研究揭示百合花青素苷生物合成调控新机制

近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所百合课题组在百合花青素苷生物合成调控方面取得新进展。相关研究内容“Multifaceted roles of LhWRKY44 in promoting anthocyanin accumulation in Asiatic hybrid lilies （Lilium spp.）”在线发表于《园艺研究（Horticulture Research）》上。

 

百合（Lilium spp.）拥有“球根花卉之王”的美誉，因花色丰富受到消费者的青睐。花青素苷是百合粉红色、紫色等花色类型的主要呈色物质，作为类黄酮物质，赋予植物营养组织和生殖器官丰富的颜色，并保护植物免受环境胁迫下产生的活性氧的影响。花青素苷在空间和时间离散的积累导致百合花被片不同色素沉着模式的形成，这是由于空间调控的基因表达而产生的结果。在亚洲百合探戈系列中，花青素苷的特异性积累导致花被片基部产生飞溅型斑点因而形成双色，其具体成色机理尚不清楚。

 

本研究通过前期亚洲百合探戈系列‘Tiny Padhye’的转录组数据筛选到一个WRKY家族差异表达基因LhWRKY44。qPCR分析表明LhWRKY44的表达趋势与花青素苷的积累趋势一致，进一步通过瞬时过表达和VIGS试验确定LhWRKY44参与百合花青素苷合成的正向调控，该功能在烟草叶片和稳定异源转化的苹果愈伤中也得到进一步验证。EMSA、酵母单杂交和双荧光酶试验结果显示LhWRKY44通过直接结合LhF3H和LhGST启动子上的W-box激活其表达，进而促进花青素苷的积累。LhMYBSPLATTER、LhbHLH2和LhWDR是参与亚洲百合探戈系列花青素苷生物合成的MBW复合体，Y2H、BiFC、FLC和Co-IP试验结果表明LhWRKY44能够与LhMYBSPLATTER发生互作，进而增强MBW复合体的形成及MBW对花青素苷合成途径结构基因的激活。同时研究发现LhWRKY44也能够与LhMYBSPLATTER启动子结合并激活其表达，即揭示了一种新的WRKY-MBW双重调控模式。

 

花青素苷在胁迫条件下通过为光合细胞提供光吸收屏障和清除活性氧发挥保护作用，其在植物营养组织中的积累受到内部因素和外部环境因素的影响，如光、温度、激素、糖等。因此，植物需要复杂的调节机制来确保花青素苷色素沉着的程度适合于无数的发育和环境信号。大量研究显示，WRKY转录因子在抵御环境胁迫过程发挥重要作用。本研究发现，克隆得到的LhWRKY44的启动子上存在大量的非生物胁迫响应元件，其表达受到干旱胁迫处理的诱导，转基因拟南芥及百合花被片均表现出对干旱胁迫的耐受性，进一步研究发现LhWRKY44参与了干旱诱导的百合花青素苷的合成并激活胁迫相关基因的表达。此外，LhWRKY44转基因拟南芥表现出早花现象，表明LhWRKY44可能参与发育信号的调控。

 

综上所述，该研究揭示了LhWRKY44通过多途径调控百合花青素苷生物合成的作用机制，即一方面LhWRKY44通过直接调控花青素苷合成途径相关基因促进花青素苷合成。另一方面LhWRKY44通过激活胁迫相关基因表达提高百合耐旱性，参与干旱诱导的百合花青素苷的合成。研究结果丰富了亚洲百合花青素苷合成的调控网络，为百合花色分子育种提供了理论基础。

 

该论文以中国农业科学院蔬菜花卉研究所为第一完成单位和通讯单位。在读博士生毕蒙蒙为该论文第一作者，明军研究员和徐雷锋副研究员为共同通讯作者。该项目得到国家自然科学基金（32172624，32172612，31672196）、国家重点研发计划项目（2019YFD1001002）的资助。