康奈尔大学揭示苹果果实酸度与色泽协同调控的新分子机制

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关键词：

来源：

Plant Biotechnology Journal

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来源地址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70368

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-09-16

摘要：

2025年9月16日《Plant Biotechnology Journal》杂志在线发表了由美国康奈尔大学程来亮教授课题组完成的“Overexpression of a Tonoplast Malate Transporter Gene Leads to Enhanced Anthocyanin Biosynthesis in Apple”研究论文。该工作系统的解析了，在苹果中过量表达液泡膜苹果酸转运蛋白基因Ma1的编码序列会通过反馈抑制机制下调转录因子MdMYB73的表达。MdMYB73不仅能正向调控果实酸度相关基因（如Ma1），其下调同时解除了其对花青素合成最后一步关键酶基因MdUFGT的转录抑制。此外，MdMYB73与花青素正向调控因子MdMYB1竞争性结合MdUFGT启动子上的相同MYB位点。因此，cMa1-OE通过降低MdMYB73水平，间接促进MdUFGT表达及MdMYB1的结合效率，最终显著增强果皮花青素生物合成，揭示了果实酸度与色泽协同调控的新分子机制。1.过表达cMa1增加苹果果皮中花青素的生物合成研究者通过在‘皇家嘎啦’苹果中稳定过表达Ma1基因编码序列（cMa1-OE），在转基因株系L6、L14和L16果实中观察到果皮红色的深度和着色范围显著高于野生型，初步表明cMa1-OE可能促进花青素生物合成。为进一步验证，研究团队在果实着色关键发育阶段（采收前50天、25天、10天及采收时）系统取样分析，发现cMa1-OE系果实果皮中的花青素含量在各时期均显著高于野生型，且采收时红色果面占比更大。为明确Ma1不同转录本的功能，研究者利用对光敏感的品种‘Zestar’苹果进行瞬时表达实验。结果表明，过表达Ma1α、Ma1β或基因组Ma1（gMa1）均显著促进果皮红色和花青素积累，而RNA干扰抑制Ma1则出现相反表型。同时，基因表达分析发现过表达Ma1可特异性上调花青素通路下游关键基因MdUFGT、MdDFR和MdANS的表达，抑制Ma1则下调这些基因，但上游基因MdCHS、MdCHI和MdF3H未受影响，说明Ma1通过调控花青素合成下游路径影响色泽。2.MdMYB73负调控苹果皮花青素生物合成研究者为阐明Ma1过表达促进花青素合成的分子机制，首先分析了花青素生物合成通路中多个关键结构基因在果实发育过程中的表达模式。他们发现，在cMa1-OE株系中，MdDFR、MdANS和MdUFGT等下游基因在采收期仍保持显著高表达，同时关键转录激活因子MdMYB1的表达也明显上调。值得注意的是，研究团队发现Ma1的已知上游调控因子MdMYB73在cMa1-OE果实中的表达显著下调，这表明其中可能存在反馈调控回路。通过瞬时过表达和RNAi实验，研究者证实Ma1与MdMYB73表达水平呈负相关。基于花青素积累与MdMYB73表达呈负相关的关系，研究团队推测MdMYB73可能作为花青素合成的抑制因子。为验证这一假设，他们构建了MdMYB73-RNAi稳定转化株系（Z3、Z7、Z8），并观察到抑制MdMYB73不仅降低了其自身和Ma1的表达，还特异性上调了花青素下游基因MdDFR、MdANS和MdUFGT的表达，最终导致果皮花青素含量显著增加。研究团队进一步通过VIGS和病毒介导的基因表达技术验证了MdMYB73的功能，发现抑制MdMYB73能促进花青素合成，而过表达则抑制花青素积累。这些结果一致证实MdMYB73是花青素生物合成的关键负调控因子。3. MdMYB73结合MdUFGT启动子并抑制其表达研究者为探究MdMYB73是否通过直接调控MdUFGT影响花青素合成，首先通过生物信息学分析在其启动子区鉴定出7个潜在MYB结合位点（U1-U7）。随后通过酵母单杂交实验证实MdMYB73能够与MdUFGT启动子特异性结合。为验证体内结合情况，研究者利用ChIP-PCR技术，在表达MdMYB73-GFP的苹果愈伤组织中检测到MdUFGT启动子中四个关键区域（U1+U2、U3+U4、U5+U6及U7）均出现显著富集。进一步通过EMSA实验，研究者证实MdMYB73能够与所有7个MYB位点特异性结合，且该结合可被未标记冷探针竞争性抑制。为明确转录调控方向，研究团队在本氏烟草叶片中进行双荧光素酶报告基因实验，发现MdMYB73显著抑制MdUFGT启动子活性。上述体内外实验一致证明MdMYB73通过直接结合MdUFGT启动子并抑制其转录。此外，通过ChIP-PCR分析，研究者排除了MdMYB73直接调控MdDFR和MdANS的可能性，表明其对花青素通路的调控具有基因特异性。4. MdMYB73通过抑制MdUFGT表达负调控苹果花青素合成研究者为验证MdMYB73是否通过调控MdUFGT表达来影响花青素合成，在采收期‘Zestar’苹果果皮中进行了VIGS实验。研究团队将携带RNAi-MdMYB73和RNAi-MdUFGT载体的农杆菌单独或共同浸润果皮，并以空载载体作为对照。实验结果表明，抑制MdMYB73表达可促进花青素积累与果皮红化，而抑制MdUFGT则显著抑制红色着色；更重要的是，共抑制MdUFGT完全阻断了MdMYB73-RNAi所引发的增色效应。RT-qPCR分析显示，MdMYB73-RNAi不仅降低其自身及Ma1的表达，还显著上调MdUFGT转录水平；而当MdUFGT被同时抑制时，该上调效应被消除。这些结果证明MdUFGT是MdMYB73的直接下游靶标，MdMYB73通过抑制MdUFGT表达负调控花青素合成。研究者还发现MdMYB1表达在MdMYB73抑制时上升、在MdUFGT抑制时下降，且在MdUFGT过表达时增强，表明MdMYB1可能受MdUFGT反馈调控，而Ma1的表达不受MdUFGT影响。