华中农业大学油菜遗传育种团队揭示油菜类胡萝卜素和ABA合成调控新机制

类胡萝卜素是重要的天然色素，不仅可以赋予植物多个器官丰富的颜色，还在植物光合作用、光保护、抗氧化和ABA等激素合成中占有重要地位。因此，类胡萝卜素的生物合成与调控一直是植物科学领域的研究热点之一。目前，类胡萝卜素生物合成路径已经得到充分阐释，大量结构基因被发现并进行了功能验证，但类胡萝卜素调控路径的研究还十分有限，只有少数转录因子的调控功能被证实。

近日，华中农业大学油菜遗传育种团队在Plant Physiology发表了题为“BnaABF3 and BnaMYB44 regulate the transcription of zeaxanthin epoxidase genes in carotenoid and abscisic acid biosynthesis”的研究论文。该研究解析了甘蓝型油菜类胡萝卜素和脱落酸（ABA）生物合成关键基因BnaZEPs 的复杂调控机制。

课题组前期在甘蓝型油菜中图位克隆了花瓣中的类胡萝卜素合成关键基因BnaA09.ZEP 和 BnaC09.ZEP（The Plant Journal, 104:932-949），这两个同源拷贝同时突变导致甘蓝型油菜黄花转变成橙花。后续研究发现，BnaZEPs共有四个同源拷贝，除了在花瓣中优势表达的BnaA09.ZEP 和 BnaC09.ZEP，还有两个在叶片中优势表达的BnaA07.ZEP 和 BnaC07.ZEP，说明BnaZEPs存在器官特异的功能分化。为验证该设想，课题组通过敲除实验证实了BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP主要参与花中类胡萝卜素合成，影响甘蓝型油菜的花色，而BnaA07.ZEP和BnaC07.ZEP主要参与叶片中类胡萝卜素和ABA的合成，影响甘蓝型油菜的耐旱性。虽然它们在不同组织中发挥功能，但也存在部分功能冗余。

随后，启动子互换的遗传转化实验证明，启动子序列差异是导致BnaZEPs功能分化的决定因素。为发掘BnaZEPs上游调控因子，课题组利用酵母单杂、EMSA和Dual-LUC等技术，结合转基因和RNA-seq技术，筛选并证实了ABA响应因子BnaABF3s以及R2R3 MYB转录因子BnaMYB44s对BnaZEPs的差异调控：BnaABF3s可以直接激活BnaZEPs的四个同源拷贝的表达，在干旱胁迫下促进ABA的合成，从而提高油菜的耐旱性；而BnaMYB44s不靶向BnaA07.ZEP和BnaC07.ZEP，它特异抑制花瓣中BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP的转录，影响甘蓝型油菜花瓣中类胡萝卜素的组分变化，并抑制苯丙烷和类黄酮的生物合成。

基于上述结果，本研究提出了一个甘蓝型油菜BnaZEPs的工作模型（图1）。四个BnaZEPs具有相似的蛋白功能，在不同的组织中催化玉米黄质向紫黄质的转化。BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP在花器官中行使功能，影响植株的花色，BnaA07.ZEP和BnaC07.ZEP主要在叶片中表达，影响植株的耐旱性。在花瓣和叶片中，有相同和不同的转录因子参与 BnaZEPs的调控：其中BnaABF3s同时靶向所有拷贝，它不仅是ABA信号转导路径的重要转录因子，也是类胡萝卜素合成路径的重要调控因子，反馈调节ABA响应基因BnaZEPs的表达；BnaMYB44s特异抑制BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP的表达。另外，它们的同源蛋白如BnaABF1、BnaMYB73 和BnaMYB77可能也参与对BnaZEPs的差异调控。该研究结果为甘蓝型油菜多拷贝基因的功能分化提供了明确的证据，并有助于我们进一步揭示类胡萝卜素和 ABA合成路径复杂的调控网络。

图1 甘蓝型油菜中BnaZEPs的工作模型

华中农业大学油菜遗传育种团队文静副教授为该论文的通讯作者，已毕业的博士生叶沈华（现为浙江农林大学青年教师）为该论文的第一作者，油菜杂种优势利用课题组傅廷栋院士和沈金雄等教授参与了该项研究。该研究在科技创新2030重大项目、国家现代农业产业技术体系以及中央高校基本科研业务费的资助下完成。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae184