PpBL对花青素和原花青素的双重调控及其与桃果实酸度的关联

《Molecular Horticulture》：Dual regulation of anthocyanins and proanthocyanidins by PpBL and its linkage to acidity in peach

　　

红肉桃呈现诱人的花青素（anthocyanin, AN）着色，但常伴随由原花青素（proanthocyanidin, PA）引起的不良涩味和高果实酸度（fruit acidity, FA），限制了其商业价值。这种共现现象背后的遗传机制尚不清楚。利用源自‘wen30’和‘wen48’的F₁群体，研究人员在5号染色体0.32–4.74 Mb区域定位到AN、PA和FA的共定位数量性状位点（quantitative trait locus, QTL）。结合转录组学与酵母单杂交（yeast one-hybrid, Y1H）、电泳迁移率变动分析（electrophoretic mobility shift assay, EMSA）和双荧光素酶试验，研究人员证明PpBL是AN和PA积累的关键调控因子。PpBL直接激活PpUGT73C3（独立于PpMYB10.1）以促进AN生物合成，并通过直接上调PpLAR和PpANR增强PA积累；PpUGT73C3也通过尚不明确的机制促进PA积累。相比之下，FA不受PpBL直接调控，但与PpBL启动子中blood-TE插入紧密连锁的高酸度PpTST1等位基因相关。同时携带该插入和PpUGT73C3编码变异的单倍型赋予更高的AN和PA，但连锁累赘也导致FA升高。这些发现揭示了颜色和涩味的多效性调控以及基于连锁的酸度关联，为桃育种提供了见解。研究人员进一步确认了PpBL作为这两个性状主调控因子的作用，并提供了红肉与高酸度相关性源于PpBL基因座与酸度决定基因PpTST1紧密连锁而非直接调控的遗传学解释。

红肉桃因富含花青素而具有诱人的红色外观，但常伴随由原花青素导致的涩味和高果实酸度，显著制约其商业价值。消费者对果品外观和风味的双重需求，使颜色、涩味和酸度之间的遗传关系成为育种改良的关键问题。此前对桃红肉性状的调控网络已有一定认识，例如PpBL通过PpMYB10.1促进花青素合成，但PpBL是否同时调控原花青素积累，以及红肉与高酸度共分离究竟源于基因多效性还是遗传连锁，尚未阐明。针对这一科学问题，研究人员利用红肉桃品种‘wen30’和‘wen48’构建了包含152个单株的F₁分离群体，开展了系统的表型评价、遗传定位和分子功能研究，相关成果发表于《Molecular Horticulture》。

研究人员首先对F₁群体的花青素、原花青素和果实酸度进行了连续两年（2021、2022）的表型鉴定，发现三者均呈超亲分离且两两间存在显著正相关，广义遗传力分别达82%、86%和65%，表明这些性状受较强的遗传控制。红肉与白肉性状的分离比符合3:1（χ²=3.45），证实红肉为单基因显性性状。通过亲本及后代的重测序数据，研究人员构建了包含1339个bin、总长530.690 cM的高密度遗传图谱，平均标记间距0.396 cM。基于该图谱进行QTL定位，在5号染色体3.7–13.6 cM区间同时检测到AN、PA和FA的稳定共定位QTL，该区间共包含260个基因，为后续候选基因筛选提供了关键区间。

为了筛选候选基因，研究人员比较了白肉与红肉果实在发育后期（s3–s5）的转录组，在QTL区间内鉴定到32个差异表达基因，其中PpBL和PpUGT73C3引起了重点关注。PpBL是已知的红肉调控因子，而PpUGT73C3编码类黄酮糖基转移酶。qRT-PCR验证显示，两者在红肉样本中的表达量显著高于白肉样本。进一步的基因型多样性分析发现，PpBL启动子中存在一个6688-bp的blood-TE转座子插入，PpUGT73C3编码区存在三个非同义突变，且这些变异紧密连锁，据此将F₁群体划分为四种单倍型。其中同时携带插入和突变的Hap1个体，其AN和PA含量显著高于其他单倍型，FA也最高，说明该单倍型对色素和涩味有增益作用，但伴随着酸度升高。

在功能验证层面，研究人员通过体外酶活实验证明PpUGT73C3及其天然变异体Ppugt73c3均可催化矢车菊素生成矢车菊素-3-O-葡萄糖苷，且Ppugt73c3的催化效率更高。在桃果实中的瞬时过表达和病毒诱导基因沉默（virus-induced gene silencing, VIGS）实验进一步证实，PpUGT73C3和Ppugt73c3均能正向调控AN和PA的积累，并影响PpANS、PpANR和PpLAR的表达，但对FA无显著影响。同样，PpBL的过表达和沉默实验表明，PpBL通过上调PpANS促进AN合成，同时上调PpANR和PpLAR促进PA合成，且不改变FA含量。双荧光素酶、酵母单杂交和电泳迁移率变动分析共同证明，PpBL能够直接结合PpUGT73C3启动子中的W-box元件，以及PpANR和PpLAR启动子中的E-box元件，从而转录激活这三个靶基因。这揭示了PpBL独立于PpMYB10.1的一条新调控途径，也解释了PpBL对颜色和涩味的多效性调控。

在讨论部分，研究人员指出，PpBL启动子中的blood-TE以剂量依赖方式增强PpBL表达，从而影响AN和PA含量。尽管PpBL不直接调控FA，但PpBL基因座与酸度主效基因PpTST1在5号染色体上物理相邻，blood-TE插入与PpTST1外显子中的关键SNP（G-A, Chr5: 720,760）存在强连锁（r=–0.84），导致携带红肉有利单倍型的同时也引入了高酸度等位基因。这一连锁关系是红肉桃低酸育种的主要障碍。研究还发现PpUGT73C3促进PA积累的具体机制尚不明确，但该发现与在其他物种中观察到的UGT参与PA合成一致，为后续研究提供了线索。最终，研究人员得出结论：AN、PA和FA在Chr5上的共定位中，颜色与涩味的共分离源于PpBL的多效性，而颜色与酸度的共分离则源于PpBL与PpTST1之间的遗传连锁。单倍型分析显示，同时携带blood-TE和PpUGT73C3编码变异的Hap1虽能显著提升AN和PA含量，但因连锁累赘也导致FA升高，这一权衡为分子标记辅助育种提供了重要参考。综上所述，本研究明确了红肉桃颜色、涩味和酸度协同调控的遗传基础，为培育色泽鲜艳且风味优良的桃品种提供了关键的基因资源与分子工具。