踐行營(yíng)養(yǎng)健康的“大食物觀”意義重大。花青苷是植物中普遍存在的一種天然色素，不僅能使許多植物的果實(shí)呈現(xiàn)鮮艷的紅色、紫色或藍(lán)色，而且在人體抗氧化、預(yù)防心腦血管疾病及抗腫瘤等方面成效顯著。近年來(lái)，眾多因富含花青苷而呈現(xiàn)特異果肉顏色的新型園藝產(chǎn)品，例如紫番茄、血橙、紅心獼猴桃以及紅肉蘋(píng)果等受到了研究人員與消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。在紅肉蘋(píng)果中，關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子MdMYB10啟動(dòng)子中的6個(gè)23bp的微衛(wèi)星串聯(lián)重復(fù)序列（R6）的插入導(dǎo)致了其自身的反式激活活性，賦予了蘋(píng)果紅肉表型。但是，團(tuán)隊(duì)在育種工作中發(fā)現(xiàn)同樣R6基因型的蘋(píng)果仍會(huì)表現(xiàn)出不同程度的紅肉性狀，表明除MdMYB10外，還有其他遺傳因素參與調(diào)控蘋(píng)果的紅肉性狀。
近日，國(guó)際知名期刊Advanced Science在線發(fā)表了園藝科學(xué)與工程學(xué)院陳學(xué)森教授團(tuán)隊(duì)和康奈爾大學(xué)Lailiang Cheng教授團(tuán)隊(duì)合作的題為“A Functional InDel in the WRKY10 Promoter Controls the Degree of Flesh Red Pigmentation in apple”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子MdWRKY10能夠結(jié)合到MdMYB10的啟動(dòng)子并激活其轉(zhuǎn)錄，并在MdWRKY10等位基因的啟動(dòng)子區(qū)域檢測(cè)到一個(gè)163 bp的InDel，導(dǎo)致MdWRKY10和MdMYB10的轉(zhuǎn)錄水平增加，從而在R6背景下解釋了蘋(píng)果紅肉性狀新的遺傳機(jī)制。該工作對(duì)豐富蘋(píng)果紅肉性狀的遺傳機(jī)制，培育營(yíng)養(yǎng)保健的特色紅肉蘋(píng)果新品種，推動(dòng)我國(guó)蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展具有重要意義。
陳學(xué)森教授團(tuán)隊(duì)已開(kāi)展紅肉蘋(píng)果育種研究工作20年，創(chuàng)制出全紅肉蘋(píng)果優(yōu)異種質(zhì)CSR6R6，該株系為純合的R6R6:MdMYB10基因型。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將R6R6紅肉種質(zhì)與R1R1白肉栽培品種雜交構(gòu)建了雜種分離群體。研究表明，雜交分離群體中140個(gè)單株均為R6R1:MdMYB10雜合基因型，但其果肉的紅色程度與花青苷含量卻差異顯著。顯然，R6:MdMYB10基因型的差異不足以解釋蘋(píng)果紅肉表型遺傳多樣性的變化。為進(jìn)一步探究蘋(píng)果紅肉性狀的遺傳機(jī)制，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以群體中存在極端表型的全紅肉和非紅肉蘋(píng)果為試材探究了不同紅肉株系基因組之間的結(jié)構(gòu)變異（SVs）。在紅肉和非紅肉蘋(píng)果基因組之間共鑒定出包括插入、缺失、重復(fù)以及倒置在內(nèi)的125, 451個(gè)SV。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在紅肉蘋(píng)果基因組的MdWRKY10啟動(dòng)子區(qū)中存在一個(gè)163bp長(zhǎng)的InDel，命名為R-InD。群體中紅肉株系MdWRKY10啟動(dòng)子表現(xiàn)為RR-InD純合型，而非紅肉株系同時(shí)含有一條長(zhǎng)R-InD帶和一條短R-InD缺失帶，表現(xiàn)為Rr-InD雜合型。
圖1 MdWRKY10啟動(dòng)子中與紅肉性狀相關(guān)的163bp插入序列
進(jìn)一步研究表明，MdWRKY10啟動(dòng)子中的163 bp插入序列（R-InD）包含一個(gè)典型的W-box結(jié)合元件，可以使自身蛋白與之結(jié)合，增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄激活活性。在蘋(píng)果愈傷組織中過(guò)表達(dá)與CRISPR敲除表達(dá)以及蘋(píng)果果實(shí)中的瞬時(shí)表達(dá)均證明了MdWRKY10對(duì)花青苷合成的重要調(diào)控功能。ChIP-seq結(jié)果表明，MdWRKY10蛋白能夠特異性結(jié)合到MdMYB10以及兩個(gè)花青苷合成結(jié)構(gòu)基因MdF3'5'H和MdUFGT的啟動(dòng)子上，激活它們的表達(dá)以促進(jìn)花青素合成。此外，MdWRKY10能夠與WDR蛋白MdTTG1相互作用，加入到MBW復(fù)合體中，增強(qiáng)MdWRKY10的轉(zhuǎn)錄激活活性。在純合RR-InD基因型中，兩個(gè)功能性R-InD等位基因的拷貝使MdWRKY10的轉(zhuǎn)錄活性顯著高于雜合Rr-InD基因型。這種更高的MdWRKY10表達(dá)水平通過(guò)MdMYB10的自激活活性進(jìn)一步放大，顯著促進(jìn)了蘋(píng)果果肉中的花青素合成，導(dǎo)致紅肉表型的形成。該工作結(jié)合團(tuán)隊(duì)育種實(shí)踐，歷時(shí)8年系統(tǒng)揭示了MdWRKY10在蘋(píng)果紅肉性狀遺傳調(diào)控中的關(guān)鍵作用，目前已針對(duì)R-InD開(kāi)發(fā)了相關(guān)分子標(biāo)記并申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，將為紅肉蘋(píng)果的分子育種提供重要參考。
圖2 MdWRKY10調(diào)控蘋(píng)果果肉花青素合成及紅肉性狀的工作模型。
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院王楠教授和生命科學(xué)學(xué)院博士后劉文軍為論文共同第一作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院果樹(shù)種質(zhì)資源與遺傳育種團(tuán)隊(duì)陳學(xué)森教授以及康奈爾大學(xué)Lailiang Cheng教授為論文的共同通訊作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)吳樹(shù)敬教授、張宗營(yíng)副教授、陳子敬副教授、房鴻成副教授以及青島農(nóng)業(yè)大學(xué)姜生輝副教授參與了該研究部分工作并提供了重要指導(dǎo)。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃良種工程項(xiàng)目、山東省泰山學(xué)者工程計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
編 輯：萬(wàn) 千
審 核：賈 波
