特别推荐分析r2r3-myb基因调控花青素合成的研究进展
前言
花色素苷是植物中一种重要的次生代谢产物，主要积累在植物的花、果实和叶子中，并通过其多彩的颜色吸引昆虫等传粉者，帮助植物完成其生命过程。此外，研究表明，长期定期食用富含花青素的食物可以有效预防心血管疾病、神经退行性疾病、癌症等。
植物组织是否富含花青素是肉眼可见的。由于花色苷具有明显的表型和简单的亲缘关系，花色苷的研究也是植物最早的特征之一。通过大量对植物花色素苷合成调控的研究，研究者发现不同物种花色素苷的合成总是受到r2r3-myb转录因子、bhlh转录因子和wd40蛋白的调控，而由这三种蛋白组成的复合体称为mbw复合体。其中，r2r3-myb转录因子的表达具有很强的组织特异性，通常是植物花青素合成的关键调节因子。
本文从时间线索和基因克隆技术发展的角度，总结了r2r3-myb基因克隆的一些已发表文章，并对其基因特征进行了简要描述。
在1986年，
1986年，cone等人克隆了zmcolor1(简称zmc11)，它通过转座子标记来调节玉米籽粒中糊粉层的颜色。随后的研究发现，该基因编码一种与动物myb高度同源的蛋白质，其表达受光信号调控。zmc1是第一个克隆到植物中的r2r3-myb基因，也是第一个克隆到的花青素合成调控因子。
除了玉米，对模式植物如矮牵牛和拟南芥的研究也为揭示r2r3-myb转录因子调节花青素合成提供了更多证据。
1999年
1999年，quattrocchio等人克隆了矮牵牛花瓣中花青素合成的主要调控位点an2 (phan2)，它也编码r2r3-myb转录因子2。2000年，borevitz等人利用激活标签法将35s启动子随机插入拟南芥基因组，并通过分离侧翼序列克隆了调节拟南芥营养组织中花色素苷积累的myb转录因子atpap13。
图1 | 2000年不同颜色的牵牛花(来自参考文献4)
2000年，拟南芥基因组测序完成。通过对r2r3-myb转录因子的系统发育分析和对花青素合成调控基因的克隆，研究人员发现调节植物花青素合成的r2r3-myb大多属于myb基因家族的第六亚科。因此，利用同源克隆从其他物种中分离花青素合成调控基因已成为主流。
2004年
2004年，博罗夫斯基等人克隆了a5，这是一种调控胡椒花青素合成的基因。首先，研究人员利用f2分离群体在10号染色体和矮牵牛2号染色体之间的共线性区间定位调控花色素苷合成的位点。然后，根据克隆的r2r3-myb基因的保守序列，设计简并引物，通过简并聚合酶链反应和5’race及3’race技术获得了基因的全长。表达分析表明，该基因在青椒品种“pi 159234”中不表达，但在紫辣椒品种“5226”的花瓣和叶片中有表达。此外，在花色素苷合成后期，α基因表现出与结构基因相同的表达模式。
在随后的几年中，研究者利用简并聚合酶链反应和5’race和3’race技术，从苹果、紫薯、山竹、梨、血橙等物种中克隆了控制花青素合成的r2r3-myb转录因子，如mdmyb10、ibmyb1、gmmyb10、pymyb10、ruby等。
此后，随着越来越多的植物基因组序列的公布和生物信息学的发展，人们对基因组信息和基因的预测变得越来越准确，这极大地方便了基因定位、克隆、候选基因预测和基因功能验证。
红甘蓝是一种富含花青素的蔬菜。研究表明，它具有很强的抗氧化能力。2009年袁等人通过同源克隆的方法分离出4个可能调控红甘蓝花色素苷合成的转录因子，并通过表达分析进一步发现bomyb2基因的表达模式与甘蓝花色素苷积累模式一致，表明该基因可能是花色素苷积累的调控基因6。同样，在2010年，邱等人通过图谱克隆和同源克隆，克隆了紫色花椰菜花色素苷合成调控的关键基因pr-d(紫色)7。进一步分析表明，在pr基因启动子区插入一个含有转座子的大片段激活了pr基因在紫花椰菜中的表达，进而诱导花色素苷的积累。
随后，研究人员利用基因组信息在基因组水平上分离出atpap1和mdmyb10等同源基因，并克隆了杨梅2、甘蓝、苹果、樱桃、猕猴桃、梨、血橙、番茄和莴苣中的花青素合成调控基因，包括mrmyb1、bopap1、md myb1110a、pavmyb10.1、acmyb75等。
图2 |紫色花椰菜(来自互联网的图片)
此外，rna-seq技术的发展也为分离花青素调节基因提供了一种新的途径。另一方面，通过对有或没有花青素的组织或不同发育阶段(花青素合成前后)的组织的转录组进行测序，可以进一步加深对花青素合成调控的理解。此外，随着代谢组学研究的发展，转录组和代谢组学的联合分析可以更系统地分析花青素积累对其他代谢产物的影响，进而更全面地评价植物的营养价值。
2016
2016年，周等发现49个r2r 3-转录因子在富含花青素的花、叶和果实中大量表达，其中8个基因在花器官中大量表达。进一步研究发现，在这8个基因中，ppmyb10.2和ppmyb9可以激活花色素苷合成结构基因的表达，而其他基因可以抑制花色素苷在桃花器官中的积累，表明花色素苷在桃花花瓣中的积累是多个r2r3-myb转录因子共同作用的结果。
同年，为了进一步研究花色素苷转录合成的调控网络，揭示花色素苷合成的关键调控基因。cho等人对三种不同颜色的马铃薯品种(红色、深紫色和白色)进行了联合转录组和代谢组学分析。通过分析代谢产物与基因表达的相关性，发现22个黄酮类化合物与119个与黄酮类化合物代谢或激素信号通路相关的基因之间存在显著相关性。
图3 |不同颜色的马铃薯及其块茎切片(来自参考文献9)
2019
2019年，简等人发现slmyb75的表达能显著诱导观赏番茄“微汤姆”果实中花色苷的积累，从而大大提高其营养价值。此外，代谢组学分析表明，转基因番茄果实中多酚、黄酮、可溶性固形物和挥发性物质的含量也显著增加。转录组分析表明，转基因番茄中苯丙烷代谢途径和类异戊二烯途径的基因表达也显著增加，这为代谢物含量的变化提供了依据。
图4 |普通番茄和富含花青素的紫色番茄(参考文献11)
参考文献:
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受邀作者
中国科学院遗传发展研究所孙传龙博士
这篇文章是欧亿生物微信公众账户的首次推出
文章来源：www.atolchina.com