of MYB Transcription Factors in Algae: Insights from Genomic Distribution and Regulatory Networks

　　

MYB转录因子（MYB transcription factors, TFs）代表一类保守的DNA结合调节因子，参与多种细胞和生理过程。MYB TFs在陆生植物中已被充分表征，但其在藻类中的进化历史和功能多样性仍知之甚少。本综述总结了藻类MYB TFs结构分类、进化特征和调控功能的当前知识。对Web of Science核心合集（Web of Science Core Collection, WOSCC）出版物（2003年1月1日至2026年4月27日）的文献计量分析显示，自2019年以来藻类MYB研究显著扩展，重点涉及转录调控、脂质代谢和胁迫适应。系统发育分析（phylogenetic analyses）表明，尽管藻类MYB保留了与陆生植物保守的MYB结构域，但其表现出谱系特异性多样化（lineage-specific diversification）。功能研究进一步表明，MYB TFs调控细胞周期进程（cell cycle progression）、碳浓缩机制（carbon-concentrating mechanisms, CCM）、脂质生物合成（lipid biosynthesis）、营养代谢（nutrient metabolism）和非生物胁迫响应（abiotic stress responses）。然而，大多数藻类MYB基因仍在功能上未被表征。将多组学（multi-omics）与基因组编辑（genome editing）相结合，将增进对MYB介导的调控网络的理解，并促进其在藻类生物技术（algal biotechnology）和代谢工程（metabolic engineering）中的未来应用。

1. 引言（Introduction）

MYB转录因子（transcription factors, TFs）是最大的基因家族之一，作为多种生物学过程的关键调节因子。首个被鉴定的MYB基因是禽成髓细胞瘤病毒（avian myeloblastosis virus, AMV）的v-myb癌基因；随后发现的细胞对应物c-myb原癌基因促成了一系列以保守N端DNA结合结构域为特征的转录调节因子的鉴定。在植物中，首个被鉴定的MYB基因为玉米C1基因，其与动物MYB原癌蛋白在保守DNA结合区具有约40%序列相似性。MYB在高等植物中已被广泛表征，调控发育、代谢和胁迫响应，但其在藻类中的进化和功能多样化仍不清楚。藻类作为早期分化的光合生物，对研究植物MYB调控网络的起源和进化至关重要。藻类多样性高，分布于海洋、淡水及极端环境，包括单细胞微藻和大型海藻；其生态重要性和在生物燃料、碳固定及水产养殖中的生物技术潜力使其成为近年研究重点。随着基因组测序、转录组学和多组学技术发展，藻类中越来越多转录因子家族被鉴定。文献计量趋势显示，藻类MYB TF研究已从早期基因鉴定转向转录调控、代谢和胁迫适应的整合分析，但目前主要集中在莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）等有限模式物种，领域仍较碎片化。结构上，藻类MYB蛋白在不同谱系间差异显著，通常分为1R-MYB、2R-MYB、3R-MYB和4R-MYB，其中2R-MYB在多种藻类中占优势，褐藻中还发现5R-和6R-MYB等非典型类型。比较基因组研究提示MYB丰度在藻类分类群间变异较大，存在谱系特异性扩张；绿藻和轮藻相关谱系MYB复杂性增加，表明转录调控系统在进化中逐步多样化。功能研究显示，莱茵衣藻MYB参与细胞周期进程、碳浓缩机制（carbon-concentrating mechanism, CCM）和营养胁迫响应；产油微藻中MYB与脂质生物合成和三酰甘油（triacylglycerol, TAG）积累相关；MYB还涉及磷和氮限制、盐胁迫、光适应及类胡萝卜素生物合成。尽管取得进展，多数功能研究仍限于少数模式藻，藻类MYB TFs的调控网络和进化保守性仍不清楚。本综述整合多个藻类谱系的研究，分析研究趋势，比较MYB结构类别和系统发育模式，并评估跨物种功能证据；文献计量分析作为背景支持，而非生物学结论的主要依据。

2. 藻类MYB转录因子研究趋势与文献概貌（Overview of Research Trends and Literature Landscape of Algal MYB Transcription Factors）

2.1 数据来源与方法（Data Sources and Methods）

该研究采用文献计量方法探索藻类MYB TFs研究进展。Web of Science Core Collection（WOSCC）作为综合且权威的引文索引，被用于文献检索。检索期为2003年至2026年，具体检索日期为2026年4月27日。检索策略利用布尔运算符识别聚焦MYB TFs和藻类（包括微藻和大型海藻）的相关文献，共获得114条记录；经筛选英语研究论文后，得到100条合格文献用于后续文献计量研究。关键词共现分析使用VOSviewer（版本1.6.20）进行，关键词仅在最终数据集中出现于至少6篇文献时纳入，保留27个关键词用于网络构建。共现链接强度采用关联强度法归一化，网络使用默认布局参数，并采用VOS聚类技术，分辨率参数为1.00，最小聚类大小为1，启用小聚类合并。最终网络包含27个项目、245条链接、总链接强度483和3个关键词聚类。聚类主题标签由研究人员在检查各聚类内高频且强连接关键词及相关出版物标题和摘要后人工确定，仅用于总结文献中代表性主题，不构成对MYB转录因子活性的直接功能分类或实验证据。由于文献计量分析仅依赖WOSCC，可能低估未被该数据库索引的期刊中发表的藻类MYB研究。

2.2 出版趋势与研究概貌（Publication Trends and Research Landscape）

2003年至2017年，藻类MYB转录因子年发文量一般不超过3篇，随后增加至2022年和2023年均为13篇的峰值；2026年计数不完整，因为检索仅覆盖至2026年4月27日。文献概貌进一步表明，藻类MYB研究进展在不同研究问题上并不均衡。现有研究在MYB基因鉴定、家族组成和表达响应方面积累了越来越多信息，但经实验支持的MYB功能证据仍仅来自有限藻类物种和生物学过程。因此，MYB结构分类、进化多样化和功能特化之间的关系仍未完全解析。对这些出版物的整合揭示了藻类MYB研究趋势。

2.3 主要研究主题（Major Research Themes）

利用VOSviewer进行关键词共现分析以识别文献中的主要主题标签。鉴于文献语料规模有限且关键词共现网络相对稀疏，所得聚类和作者赋予的主题标签被视为描述性总结，而非稳定或经验证的主题发现。聚类1（棕色）包括“微藻”“三酰甘油”“积累”“鉴定”“表达”和“莱茵衣藻”等术语，被描述性标记为微藻中MYB鉴定与脂质相关研究。聚类2（黄色）包括“MYB转录因子”“转录因子”“表达分析”“进化”“序列”“基因组”和“胁迫”，被标记为MYB基因鉴定、进化分析和表达谱研究。聚类3（蓝色）包含与“转录因子”“代谢”“光合作用”“生长”“响应”“耐受”和“基因表达”相关的术语，被标记为生长、代谢和环境响应的转录调控。其中，绿藻莱茵衣藻是最常用模式生物，连接多个研究关键词，表明其在当前实验研究中的重要地位。总体而言，三个聚类为后续章节提供了主题框架，即依次考察MYB结构分类和进化多样化，以及实验支持的藻类生长、代谢和环境适应功能。

3. 藻类MYB转录因子的结构特征与进化模式（Structural Features and Evolutionary Patterns of Algal MYB Transcription Factors）

3.1 藻类MYB转录因子的结构分类（Structural Classification of Algal MYB Transcription Factors）

MYB TFs具有高度保守的N端DNA结合域（DNA-binding domain, DBD），由1–4个不完全重复（R）组成。每个重复含50–53个氨基酸，形成三个α螺旋，其中第二和第三螺旋采取螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix, HTH）折叠，由三个均匀间隔的色氨酸残基稳定疏水核心。尽管已在多个藻类谱系中鉴定MYB蛋白，但据目前知识，尚无实验解析的藻类MYB蛋白三维结构，无论是单独还是与DNA复合。然而，含一个、两个或三个MYB重复的藻类MYB DBD模型三维结构提供了相应MYB类别的初步结构表征。褐藻MYB DBD结构通过基于与非植物MYB最相似序列的同源建模推断。因此，藻类MYB蛋白识别DNA的结构基础主要来自陆生植物中已表征的同源MYB蛋白。MYB家族经典结构域（PF00249）及其AlphaFold预测三维结构见补充材料。这些蛋白中，MYB DNA结合域由一个或多个重复组成，每个重复通常形成三螺旋束，识别螺旋参与DNA结合。缺乏实验解析的藻类MYB结构是未来研究的重要知识空白。MYB蛋白根据重复数量和排列分为四大类：1R-MYB、2R-MYB（R₁R₂）、3R-MYB（R₁R₂R₃）和4R-MYB。2R-MYB是最大MYB亚组，根据保守C端基序分为28个亚组，可能通过R1重复丢失或复制事件起源于3R-MYB，主要调控植物代谢、形态发生和胁迫响应。MYB相关蛋白含单个或部分MYB重复，在形态发生、叶绿体发育、次生代谢和磷饥饿响应中发挥作用。3R-MYB在真核生物中进化保守，但在植物中拷贝数低，调控发育和胁迫响应。4R-MYB高度保守，但在植物中表征较差。褐藻中还报道了额外的5R-和6R-MYB。虽然MYB TFs在高等植物中已被广泛表征，但其在藻类中的功能仍不清楚。近期全基因组研究已在多个藻类谱系中鉴定并分类MYB基因家族，覆盖8个主要门近100个属，包括莱茵衣藻、紫球藻、海洋微拟球藻、Klebsormidium flaccidum、海带、假微型海链藻、Vitrella brassicaformis和Isochrysis galbana等模式种。Galdieria中注释到相对较多的MYB基因，可能与其极端环境适应有关，但这仍是一个需用统一注释的高质量基因组数据检验的假设。所有计数来自已发表文章和TAPscan v4数据库，但底层基因组在组装完整性和基因注释质量上可能不同，这限制了物种间直接比较。

3.2 藻类MYB的进化特征（Evolutionary Characteristics of MYB in Algae）

为研究藻类进化关系，研究聚焦于目前表征最广泛的2R-MYB亚家族。系统发育树根据MYB结构域重复数量建立，蛋白序列数据完全来自基因组预测的蛋白模型。比较系统发育分析使用来自8个藻门的代表性物种MYB蛋白序列，以及三种陆生植物序列：拟南芥（Arabidopsis thaliana，被子植物）、地钱（Marchantia polymorpha，苔类）和银杏（Ginkgo biloba，裸子植物）。陆生植物序列作为评估藻类和陆生植物MYB进化关系的参考。对于2R-MYB系统发育分析，候选蛋白序列根据保守MYB DNA结合域进一步重新评估，以提高序列可比性和系统发育分析可重复性。使用HMMER v3.4将蛋白序列搜索Pfam MYB DNA结合域谱（PF00249；Myb_DNA-binding），并使用Pfam策展的家族特异性收集阈值（--cut_ga）鉴定显著PF00249结构域匹配。仅保留恰好含两个显著PF00249命中的蛋白进入2R-MYB数据集，含一个或三个显著命中的蛋白被排除。对每个保留蛋白，两个PF00249命中按其在蛋白序列中的位置排序并命名为第一（R1）和第二（R2）MYB重复。提取HMMER比对坐标对应的氨基酸区域，并按R1–R2顺序拼接，用于后续多序列比对和系统发育分析。这种基于结构域的程序最小化了高度可变的非MYB区域和长重复间连接序列对序列比对的影响。所得系统发育树作为无根树处理和可视化，因为未指定明确外群进行生根。研究使用的蛋白序列主要来自TAPscan v4数据库和已发表研究中的蛋白序列。选择该数据库的原因是其遵循统一的转录因子鉴定流程和家族分类规则，系统注释多个藻类物种，便于跨物种比较。分析纳入的物种需满足以下条件：具有相对完整且公开可获取的基因组或蛋白质组数据；在TAPscan v4中具有MYB或MYB相关家族注释；其分类地位和物种名称可与公共文献和主流分类数据库交叉核对。2R-MYB系统发育显示，268条序列在采样分类群中呈异质分布。陆生植物序列，尤其是拟南芥、银杏和地钱序列，在系统发育树中密集聚类，而许多藻类序列仅小部分聚类，表明藻类通常比陆生植物含更少2R-MYB成员。各组未完全分离：若干Chara braunii序列与陆生植物序列相邻出现。轮藻在基因结构和结构域组织上与陆生植物更相似。莱茵衣藻序列分布在多个分支，而非形成单一单系进化枝。绿球藻和轮藻序列出现在陆生植物同源物中的现象，与2R-MYB谱系在陆地化之前已存在相一致；后续复制促进了陆生植物2R-MYB扩张。由于若干较深关系自举支持有限，当前树本身无法解决这些事件的时间或确定特定基因丢失或水平基因转移事件。255条1R-MYB（MYB相关）序列分布在系统发育树多个分支。若干莱茵衣藻序列邻近出现，而另一些位于不同分支。Emiliania huxleyi和Galdieria sulphuraria序列也形成富集群，若干内部节点自举支持高于90%。其他位置，不同藻类谱系序列彼此邻近。总体系统发育显示既有受支持的局部聚类，也有更广泛的MYB相关序列散布。由于一些较深节点缺乏强自举支持，更广泛类群间关系仍不确定。由于3R-MYB基因分类分布有限且拷贝数低，可用于系统发育重建的信息序列相对较少。若干内部节点自举支持低，限制了从这些树推断进化关系。采样受限及比对MYB DNA结合区系统发育信号有限可能造成这种不确定性。弱支持节点上的关系被视为未解析，未赋予特定基因复制或丢失事件。4R-MYB数据集包含9条序列，推断拓扑被视为探索性，在缺乏分支支持值的情况下未得出关于藻类谱系间关系的确定结论。

4. 藻类中MYB转录因子的功能（The Function of MYB Transcription Factors in Algae）

MYB TFs是藻类生长、发育、代谢和胁迫响应的中心调节因子，通过跨物种转录控制整合细胞功能。它们调控细胞周期进程和碳获取。在莱茵衣藻中，MYB相关蛋白CDC5对细胞周期进程必需，与MYB蛋白在真核细胞分裂中的保守作用一致。LCR1调控CO₂响应性Cah1基因，该基因编码碳浓缩机制（CCM）关键碳酸酐酶，将MYB活性与波动CO₂下的光合效率联系起来；其共调节因子LCR2进一步调节CCM相关转录网络。褐藻显示扩张的3R-MYB亚家族，调控细胞分裂、分化和发育；小球藻（Chlorella vulgaris）3R-MYB蛋白控制G₂/M转换。MYB TFs调控藻类脂质生物合成和次生代谢物产生。在Chromochloris zofingiensis中，2R-MYB CzMYB1是脂质代谢全局调节因子，控制TAG生物合成和积累。在莱茵衣藻中，LRL1参与磷耗竭响应，MYB因子调节MEP途径。在Auxenochlorella protothecoides中，ApMYB3–5可能通过脂质代谢基因表达在调节脂质合成和TAG产生中发挥潜在作用。除脂质外，Ulva prolifera UpMYB44通过激活关键途径基因正向调节类胡萝卜素生物合成，而Isochrysis galbana IgMYB98可能在光诱导代谢重塑中负调节岩藻黄质生物合成。MYB蛋白还与其他转录因子合作调控长链多不饱和脂肪酸（long-chain polyunsaturated fatty acids, LC-PUFA）合成。在Nannochloropsis oceanica中，MYB是响应热胁迫条件最多样且活跃的转录因子家族。MYB TFs还介导藻类对营养限制和非生物胁迫的适应。MYB样PSR1在磷饥饿下于藻类中功能保守：在莱茵衣藻中，它激活磷吸收和代谢基因，增强缺乏耐受；在三角褐指藻中，PtPSR通过直接结合靶基因启动子调节磷获取和脂质重塑；在N. oceanica中，PSR1通过非磷脂质合成驱动膜脂重塑。氮剥夺下，莱茵衣藻MYB1通过促进脂肪酸转运促进脂质积累，ROC40调节TAG积累。此外，莱茵衣藻MYB基因在盐胁迫下迅速诱导，调节渗透平衡和抗氧化途径；在Schizochytrium sp.中，MYB15介导二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid, DHA）生物合成和盐耐受。三角褐指藻MYB TFs（LRM）调节光强度变化下光捕获复合体基因表达。

5. 结论（Conclusions）

本综述强调，藻类MYB转录因子包含结构多样的家族，并在主要藻类群中经历了谱系特异性多样化。可用的系统发育和比较证据为理解藻类MYB蛋白的进化关系提供了初步框架。当前功能证据支持藻类MYB转录因子在生长、代谢和环境响应调节中的作用，但这些功能仅在有限物种和基因中得到实验表征。

6. 未来展望（Future Perspectives）

未来研究应优先对系统发育多样的藻类进行基于标准化基因组的MYB库注释，并对代表性MYB基因开展系统功能验证。将靶向遗传扰动与转录组、染色质水平和代谢组分析相结合，对于鉴定MYB靶基因并定义保守与谱系特异性调控网络至关重要。此外，缺乏实验解析的藻类MYB–DNA结构仍是重要知识空白。解决这些问题将推进对藻类MYB进化和调控功能的理解，并为其未来在藻类生物技术中的应用提供更坚实基础。