《Plant Science》：Transcriptomic analysis identifies VvMYB90 and VvNAC92 as key regulators mediating anthocyanin biosynthesis and fruit color differentiation in three grape cultivars
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葡萄品种特异性花青素合成调控机制研究通过转录组测序结合WGCNA分析，揭示了苯丙烷和黄酮类生物合成通路中差异基因的表达规律，发现VvMYB90和VvNAC92等转录因子调控关键结构基因表达，尤其在ME和GQS品种的 Veraison 和成熟期显著上调。
韩琳|毛凯丽|柴世龙|兰江敏|肖洪波|郭志雄|潘腾飞|佘文琴
福建农林大学园艺学院/园艺产品贮藏、运输与保鲜研究所，中国福建省福州市350002
摘要
‘Shine Muscat’（YG）、‘Gaoqiansui’（GQS）和‘Moldova’（ME）是三种在果实表型上存在显著差异的葡萄品种，它们是研究葡萄颜色分化机制的理想材料。目前，关于葡萄果实发育过程中花青素合成和颜色分化的具体调控机制仍需进一步探讨。为了深入了解这些机制，本研究通过转录组分析比较了这三种葡萄品种在不同发育阶段的差异。转录组分析显示，在苯丙素和黄酮类生物合成途径中差异表达基因（DEGs）显著富集。这些与途径相关的基因在GQS和ME组的分果期和成熟期表达显著上调，其中ME组的上调最为明显。同时，利用WGCNA和相关性网络热图构建了与葡萄花青素合成相关的转录因子-结构基因调控网络。VvMYB90可能参与调控gene-UFGT，而VvNAC92可能参与调控七个结构基因（gene-CHS、gene-GST4、gene-LOC100250360、gene-LOC100250579、gene-LOC100255217、gene-LOC100261962和gene-UFGT）。总体而言，这些发现揭示了葡萄果实中花青素合成和颜色分化的分子基础，为准确调控葡萄果皮颜色提供了有意义的见解。
引言
花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，属于黄酮类家族中的关键次生代谢物，具有强大的抗氧化特性（Kong等人，2025年；Lakshmikanthan等人，2024年）。这些色素不仅是植物和果实的主要着色剂，还在吸引传粉昆虫和食草动物以促进授粉和种子传播以及保护植物免受紫外线辐射和害虫侵害方面发挥重要作用（Zhao等人，2022年）。研究人员长期以来一直致力于通过传统育种、基因工程和农艺措施来增加植物产品中的色素含量（Su等人，2023年）。因此，阐明植物产品中色素积累的遗传调控机制对于改善果实品质至关重要。
目前，植物中花青素的生物合成途径已经得到充分研究。该途径源自苯丙素代谢途径，是黄酮类生物合成途径的关键分支（An等人，2024年）。多种酶参与花青素生物合成的协同催化，包括苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）、肉桂酸4-羟化酶（C4H）、4-香豆酸-CoA连接酶（4CL）、查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、黄酮酮3-羟化酶（F3H）、黄酮类3’,5'-羟化酶（F3’5’H）、二氢黄酮醇还原酶（DFR）、花青素苷合成酶（ANS）和UDP-糖基转移酶（UFGT）。植物组织中的花青素含量由这些酶的催化活性决定（Xu等人，2017年；Luan等人，2024年）。
PAL、C4H和4CL是苯丙素途径中的起始酶，它们将苯丙氨酸转化为香豆酰-CoA，这是后续花青素生物合成的核心前体（Chen等人，2024年）。例如，采后UV-C处理可以上调PAL、C4H和4CL基因的转录水平，从而增强甜樱桃中黄酮类和花青素的合成与积累（Zhang等人，2021年）。CHS和CHI是黄酮类生物合成途径中的核心酶，分别催化查尔酮的形成和查尔酮向黄酮酮的转化，是黄酮类合成的关键催化步骤（Huang等人，2024年；Ni等人，2025年）。CHS和CHI基因共同参与杏果中的黄酮类合成（Chen等人，2023年）。F3'H、F3'5'H、DFR、ANS和UGT是参与花青素合成的关键基因（Wang等人，2024年）。RnF3′H和RnF3′5′H的mRNA表达水平在果实成熟过程中持续升高，与花青素含量呈正相关（Li等人，2019年）。转录因子AcMYBF110可以显著激活NtDFR的表达，促进烟草叶片中的花青素合成（Liu等人，2022年）。VcCHS的过表达可以显著增加蓝莓叶片和苹果果实中的花青素积累（Zhang等人，2023年）。UGT是催化黄酮醇和花青素糖基化的关键酶，在花青素生物合成的最后阶段起作用（Muhammad等人，2022年）。其中，ArUGT52可以将葡萄糖苷（UDP-Glc）的糖基转移到黄酮醇（槲皮素、山柰酚）和花青素苷（花青素、天竺葵素）上，生成花青素-3-O-葡萄糖苷和天竺葵素-3-葡萄糖苷。这两种糖基化产物在低温和光照条件下直接导致红叶（Acer rubrum）呈现红色，是红叶中的主要花青素成分（Shah等人，2024年）。
最近的转录组技术为分析不同植物组织中色素合成基因和调控因子的动态变化提供了全面见解，从而有助于理解色素形成的核心调控途径（Yang等人，2023年）。此外，WGCNA能够评估基因表达模式的相似性和连通性，进一步探索共表达模块与色素相关表型之间的关联，揭示协同基因相互作用网络，并深入解析转录组数据中的分子调控机制（Wei等人，2024年）。Wang等人（2025年）通过结合比较转录组学和WGCNA分析鉴定了枢纽基因LlbZIP11。此外，LlbZIP11是Lilium leichtlinii中斑点形成的候选调控因子，可上调花青素合成基因，从而正向调节斑点形成和花青素积累。Song等人（2019年）通过结合转录组分析和WGCNA分析了经冷处理的苹果叶片，鉴定出三个含有CBF/DREB响应元件的MYB基因（MdMYB12、MdMYB22和MdMYB114），这些基因的表达在低温下显著增强，并与花青素积累高度相关。因此，推测这些基因可能在低温条件下受CBF/DREB调控，并参与花青素合成。
葡萄是一种具有高经济价值的果树。其果实颜色不仅决定了外观的商业价值，还部分反映了葡萄的健康和营养特性，从而影响消费者的接受度和偏好（Bao等人，2024年）。YG、GQS和ME等品种表现出不同的色素表型，花青素的合成和积累模式也存在显著差异。我们之前的研究表明，这三种葡萄品种在花青素含量和组成上存在差异（Xu等人，2024年）。然而，这些品种特异性颜色差异背后的转录调控网络仍有待系统阐明。
本研究采用转录组学和WGCNA相结合的综合策略，研究了YG、GQS和ME三种在果实成熟不同阶段具有不同色素表型的葡萄品种。研究重点关注花青素合成途径，并利用WGCNA识别与花青素积累显著相关的核心调控模块和候选枢纽基因。随后，对通过WGCNA选出的关键结构基因和转录因子的表达模式进行了相关性分析。我们的发现揭示了一系列与葡萄果实中花青素合成和颜色分化相关的关键候选基因。这些发现加深了我们对花青素合成转录调控网络的理解，为阐明葡萄品种间颜色变异的遗传基础以及针对果实色素定向改良的分子育种提供了理论基础。
部分摘录
植物材料
本研究中使用的实验材料为ME、GQS和YG葡萄品种。这些葡萄品种来自福建省宁德农业科学研究院。每个品种选取了生长状况一致的3株健壮植株，并在开花后40天（幼果期，S2）、70天（分果期，S4）和100天（结果期，S6）采集果实样本。为进一步确认70 DAB时生理成熟度的一致性，我们进行了相关检测。
颜色特征的变化
图1A显示了YG、GQS和ME葡萄组在40、70和100 DAB时的表型变化。YG组的果实在整个发育过程中保持绿色。40 DAB时，果实呈浅绿色；70 DAB时，绿色加深；100 DAB时，颜色变为黄绿色。YG果实成熟后，不会出现变红或变紫等颜色变化。GQS组的果实则从绿色逐渐转变为红色。
讨论
作为决定葡萄果皮颜色的核心色素，不同组成和含量的花青素决定了葡萄果皮颜色的多样性。先前的研究表明，YG、GQS和ME三种葡萄品种的花青素谱存在显著差异。具体来说，YG组在整个果实发育过程中仅积累微量花青素；GQS组的主要花青素为peonidin、malvidin和cyanidin衍生物。
结论
本研究对三种表型差异显著的葡萄品种（YG、GQS和ME）进行了RNA-seq分析，涵盖了果实的三个发育阶段。结果表明，差异表达基因（DEGs）在苯丙素和黄酮类生物合成途径中显著富集。特别是在GQS和ME组的分果期和成熟期，这些与途径相关的基因表达显著上调。
未引用的参考文献
(Wang等人，2023年；Wen等人，2025年；Wang等人，2024年)
CRediT作者贡献声明
兰江敏：研究、数据分析、数据管理。柴世龙：方法学研究、数据分析、数据管理。毛凯丽：初稿撰写、研究、数据分析、数据管理。韩琳：初稿撰写、方法学研究、数据分析、数据管理。佘文琴：撰写与编辑、监督、资金筹集、概念构思。潘腾飞：监督、概念构思。郭志雄：监督、方法学研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了“福建省‘十四五’期间种子产业创新与产业化项目”（zycxny2021010）和“福建省水仙品种育种工程技术研究中心”（PTJH25074）的支持。
