生物工程学报  2022, Vol. 38 Issue (1): 275-286
http://dx.doi.org/10.13345/j.cjb.210123
中国科学院微生物研究所、中国微生物学会主办
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文章信息

冯秋影, 刘学, 杨琳琳, 付泽元, 徐启江
FENG Qiuying, LIU Xue, YANG Linlin, FU Zeyuan, XU Qijiang
穗醋栗MYB10基因克隆结构分析及功能验证
Cloning, structure analysis and functional verification of MYB10 in Ribes L.
生物工程学报, 2022, 38(1): 275-286
Chinese Journal of Biotechnology, 2022, 38(1): 275-286
10.13345/j.cjb.210123

文章历史

Received: February 4, 2021
Accepted: March 26, 2021
Published: April 2, 2021
穗醋栗MYB10基因克隆结构分析及功能验证
冯秋影 , 刘学 , 杨琳琳 , 付泽元 , 徐启江     
东北林业大学 生命科学学院 东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150040
摘要:为探究花色苷合成相关转录因子MYB10在不同颜色穗醋栗果实着色差异的分子机理,通过cDNA末端快速扩增技术(rapid amplification of cDNA ends, RACE) 法从果实花青素含量有较大差异的黑穗醋栗(Ribes nigrum L.)、红穗醋栗(Ribes rubrum L.) 和白穗醋栗(Ribes album L.) 中分别克隆出MYB10基因,分别命名为RnMYB10 (KY786107)、RrMYB10 (KY786108)和RaMYB10 (MW660848)。系统发育分析表明,RnMYB10RrMYB10在进化上具有同源性。实时荧光定量PCR (real-time quantitative PCR, RT-qPCR) 结果表明:黑穗醋栗各时期果实中MYB10表达量均高于红穗醋栗且远远高于白穗醋栗。随着果实直径加大颜色加深,RnMYB10RrMYB10表达量呈现先上升后下降的趋势(在果实转色程度75%时达到最大值),RaMYB10表达量极低,几乎无表达。过表达RnMYB10RrMYB10的拟南芥呈现紫色叶柄和叶片,过表达RaMYB10的拟南芥无明显变化。说明MYB10基因在穗醋栗果实呈色中发挥重要作用。
关键词穗醋栗    MYB10    基因克隆    表达量    功能验证    
Cloning, structure analysis and functional verification of MYB10 in Ribes L.
FENG Qiuying , LIU Xue , YANG Linlin , FU Zeyuan , XU Qijiang     
Key Laboratory of Saline-alkali Vegetation Ecology Restoration (Northeast Forestry University), Ministry of Education, Harbin 150040, Heilongjiang, China
Abstract: This study aims to investigate the molecular mechanism of the transcription factor MYB10, which is involved in anthocyanin biosynthesis, in different colors of Ribes L. fruitification. Rapid amplification of cDNA ends (RACE) was used to clone the MYB10 genes from Ribes nigrum L. (RnMYB10), Ribes rubrum L. (RrMYB10), and Ribes album L. (RaMYB10), respectively. Phylogenetic analysis showed that RnMYB10 and RrMYB10 were evolutionarily homologous. Real-time quantitative PCR (RT-qPCR) showed that the expression of MYB10 in the fruits of Ribes nigrum L. was higher than that of Ribes rubrum L. and much higher than that of Ribes album L. The expression of RnMYB10 and RrMYB10 increased at first and then decreased as the fruit diameter increased and the fruit color deepened (the maximum expression level was reached at 75% of the fruit color change), while the expression level of RaMYB10 was very low. Overexpression of RnMYB10 and RrMYB10 in Arabidopsis thaliana resulted in purple petioles and leaves, whereas overexpression of RaMYB10 resulted in no significant color changes. This indicates that MYB10 gene plays an important role in the coloration of Ribes L. fruit.
Keywords: Ribes L.    MYB10    gene cloning    expression level    functional verification    

花青素属类黄酮化合物,赋予植物果实、花和营养组织多种颜色(从橙色、黄色、紫色到蓝色)[1-2]。花青素由多种酶催化合成,这些酶在细胞质内催化花青素的生物合成。首先,苯丙氨酸被苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase, PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(cinnamate-4-hydroxylase, C4H) 和4-香豆酸-CoA连接酶(4-coumarate: coenzyme A ligase, 4CL) 转化为香豆酸酯-CoA。然后,通过查尔酮合酶(chalcone synthase, CHS) 和查尔酮异构酶(chalcone isomerase, CHI) 将香豆酸酯-CoA催化为黄烷酮。黄烷酮3-羟化酶(flavanone 3-hydroxylase, F3H) 和类黄酮3′-单加氧酶(flavonoid 3′-hydroxylase, F3′H) 催化各种二氢黄酮醇的形成。最后,花色苷是由二氢黄酮醇4-还原酶(dihydroflavonol-4-reductase, DFR) 和花色苷合酶(anthocyanin synthase, ANS) 合成的[3-4]。合成的花色苷并不稳定,通过UDP-葡萄糖转移酶(UDP-glucosyltransferase, UGT) 催化修饰形成稳定的花色苷[5-6]

花青素在植物组织中的积累取决于花青素生物合成相关基因在苯丙烷途径的类黄酮分支中的协同表达。该协调表达通常由MYB-bHLH- WD40 (MBW) 转录复合物控制。即R2R3-MYB结构域、基本螺旋-环-螺旋(basic helix-loop- helix, bHLH) 结构域和保守的WD40重复序列(WD40 repeat proteins, WDR) 三者组装的复合物[7-9]R2R3-MYB通常是花色苷生物合成中自然变异的主要决定因素[10],也是花色苷途径调控中研究最多的基因,其通过正调节或负调节调控花色苷的生物合成[11]。苹果中3个等位基因MdMYBAMdMYB1MdMYB10编码参与花色苷生成和果实着色的调节蛋白,其表达的上调可促进花色苷的积累[12-13]。此外,MdMYB10的转录本差异积累导致苹果的红色和绿色条纹之间的花色苷含量差异[14]LhMYB12VvMYB1a分别负责亚洲杂交百合和葡萄中的花色苷积累[15-16]。拟南芥MYB4及其同源物MYB7MYB32与bHLH转录因子TT8、GL3和EGL3相互作用,从而干扰MBW复合物的转录活性,在苯丙烷代谢途径中起阻遏作用[17]MYB3对C4H表达的抑制作用是由于核心抑制因子LNK1和LNK2可以促进MYB3与C4H的结合[18]FaMYB1在调节草莓花色苷和黄酮醇的生物合成中起到抑制转录的作用,以平衡草莓果实成熟后期所产生的花色苷色素水平[19]

穗醋栗是虎耳草科(Saxifragaceae) 茶藨子(Ribes L.) 属植物,按其农艺性状分为黑穗醋栗(Ribes nigrum L.)、红穗醋栗(Ribes rubrum L.) 和白穗醋栗(Ribes album L.)。其果实中含多种维生素、糖、酸等营养物质,可鲜食也可加工成果酱果酒,具有很高的营养保健功能[20]

迄今为止,虽有穗醋栗花色苷合成的相关研究[21],但穗醋栗中MYB转录因子的结构与功能信息研究较少。MYB转录因子在植物花青素生物合成途径中发挥着重要的调控作用。本研究对黑、红、白3种醋栗的MYB10直系同源基因进行基因结构、时空表达模式和功能的比较研究,有助于解析MYB10转录因子在醋栗花青素生物合成途径中的功能,为深入分析黑、红、白3种醋栗花青素合成差异是源于MYB10的基因结构变化、表达模式变化还是其他基因的作用?为揭示醋栗品质资源丰度和遗传改良提供科学依据,对于进一步了解醋栗花青素生物合成的复杂调控过程、培育高花青素合成品种具有重要理论和实践意义。

1 材料与方法 1.1 试验材料

黑穗醋栗、红穗醋栗和白穗醋栗取材于东北农业大学。选取3种穗醋栗5个发育时期的果实(果径≤5.0 mm、5.1–7.0 mm、7.1–9.0 mm、9.1–11.0 mm、≥11.1 mm)为样本(图 1)。采样后立即放入液氮中速冻,随后储存于本实验室-80 ℃冰箱。每个样本独立取样3次。

图 1 三种穗醋栗不同生长发育时期的果实 Fig. 1 The fruits of three varieties of Ribes L. at different growth stages.
1.2 花色苷含量测定

用pH示差分光光度法进行穗醋栗花色苷含量测定[22]。用镊子和手术刀片分别取3种穗醋栗5个发育时期果实的果皮,各0.5 g,放到HCl甲醇缓冲液(1%) 中,黑暗条件下抽提2 h。各提取液在553 nm和600 nm处的吸光值用分光光度计测定,花色苷相对含量=OD553-OD600。每个样品进行3次重复测定。

1.3 RNA提取和MYB基因克隆

使用植物通用总RNA提取试剂盒(Bioteke) 分别提取3种穗醋栗的总RNA,通过0.8%琼脂糖凝胶电泳检测RNA的质量,用NanoDrop 2 000微型紫外分光光度计(Thermo Scientific) 测定RNA的浓度。使用TransScriport First Strand cDNASynthesis kit反转录试剂盒(北京全式金生物技术有限公司) 和P19E进行反转录反应。

在NCBI数据库中找到已发表的葡萄、梨、苹果等物种的MYB基因cDNA序列,设计3′ RACE引物(表 1)。20 µL反应体系如下:10×HiFi缓冲液Ⅱ 2 µL,dNTPs (250 µmol/L) 1.6 µL,1 µL反转录产物cDNA为模板,TransTaqTM HiFi DNA Polymerase (5 U/µL) 0.2 µL,10 µmol/L的上下游引物MYB-3′ RACE和P18E各0.4 µL,ddH2O补足至20 µL。反应程序:预变性95 ℃ 5 min;94 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min进行30个循环;最后72 ℃延伸5 min;4 ℃保存。聚合酶链式反应(polymerase chain reaction, PCR) 产物进行电泳检测(120 V, 20 min),使用全自动凝胶成像系统成像,确定目的条带。回收纯化的目的片段与pEASY-T5 Cloning Kit载体进行连接转化,阳性克隆菌株菌液送至北京擎科生物科技有限公司进行测序。

表 1 穗醋栗MYB基因克隆、表达分析和载体构建引物 Table 1 Primers used for cloning, expression analysis and vector construction of Ribes L. MYB genes
Primer names Primer sequences (5′→3′) Size (bp)
P19E GACTCGAGTGCACATCG (T)17 34
P18E GACTCGAGTGCACATCG 17
MYB-3′RACE CATCTTCACCGTTGTTGTTGTC 22
Anchor GGCCACGCGTCGACTAGTAC (T)17 37
Adaptor GGCCACGCGTCGACTAGTAC 20
MYB-5′RACE-GSP1 GACGATGAATCACGAGGC 18
MYB-5′RACE-GSP2 TCGTTTCCTCTTCCTCCA 18
RnMYB-RT-F CCTGGAAGAACAGCAAATG 19
RnMYB-RT-R CCGAGGAAGAGGTCTAATGA 20
RrMYB-RT-F CCTGGAAGAACAGCAAATG 19
RrMYB-RT-R CCGAGGAAGAGGTCTAATGA 20
RaMYB-RT-F TGAGGACACCAAATTCTCATTC 22
RaMYB-RT-R TCAAGAGGCTTCGACAACAA 20
Actin-F CCGTCTCCAGAGTCCAGAACAATAC 25
Actin-R CTCACTGAAGCTCCTCTCAACCCAAAG 27
MYB10-F TGCCCCTTTTCTTCGTAA 18
MYB10-R AAATCAGGCCACCATTTCTT 20
attB-MYB10-F AAAAAGCAGGCTTGCCCCTTTTCTTCGTAA 30
attB-MYB10-R AGAAGCTGGGTAAATCAGGCCACCATTTCTT 31
attB-adaptor-F GGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCT 28
attB-adaptor-R GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGT 29
AtCHS-RT-F CTCACCTTCCATCTCCTTAAAGAC 24
AtCHS-RT-R ATATAAACAACACACATGCACTCG 24
AtCHI-RT-F GCTTCTCCAAGGATTCTTCTATA 23
AtCHI-RT-R GTCAAGTTGCTTCAACAAGTCTG 23
AtF3H-RT-F TTTCTGAAATGAATCGTCTTGCT 23
AtF3H-RT-R TTCTCACTGTACACCTCTGTGGT 23
AtDFR-RT-F CCCCGAGAACGAAGTTATCAAGC 23
AtDFR-RT-R GACACAAAATACATCCAGGCAGT 23
AtANS-RT-F TATTTCTTCCACCTTGTCTATCCT 24
AtANS-RT-R TCTTCTAGTCCTCCAACTTCTTTC 24
AtUFGT-RT-F GCTGAAGCTCTAGAATCAAGTGGA 24
AtUFGT-RT-R TCTCCAAAGAAGGGTCTGCAGATC 24

再依据测序所得3′端序列设计5′ RACE引物用于巢式PCR。5′ Outer PCR以加dA尾的cDNA为模板,Anchor和MYB-5′ RACE-GSP1为引物;用Adaptor和MYB-5′ RACE-GSP2进行5′ Inner PCR,克隆MYB 5′ RACE序列,所需实验步骤与方法同3′ RACE (表 1)。

1.4 生物信息学分析

使用ExPASy (http://web.expasy.org/compute_pi/) 网站对3种MYB10基因编码蛋白的理化性质进行预测。用NCBI中CDD (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi) 数据库对其结构域进行预测。用在线软件SOPMA (https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma.html) 预测蛋白的二级结构。用软件DNAMAN 8进行多序列比对,用MEGA7[23]进行系统进化树的构建。

1.5 实时荧光定量分析

分别提取3种穗醋栗5个发育时期果实的RNA,使用试剂盒PrimeScriptTM RT reagent Kit with gDNA Eraser (TaKaRa),将1 µg RNA反转录成cDNA。使用LightCycler480Ⅱ实时荧光定量PCR仪进行RT-qPCR (Roche),15 µL反应体系如下:7.5 µL SYBRGreen PCR Master酶,1.5 µL cDNA模板(20 µL反转录产物加200 µL ddH2O稀释),上下游引物各0.6 µL,4.8 µL ddH2O。反应程序:95 ℃预变性10 min;95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s,反应40个循环。Actin作为本实验的内参基因,通过2–ΔΔCt法分析基因的相对表达水平。每个样品进行3次生物学重复和3次试验重复。

1.6 过表达载体构建

依据所获得RnMYB10RrMYB10RaMYB10基因的cDNA序列,用基因特异性引物进行PCR获得目的片段。将目的片段连接至pEASY-T5克隆载体,转化感受态细胞。以测序正确的阳性克隆质粒为模板,利用Gateway技术,通过BP和LR两个反应完成RnMYB10RrMYB10RaMYB10的过表达载体构建。采用三亲杂交法将构建的3种MYB10植物过表达载体转入LBA4404农杆菌中。

1.7 拟南芥转化,筛选和鉴定

用蘸花法转化拟南芥(Col-0),收取T1代种子。T1代种子放在20 mg/L潮霉素筛选培养基上筛选,待存活植株长出2–4片叶子后,移到混合土中(土︰珍珠岩=2︰1)。待拟南芥叶片稍大时,用十六烷基三甲基溴化铵(cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) 法提取拟南芥叶片基因组DNA,用TransZol试剂盒提取拟南芥叶片的RNA,对目的基因分别进行PCR和反转录PCR (reverse transcription-polymerase chain reaction, RT-PCR) 检测。同时,用体视显微镜记录转RnMYB10RrMYB10RaMYB10拟南芥的表型变化。最后,通过RT-qPCR技术,分析花色苷合成相关基因(AtCHSAtCHIAtF3HAtDFRAtANSAtUFGT) 在野生型和转基因拟南芥中的表达情况。

2 结果与分析 2.1 RnMYB10RrMYB10RaMYB10基因克隆及序列分析

采用RACE法分别克隆出RnMYB10RrMYB10RaMYB10基因,测序结果显示,RnMYB10全长969 bp,开放阅读框长819 bp,编码272个氨基酸;RrMYB10全长965 bp,开放阅读框长819 bp,编码272个氨基酸;RaMYB10全长927 bp,开放阅读框长402 bp,编码133个氨基酸。由于RaMYB10基因的核苷酸序列缺少39个碱基且存在7个碱基突变位点,进而使得其编码的氨基酸序列只有133个氨基酸。

通过ExPASy网站预测,RnMYB10RrMYB10RaMYB10的分子量分别为31.40 kDa、31.52 kDa和15.06 kDa,GRAVY分别为–0.834、–0.803和–0.803,pI分别为8.37、8.38 (> 7) 和5.00 (< 7),推测RnMYB10RrMYB10为亲水碱性蛋白,RaMYB10为酸性蛋白。SOPMA对3种MYB10基因编码蛋白二级结构的预测结果可知,RnMYB10RrMYB10RaMYB10编码的氨基酸残基中,α螺旋分别占27.94%、28.31%和10.53%,延伸链分别占14.71%、16.18%和27.82%,β转角分别占5.15%、4.04%和3.76%,不规则卷曲分别占51.21%、51.47%和57.89%。

2.2 多序列比对和系统进化分析

穗醋栗MYB10多序列比对结果表明(图 2),RnMYB10RrMYB10氨基酸序列相似性高达100%。在RnMYB10RrMYB10氨基酸序列N端都具有R2和R3结构域,属于典型的R2R3-MYB转录因子。在R3结构域内还存在一个bHLH结合结构域,又称ID结构域;而RaMYB10缺失R2和R3结构域。

图 2 穗醋栗MYB10与其他物种MYB氨基酸多序列比对 Fig. 2 Alignment of the predicted amino acid sequences of RnMYB10, RrMTB10 and RaMYB10 in Ribes L. and those of several other plants. The black frame represent R2R3 domain, the green frame represent ID domain. MYB related genes in other species include: NtMYB114 (NP_001306786.1, Nicotiana tomentosiformis L.), PeAN2 (ABO21072.1, Petunia integrifolia L.), VvMYBA6 (ACL97979.1, Vitis vinifera L.), CsAN2 (AOY10781.1, Camellia sinensis L.), PhMYB (ADW94951.1, Petunia × hybrida L.), StMYB114 (ALA13583.1, Solanum tuberosum L.), MdMYB10 (ACQ45201.1, Malus domestica L.), FtMYB10 (ALT31509.1, Fagopyrum tataricum L.), GhMYB10 (ABR01222.1, Gossypium hirsutum L.), EsMYB10 (AFH03062.1, Epimedium sagittatum L.), PpMYB (AKI23599.1, Prunus persica L.), FaMYB (ABX79947.1, Fragaria x ananassa L.), PyMYB10 (ADN26574.1, Pyrus pyrifolia var. culta L.), CsAN1 (AOM63231.1, Camellia sinensis L.), CtMYB (ANI87841.1, Citrus trifoliata L.), MrMYB1 (ADG21957.1, Morella rubra L.), NaMYB113 (OIS96677.1, Nicotiana attenuata L.), CmMYB (ANI87835.1, Citrus maxima L.).

采用邻接法构建系统进化树,进一步对穗醋栗MYB10与其他植物MYB之间的进化关系进行分析,结果表明(图 3),该系统发育树分成3个进化分支,烟草(Nicotiana tabacum L.)、矮牵牛(Petunia integrifolia L.)、马铃薯(Solanum tuberosum L.) 和3种穗醋栗等14个物种聚为一支,其中,黑穗和红穗醋栗之间的亲缘关系更近,与白穗醋栗较远。草莓(Fragaria × ananassa L.)、桃(Prunus persica L.)、栽培苹果(Malus domestica L.) 和梨(Pyrus pyrifolia var. culta L.) 聚为一个分支。双子叶植物三枝九叶草(Epimedium sagittatum L.)、陆地棉(Gossypium hirsutum L.) 和苦荞麦(Fagopyrum tataricum L.) 与玉米(Zea mays L.)、高粱(Sorghum bicolor L.)、谷子(Setaria italica L.) 和甘蔗(Saccharum hybrid L.)等9个单子叶植物聚为一个分支。

图 3 穗醋栗MYB10与其他物种MYB系统进化树 Fig. 3 Phylogenetic tree of MYB10 in Ribes L. and MYB transcription factors from other plants. The phylogenetic tree was constructed with MEGA 7.0 using the neighbor-joining (NJ) method and 1 000 bootstrap replicates.
2.3 RnMYB10RrMYB10RaMYB10基因在穗醋栗果实5个发育时期的表达模式分析

分析3种穗醋栗果实5个发育时期的花色苷含量及MYB10基因的相对表达量。花色苷测定结果如表 2所示,RT-qPCR结果如图 4显示,在黑穗醋栗中,RnMYB10基因表达量随着果径增大逐渐升高,在转色程度接近75%时达到最大,随后呈现下降趋势。RnMYB10基因最大表达量是转色50%时期的4倍左右,随后果实完全成熟呈现小幅下降。此过程花色苷的含量仍在增加。

表 2 三种穗醋栗果皮花色苷含量(U/g FW) Table 2 Anthocyanin content of three varieties of Ribes L.
Fruit diameter (mm) ≤5.0 (0%) 5.1–7.0 (25%) 7.1–9.0 (50%) 9.1–11.0 (75%) ≥11.1 (100%)
R. nigrum L. 0.044 0±0.002 1a 0.262 0±0.081 0a 1.593 0±0.304 4a 11.068 0±1.312 0a 31.190 0±2.247 8a
R. rubrum L. 0.034 0±0.009 1b 0.151 0±0.085 0b 0.903 0±0.156 0b 5.156 0±0.577 5b 12.760 0±1.102 6b
R. album L 0.014 0±0.001 7c 0.007 3±0.001 2c 0.004 1±0.001 0c 0.006 0±0.001 3c 0.002 9±0.000 7c
Note: lowercase letters indicate significant difference between varieties of Ribes L. at 0.05 level.
图 4 穗醋栗MYB10的相对表达量 Fig. 4 Relative expression levels of RnMYB10, RrMYB10 and RnMYB10 in Ribes L..

在红穗醋栗中,RrMYB10基因的表达量也呈现为先上升后下降,与RnMYB10表达模式相同。转色75%时期的RrMYB10表达量是转色50%时期的4.5倍左右。红穗醋栗中花色苷含量持续积累。

白穗醋栗果实花色苷含量极低,在果实发育初期含量稍高,约为完全成熟时花色苷含量的4倍,尽管在果径为9.1–11.0 mm时花色苷含量出现小幅度上升,但整个果实发育时期花色苷含量整体呈现下降趋势。RaMYB10基因表达量极低,几乎无表达。说明MYB10基因在穗醋栗果实着色过程中发挥重要作用。

2.4 RnMYB10RrMYB10RaMYB10基因的功能分析 2.4.1 转基因拟南芥的PCR检测结果

在过表达RnMYB10RrMYB10RaMYB10基因的拟南芥T1代植株中,各选取2株进行基因组DNA的提取,并用MYB10基因特异性引物进行PCR验证,PCR结果显示这6个株系中目的基因已经整合到拟南芥基因组中(图 5)。

图 5 过表达MYB10拟南芥PCR检测 Fig. 5 PCR analysis of transgenic Arabidopsis. F1: overexpressing of RnMYB10 Arabidopsis strain (OE RnMYB10-1), F2: OE RnMYB10-2, S1: OE RrMYB10-1, S2: OE RrMYB10-2, N1: OE RaMYB10-1, N2: OE RaMYB10-2, +: positive control, –: negative control.
2.4.2 转基因拟南芥的RT-PCR检测结果

取上述株系拟南芥嫩叶提取RNA进行RT-PCR检测,以此来验证穗醋栗MYB10基因是否在植物体内表达。如图 6所示,结果表明外源基因确实已经转入到拟南芥基因组DNA中,并且在转录水平得到表达。

图 6 过表达MYB10拟南芥RT-PCR检测 Fig. 6 RT-PCR analysis of transgenic Arabidopsis.
2.4.3 转基因拟南芥表型观察结果

通过体视显微镜分别观察3种转MYB10基因拟南芥的表型变化,结果如图 7所示,同样生长条件下,与野生型拟南芥相比,过表达RnMYB10RrMYB10基因的拟南芥呈现出紫色的叶柄,过表达RrMYB10基因的拟南芥呈现出紫色的叶片,而过表达RaMYB10的拟南芥无明显颜色变化。

图 7 过表达MYB10拟南芥 Fig. 7 Transgenic Arabidopsis overexpressing RnMYB10 (A), RrMYB10 (B), and RaMYB10 (C). (D) The leaves of transgenic Arabidopsis. (E) Wild type Arabidopsis. Bar=1 mm, red arrows indicate purple leaves and petioles.
2.4.4 转基因拟南芥中合成花色苷相关结构基因的表达模式

通过RT-qPCR技术,对T1代转基因拟南芥中合成花色苷相关基因的表达进行检测,结果表明(图 8),在转RnMYB10RrMYB10的拟南芥中,花色苷合成相关结构基因AtCHSAtCHIAtF3HAtDFRAtANSAtUFGT的表达量显著提高,且RnMYB10-1和RrMYB10-1株系中6个基因的表达量高于RnMYB10-2和RrMYB10-2株系。说明RnMYB10RrMYB10基因已经成功整合到转基因拟南芥的染色体上。

图 8 过表达MYB10拟南芥中花色苷合成相关结构基因的表达水平 Fig. 8 The expression level of structural genes related to anthocyanin synthesis in transgenic Arabidopsis. RnMYB10-1 and RnMYB10-2: Arabidopsis strains overexpressing RnMYB10. RrMYB10-1 and RrMYB10-2: Arabidopsis strains overexpressing RrMYB10. Control: wild type Arabidopsis.
3 讨论

MYB转录因子或MBW复合物调控花青素的生物合成,其中R2R3-MYB家族转录因子在植物生长发育过程中起着至关重要的作用[24-26]。本研究利用RACE技术克隆出RnMYB10RrMYB10RaMYB10基因,将RnMYB10RrMYB10RaMYB10编码氨基酸序列与其他物种的MYB进行多序列比对和系统进化分析,发现RnMYB10RrMYB10同源性100%,且属于典型的R2R3-MYB转录因子,在R3结构域中存在的ID结构域为形成MBW复合物提供bHLH转录因子结合位点[27-29]。而RaMYB10氨基酸序列仅有133个氨基酸,缺失R2R3结构域,推测其不具备MYB10转录因子的正常功能,进而导致穗醋栗无法合成花色苷,使其果实呈现白色。且进化分析发现白穗醋栗进化与黑穗和红穗醋栗相差较远。

紫色胡萝卜中DcMYB6基因的表达水平显著高于非紫色胡萝卜[30],类似地,MYB10基因在黑穗醋栗中的表达量最高,红穗醋栗次之,在白穗醋栗中的表达量极低。研究表明,MYB基因的表达量与花色苷的合成呈正相关,但在我们的研究中,果实在转色程度为75%时,MYB10基因的表达量开始下降,此时花色苷含量在积累,证明果实成熟的过程中,果实中花色苷的形成受其他结构基因和转录因子的共同调控。

MYB转录因子在植物中具有多重生物学功能,R2R3-MYB转录因子的过表达可诱导花青素生物合成结构基因的表达,并提高植物组织中的花青素含量。仅MYB的过表达已用于增强几种植物物种中的花色苷含量。过表达MYB转录因子NtAn2可以增强烟草中花色苷生物合成结构基因的表达水平和花色苷积累[31],而PtrMYB119的过表达在许多杂交杨树组织中也具有相同作用[32]。本实验将RnMYB10RrMYB10RaMYB10通过农杆菌介导的遗传转化转入拟南芥,过表达RnMYB10RrMYB10的拟南芥叶片和叶柄呈现出不同程度的紫色变化,而过表达RaMYB10的拟南芥无明显变化。说明黑穗醋栗和红穗醋栗中MYB10基因对花色苷的生物合成具有促进作用,且呈现出明显的颜色变化。该结果为进一步了解穗醋栗花色苷的生物合成和积累提供了新的证据。

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