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果等受到了研究人員與消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。在紅肉蘋果中，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背景下解釋了蘋果紅肉性狀新的遺傳機(jī)制。該工作對(duì)豐富蘋果紅肉性狀的遺傳機(jī)制，培育營(yíng)養(yǎng)保健的特色紅肉蘋果新品種，推動(dòng)我國(guó)蘋果產(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)已開展紅肉蘋果育種研究工作20年，創(chuàng)制出全紅肉蘋果優(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果紅肉表型遺傳多樣性的變化。為進(jìn)一步探究蘋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。在蘋果愈傷組織中過(guò)表達(dá)與CRISPR敲除表達(dá)以及蘋果果實(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開發(fā)了相關(guān)分子標(biāo)記并申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利，將為紅肉蘋果的分子育種提供重要參考。
圖2 MdWRKY10調(diào)控蘋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
