通过对谷胱甘肽S-转移酶基因家族的全基因组分析，确定GmGSTF8和GmGSTF11是大豆中与花青素相关的谷胱甘肽S-转移酶

《BMC Plant Biology》：Genome-wide characterization of the glutathione S-transferase gene family identifies GmGSTF8 and GmGSTF11 as anthocyanin-associated GSTs in soybean

　　

摘要

背景

花青素是重要的类黄酮色素，有助于植物的着色、抗逆性以及营养价值的提升。尽管它们十分重要，但大豆（Glycine max）中花青素的运输与积累机制仍不甚明了。在此，我们对大豆中的谷胱甘肽S-转移酶（GST）基因家族进行了全面的基因组范围分析，并功能研究了可能与花青素稳定、细胞内转运及液泡隔离相关的GmGSTF基因成员。

结果

共鉴定出104个GmGST基因，将其分为7个亚家族，其中包括14个Phi类的GmGSTF成员。这些基因具有多样的外显子-内含子结构、保守的序列基序，且染色体分布不均，片段重复可能是该基因家族扩张的重要原因。系统发育分析和比较氨基酸序列分析表明，GmGSTF8和GmGSTF11与之前已研究的与花青素相关的GSTs高度相似，且含有保守的GST-N-Phi和GST-C-Phi结构域。表达谱分析显示，GmGSTF基因存在组织特异性及应激响应性的表达模式。值得注意的是，GmGSTF8和GmGSTF11分别与两个关键的花青素生物合成基因GmUGT78K2和GmF3′5′H呈现协同表达，其表达模式与大豆各组织中的花青素积累情况密切相关。基于这些系统发育和共表达结果，我们进一步研究了GmGSTF8和GmGSTF11是否具有保守的与花青素相关的功能。亚细胞定位分析显示，这两种基因主要分布于细胞质中。在Arabidopsis thaliana tt19突变体中异源表达GmGSTF8或GmGSTF11后，可恢复茎基部的着色，提高tt19背景下的相对花青素含量，种皮着色也有所恢复。这些结果表明，GmGSTF8和GmGSTF11是保守的与花青素相关的GST蛋白，可能作为载体或伴侣蛋白，参与花青素的稳定及液泡隔离过程。

结论

总体而言，本研究为与花青素积累相关的大豆GSTF基因成员提供了系统的特征描述及异源功能证据，同时确定GmGSTF8和GmGSTF11是未来旨在提高大豆类黄酮积累水平的研究的候选靶点。这些发现为未来在豆科植物中开展机制研究和代谢工程研究提供了宝贵的基础。