StMYB3通过其对StAN2的双重调控作用来控制马铃薯中的花青素生物合成

《Plant Science》：StMYB3 controls anthocyanin biosynthesis in potato via its dual regulatory role on StAN2

StMYB3抑制马铃薯花青素合成的分子机制研究揭示其通过竞争bHLH因子和直接抑制启动子活性双重途径负调控花青素合成，并与StAN2形成正反馈环路，为花青素富集育种提供新靶点。

　　

作者：王书文、叶亚兰、杨旭瑞、聂凡斌、董建科、周建华、赵喜娟、宋博涛、张慧玲

单位：河南科技大学园艺与植物保护学院，中国洛阳 471000

摘要

花青素是一类水溶性黄酮类色素，在植物生理和人类健康中起着关键作用。它们的生物合成受到MYB-bHLH-WD40转录复合体的调控，其中MYB转录因子是主要的调控因子。然而，像马铃薯这样的块茎作物中抑制型MYB的功能仍知之甚少。本研究发现，R2R3-MYB转录因子StMYB3在马铃薯中起到抑制花青素生物合成的作用。瞬时表达实验表明，StMYB3与StAN2（一种R2R3-MYB激活因子）共表达时，叶片中的花青素积累显著减少；而过表达StMYB3的品系块茎表皮中的花青素含量也显著降低。机制分析显示，StMYB3和StAN2均能与bHLH转录因子StAN1相互作用。StMYB3不仅抑制StAN2介导的花青素生物合成基因（StCHS、StF3H、StF3'5'H和StGST）的转录激活，还直接抑制StAN1的启动子活性。此外，StMYB3和StAN2在转录水平上形成了一个相互加强的正反馈回路。这些结果揭示了一个由StMYB3、StAN1和StAN2组成的调控模块，其动态通过竞争和双向反馈精确控制花青素的积累。这一发现为培育高花青素含量的马铃薯品种提供了理论依据。

引言

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是一种一年生草本植物，属于茄科，广泛种植于世界各地，具有很强的环境适应性和高产特性。随着消费者需求的提升，马铃薯育种的目标已从单纯追求高产稳定转向同时重视品质、营养和功能性。由于块茎中含有丰富的花青素，彩色马铃薯品种呈现出从红色、紫色到蓝色的多种颜色。它们不仅提供丰富的能量，还含有多种抗氧化成分，如抗坏血酸和多酚（Bao等人，2022年）。花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性黄酮类色素，主要分布在花、叶、根、种子和果实等器官中（Wei等人，2025年）。花青素在植物的多种生理过程中发挥着重要作用，包括抵抗生物和非生物胁迫、吸引传粉者、促进种子传播以及保护植物免受紫外线伤害（Chen等人，2024年），使其成为植物次生代谢的重要产物（Li等人，2023年）。 多项研究表明，花青素可以有效清除人体内的自由基并延缓细胞衰老。它们还具有抗炎、抗菌、预防心血管疾病、抑制肿瘤细胞增殖和改善视力等生理功能（Jang等人，2005年；Khoo等人，2019年）。花青素生物合成途径中的关键酶基因分为两类：早期生物合成基因（EBGs）和晚期生物合成基因（LBGs）（Qin等人，2025年）。EBGs编码参与黄酮类化合物共同前体生物合成的酶，是多个黄酮类分支共有的关键酶（Wu等人，2024年），主要包括查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、黄酮酮3-羟化酶（F3H）、黄酮酮3'-羟化酶（F3'H）和黄酮酮3',5'-羟化酶（F3'5'H）（Li等人，2025年）。这些基因的产物负责构建黄酮类化合物的骨架并进行初步修饰。LBGs编码专门参与将共同前体转化为花青素的酶，主要包括二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）、花青素合成酶（ANS）和黄酮类化合物3-O-葡萄糖转移酶（UFGT）。它们的协同作用完成了花青素的分子组装和稳定性修饰，构成了色素积累的核心遗传基础（Liu等人，2024年）。 花青素的生物合成途径受到MYB-bHLH-WD40转录复合体的精确调控，其中MYB转录因子起主导作用（Yan等人，2021年）。根据功能不同，MYB转录因子可分为激活因子和抑制因子。MYB激活因子主要通过两种分子机制促进花青素生物合成：首先，它们直接激活花青素途径中的结构基因或相关转录因子的表达（Hou等人，2025年）。例如，马铃薯中的StMYB113可以直接结合并激活下游基因StF3H和StDFR的启动子，从而驱动花青素的生物合成（Zhang等人，2024年）。类似的功能也在其他植物中观察到，如马铃薯中的StMYBA1（Zhao等人，2023年）、番茄中的SlAN2（Xia等人，2025年）、矮牵牛中的PhAN2（Yang等人，2024年）以及烟草中的NtAN2和NtMYB12（Song等人，2020年；Huang等人，2012年）。其次，它们与bHLH转录因子相互作用形成MBW复合体，共同调控下游基因网络。例如，Chaenomeles speciosa中的CsMYB123与CsbHLH111相互作用形成功能性复合体，共同促进花青素的积累。马铃薯中的StAN2（Jung等人，2009年）、葡萄中的VvMYB306（Niu等人，2025年）等也通过类似的相互作用机制发挥调控作用。 与上述MYB激活因子不同，另一类MYB转录因子作为抑制因子，在花青素生物合成网络中起关键负调控作用（Ma等人，2019年）。它们主要通过两种分子机制发挥作用：第一种是直接抑制花青素途径中的结构基因或转录因子的表达。例如，梨中的PbMYB120通过直接抑制PbUFGT的启动子活性来抑制花青素的生物合成（Song等人，2020年）。类似机制也在马铃薯中的StMYBATV和StMYB44（Liu等人，2023年；Liu等人，2019年）、番茄中的SlMYBATV（Yan等人，2020年）以及红苹果中的MdMYB21（Guo等人，2025年）中观察到。第二种机制是与MYB激活因子竞争bHLH转录因子，从而减少功能性复合体的形成并抑制花青素的生物合成。例如，红皮梨中的PyMYB107与激活因子PyMYB10和PyMYB114竞争PybHLH3，抑制关键花青素生物合成基因PyANS和PyUFGT的转录激活（Yang等人，2024年）。具有类似功能的抑制因子还包括矮牵牛中的PhMYBX和树牡丹中的PsMYB308（Albert等人，2011年；Luan等人，2024年）。这些发现表明MYB抑制因子的调控机制较为复杂，值得进一步研究。 bHLH家族是植物中第二大转录因子家族，参与花青素生物合成和应激反应的调控（Zhao等人，2021年）。bHLH转录因子常与MYB激活因子相互作用形成复合体，调节花青素的合成。例如，在草莓中，FabHLH3与FaMYB123相互作用，正向调控花青素的产生（Martínez-Rivas等人，2023年）。其他物种中也观察到类似的功能，如枸杞（Lycium barbarum）中的LrJAF13、葡萄中的VvbHLH137（Li等人，2024年；Niu等人，2025年）和马铃薯中的StAN1（Liu等人，2022年）。此外，虽然研究较少，但一些bHLH转录因子可以直接激活相关基因的启动子。例如，在苹果中，MdbHLH3直接结合花青素生物合成基因MdDFR和MdUFGT的启动子，从而调控花青素的生物合成（Xie等人，2012年）。 然而，尽管已经鉴定出如StMYB44、StMYBATV等抑制因子（Liu等人，2019年；Liu等人，2023年），但与激活因子相比，它们的调控网络仍需进一步阐明。在先前的研究中，通过对同一块茎不同颜色区域的转录组分析发现StMYB3是差异表达基因。后续在烟草叶片中的瞬时表达实验证实了其参与花青素生物合成（Zhang等人，2023年），但其具体分子机制尚不清楚。本研究阐明了StMYB3转录因子在马铃薯花青素生物合成调控中的作用，通过调控关键结构基因和相关转录成分揭示了其具体机制，旨在揭示马铃薯花青素生物合成的负调控网络，并为改善马铃薯品种的外观和营养价值提供理论基础。

植物材料

马铃薯品种‘M6’（光照前表皮和果肉为黄色，光照一段时间后块茎表皮会积累花青素并逐渐变为紫色）在直径17厘米的塑料盆中生长4-5周，生长室温度为25 ± 1°C，光照周期为12小时光照/12小时黑暗。马铃薯品种‘Desiree’（表皮红色、果肉黄色）在添加8%（w/v）蔗糖的MS固体培养基上微繁殖6-8周以诱导...

StMYB3抑制马铃薯叶片中的花青素生物合成

为了研究StMYB3基因在马铃薯花青素生物合成中的作用，使用农杆菌介导的瞬时转化技术在‘M6’马铃薯品种的叶片中过表达StMYB3。作为阳性对照，使用了花青素生物合成的关键正向调控因子StAN2。渗透4天后，观察发现仅表达StMYB3的叶片没有花青素积累，而仅表达StAN2的叶片则变为紫红色。

讨论

花青素的生物合成主要由MYB-bHLH-WD40（MBW）复合体调控，其中R2R3-MYB亚组转录因子被认为是该途径的关键抑制因子（Zhang等人，2023年）。尽管这些抑制因子具有典型的R2R3 DNA结合结构，但其功能特异性由C末端保守的基序决定。例如，拟南芥中的AtMYB3已被证实可以抑制花青素的积累（Kim等人，2023年）。

结论

StMYB3抑制‘M6’叶片中的花青素积累，过表达StMYB3的品系块茎表皮中的花青素含量降低。StMYB3和StAN2均能与StAN1相互作用，StMYB3减弱StAN2对StCHS、StF3H、StF3'5'H和StGST启动子的激活作用，同时直接抑制StAN1的启动子活性。此外，在过表达StMYB3的块茎中StAN2的转录水平上调，而在过表达StMYB3的块茎中StMYB3的表达增强。

未引用的参考文献

(Caldwell等人，2004年；Chen等人，2024年；Dubos等人，2010年；Kim等人，2022年；Li等人，2022年；Liu等人，2019年；Liu等人，2016年；Ma和Constabel，2019年；Ren等人，2023年；Song等人，2020年；Wang等人，2019年；Yang等人，2024年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2023年)

CRediT作者贡献声明

叶亚兰： 数据整理。 杨旭瑞： 数据整理。 聂凡斌： 数据整理。 董建科： 研究。 周建华： 数据整理。 赵喜娟： 数据整理。 宋博涛： 文稿撰写——审阅与编辑。 张慧玲： 文稿撰写——审阅与编辑、资金争取。 王书文： 文稿撰写——初稿撰写、研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32260491）、河南省自然科学基金（242300421318）和河南省科技项目（232102110195）的支持。

利益冲突

作者没有利益冲突。

数据可用性

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