《食品科学》：黑龙江八一农垦大学朱磊副教授等：葡萄UDP-糖基转移酶家族的全基因组表征、进化和表达分析

糖基化是生物体内一种重要的分子修饰反应机制，通过直接或间接参与生物体的多项生命活动。生物体内的糖基化反应由糖基转移酶（GTs）（EC 2.4.x.y）催化，GT是一个具有众多成员的转移酶超家族，它们将糖基从活化的供体分子转移到特定的受体分子位点上。在CAZy数据库（http://www.cazy.org）中GT超家族已被系统分类，截至2024年2月26日，根据氨基酸序列相似性、底物特异性和催化特异性，GT超家族可分为135 个不同的家族（GT1～GT135）。

GT1是具有GT数量最多的家族，其中大多数成员通常以UDP-活化糖作为糖基供体，因此GT1也被称为尿苷二磷酸糖基转移酶（UGT）。GT能够作用于植物界中高度多样化和复杂的底物，如类黄酮、萜烯、生长素、细胞分裂素和水杨酸等，以调节植物的生长、发育、抗病性及与环境的相互作用。

葡萄（Vitis）是世界上最重要的水果作物之一，葡萄皮中富含的花色苷、单宁和香气成分对葡萄酒的品质至关重要，其中花色苷作为决定葡萄酒外观色泽品质的核心呈色化合物，其含量、组成及稳定性直接影响葡萄酒的呈色特性与品质。

基于葡萄基因组数据库（12X.v2），黑龙江八一农垦大学食品学院王媛媛、刘云清、朱磊*等从全基因组中进行葡萄糖基转移酶（VvUGT）基因鉴定，并进行一系列生物信息学分析，包括系统发育树构建、理化性质测定、染色体定位、基因结构和蛋白基序测定，分析VvUGT家族基因在葡萄不同组织中的表达模式，并以3 个花色苷糖基化存在显著差异的代表品种为材料，通过果实转色过程中花色苷和VvUGT表达的分析，初步筛选山葡萄花色苷积累过程中起重要作用的VvUGT，以期加深对VvUGT家族基因的理解，为进一步研究VvUGT家族基因的功能提供基础数据，为研究UGT基因在葡萄皮中糖基化过程发挥的作用提供新视角。

1 VvUGT家族的全基因组鉴定和理化特征分析

通过HMM（PF00201）和BLAST搜索葡萄全基因组数据库，并用Smart和NCBI-CDD在线软件对筛选到的UGT进行结构域确认，最终鉴定出230 个VvUGT家族成员，它们的蛋白序列在C末端均含有PSPG-box。VvUGT蛋白的长度在121～815 个氨基酸范围内，理论分子质量范围为13.4～91.0 kDa，理论等电点在4.61～9.53之间，消光系数范围为15 595～106 435，脂肪族氨基酸指数范围为71.36～102.29。其中有48 个为稳定蛋白（不稳定指数＜40），182 个为不稳定蛋白（不稳定指数＞40），187 个为亲水蛋白（亲水性指数＜0），43 个为疏水性蛋白（亲水性指数＞0）。亚细胞定位预测表明，VvUGT成员主要分布在叶绿体（127 个）、细胞质（51 个）和细胞核（26 个）中，其余26 个分别分布在内质网（9 个）、过氧化物酶体（5 个）、细胞外（5 个）、线粒体（5 个）和液泡膜（2 个）中。

2 VvUGT基因家族的系统发育树分析

为了探究VvUGT基因家族的系统进化关系，将230 个葡萄UGT和已报道的其他物种中UGT进行多序列比对并构建系统发育树（图1）。不同物种的254 个UGT被分为16 个组（A～P组），VvUGT不均匀地分布在这16 个组中，其中E组成员最多，有74 个，其次是L组（39 个成员），A组和G组中的成员也较多，均为19 个，而K组和O组均只有2 个成员，N组中仅有1 个成员。系统发育分析表明，水稻的2 个UGT聚类到P组，玉米的2 个UGT分别聚类到了O组和P组，而拟南芥的18 个UGT聚类到了除O、P外的14 组中。

3 VvUGT家族基因的染色体定位

葡萄UGT家族基因不均匀地分布在18 条染色体上（图2），只有染色体chr10上没有分布。其中，chr5上分布的成员最多，为30 个，chr18和chr12上分布的VvUGT较多，分别为28 个和23 个，而chr1上仅有2 个成员。染色体chr5、chr7、chr12、chr17和chr18上的VvUGT呈聚集形式分布。

4 VvUGT家族基因结构分析

基因外显子-内含子结构的分析可为UGT家族进化的分子机制提供重要参考。VvUGT基因结构分析表明，VvUGT外显子个数在1～7范围内，内含子个数在0～6范围内（图3a）。如表1所示，葡萄230 个VvUGT中有55.7%（128 个）的基因含有1 个外显子且无内含子，比例低于玉米（59.9%），而高于小麦（54.7%）、柚子（48.3%）和桃（42.9%），5.2%（81 个）VvUGT由2 个外显子和1 个内含子构成，6.5%（15 个）VvUGT由3 个外显子和2 个内含子构成，1.3%（3 个）VvUGT含有4 个外显子和3 个内含子，剩余3 个基因分别含有5、6、7 个外显子和4、5、6 个内含子。在根据进化关系划分的16 组中，G组含有内含子的VvUGT最多，有18 个成员，其次是L组（16 个）和I组（14 个）。而且对于大多数组来说，同一组的内含子数量存在相似性。例如，B组、D组和O组的一致性较高，均不含有内含子，基因结构相对保守；M组除Vitvi05g01362.t01外均不含有内含子；F组除了Vitvi06g01099.t01和Vitvi11g01294.t01、I组除Vitvi14g02944.t01和Vitvi17g01494.t01、H组除Vitvi13g00417.t01外，其他成员都有1 个内含子（图3b）。

5 VvUGT家族基序分析

为进一步研究VvUGT的多样性，进行了基序（motif 1～9）的可视化分析（图4）。有4 个基序广泛分布于VvUGT中，所有VvUGT序列中均包含motif 1，98.26%的（226 个）成员含有motif 7，96.09%（221 个）的成员含有motif 3，94.78%（218 个）的成员含有motif 6。motif 4位于UGT序列的C端，motif 3和motif 8位于UGT序列的N端。同一组VvUGT在基序数量、组成和位置上具有很高的一致性，例如，K组中所有成员和P组中除Vitvi13g02020.t01外的成员都包含motif 1～9，D组和F组中均不含motif 4，B组和M组均不含motif 8，A组成员都不包含motif 8，J组成员均不包含motif 5，H组均不含motif 4和motif 9。

6 VvUGT家族基因的表达分析

6.1VvUGT家族基因芯片表达谱分析

欧亚种葡萄‘Corvina’芯片数据GSE36128覆盖了葡萄生长发育中不同阶段的组织和器官，从中共筛选到214 个VvUGT（图5）。在214 个VvUGT中，B组除Vitvi17g00439.t01外的基因在所有组织和器官中的转录水平均较高，C组基因在所有组织和器官中的转录水平均较低，除B、C组外的同组基因转录情况都不尽相同。B组的Vitvi02g00983.t01、Vitvi02g00991.t01、Vitvi17g00438.t01和L组的Vitvi03g00557.t01、Vitvi03g00568.t01、Vitvi05g01648.t01以及I组的Vitvi14g02945.t01在所有组织和器官中均处于高表达状态，尤其以Vitvi03g00557.t01的转录水平最高，推测它们在葡萄的生长发育过程中有着重要作用。A组的Vitvi19g00173.t01和I组的Vitvi17g01502.t01在所有组织和器官中均为低表达状态，且Vitvi17g01502.t01转录水平最低。部分基因表现出了强烈的组织特异性和时空特异性，如E组的Vitvi12g01733.t01、G组的Vitvi03g01149.t01以及J组的Vitvi06g01763.t01特异性地在根中高表达，且L组的Vitvi07g02448.t01在根中的转录水平最高；E组Vitvi04g01237.t01和F组的Vitvi11g01287.t01在雄蕊、花粉以及衰老叶中高表达；H组的Vitvi13g00435.t01仅在E-L36 的种子中高表达；M组的Vitvi06g00169.t01在E-L32～E-L38的果肉、果皮、种子中高表达。VvUGT家族基因成员在不同的组织和器官中表现出不同的表达模式，说明VvUGT在葡萄生长发育的各个阶段和组织器官中发挥着不同的作用，且家族基因成员可能存在功能上的冗余和特异性的分化。

本研究重点关注VvUGT家族基因在酚类成分合成调控中的作用，尤其是花色苷，因此对酚类合成通路中参与花色素单糖苷合成的UDP-葡萄糖:类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（flavonoid-3-O-glucosyltransferase，3GT）和参与花色素双糖苷合成的5GT基因的表达水平进行分析。在VvUGT家族中共筛选出35 个3GT基因，它们分布在系统发育组的E、F组中，基因芯片数据显示E组的Vitvi12g01724.t01、Vitvi12g02594.t01、Vitvi12g01697.t01、Vitvi12g01705.t01和F组的Vitvi16g00156.t01（UFGT）、Vitvi11g01290.t01、Vitvi06g01097.t01、Vitvi06g01100.t01在欧亚种葡萄‘Corvina’转色期的果皮中高表达，其次是E组的Vitvi12g02585.t01、Vitvi12g02593.t01、Vitvi12g02591.t01、Vitvi12g01692.t01、Vitvi12g01706.t01。课题组前期鉴定出的20 个5GT基因均位于系统发育组的L组中，其中Vivi05g01304.t01、Vitvi05g02116.t01以及Vitvi17g00753.t01在‘Corvina’转色期的果皮中高表达，而剩余包含Vitvi09g00582.t01（Va5GT）在内的17 个5GT基因处于低表达状态。

6.2葡萄果皮花色苷分析

对CS、ZSY和ZHY 3 个葡萄品种的果皮花色苷进行定性定量分析。结果显示葡萄果皮花色苷的积累始于转色期，并随果实转色积累量逐渐增加（图6a）。3 个葡萄品种在EV时期的花色苷总含量无显著差异，从MV时期开始，3 个品种葡萄的花色苷积累量差异显著，由高到低排序为ZSY＞ZHY＞CS。到LV时期，ZSY的花色苷总积累量分别是ZHY和CS的3.64 倍和21.17 倍。

3 个葡萄品种的花色素双糖苷和花色素单糖苷占总花色苷含量的比例差异明显，随着果实转色，变化趋势也不一致。CS中只检测到了痕量的花色素双糖苷，ZSY的花色素双糖苷比例始终显著高于ZHY（图6b）。随着果实转色，ZSY的花色素双糖苷比例明显上升，从EV时期的79.18%上升到LV时期的97.56%，相应的其花色素单糖苷比例从20.82%下降至2.44%；ZHY随果实转色花色素双糖苷比例明显下降，EV时期的比例为40.81%，LV时期已下降到25.83%，而花色苷单糖苷的比例从59.19%上升至74.17%。

6.3不同品种果皮在果实发育过程中VvUGT家族基因的转录组分析

根据CS、ZSY和ZHY的转录组数据，去除低表达基因，对85 个VvUGT进行基因转录水平的时间趋势分析并划分聚类群，共获得4 个不同的共表达基因聚类群（图7a）。集群3包含14 个基因，它们在CS中从GBS时期到LV时期的表达量呈先升高后降低再升高的趋势，总体表达呈上升趋势，在ZHY和ZSY中呈逐渐上升趋势，表明与葡萄果皮的花色苷积累呈正相关，可能在葡萄果皮转色过程中发挥关键作用。集群2中的23 个基因与果皮的表型呈负相关，因为它们从GBS时期到LV时期的表达逐渐下调，推测该集群基因在CS的GBS时期发挥重要作用。同样，集群1中含有26 个基因，其表达水平在CS和ZHY中呈先降低后升高再降低的趋势，总体表达水平呈下降趋势，在ZSY中呈下降趋势，推测该集群基因在ZHY和ZSY的GBS时期发挥重要作用。集群4含有的22 个基因在CS中的表达水平呈下降趋势，在ZHY和ZSY中呈先上升后下降趋势，在MV时期的表达水平达到峰值，推测该集群基因在葡萄生长发育的转色期发挥重要作用。

如图7b所示，VvUGT基因的表达在不同组间表现出差异。F组的Vitvi16g00156.t01（UFGT）在3 个葡萄品种的转色期均处于高表达状态，转录水平最高；A组的Vitvi15g01073.t01和Vitvi15g01643.t01以及L组的Vitvi09g00582.t01（Va5GT）在ZHY和ZSY的转色期高表达，在CS中微量表达；A组的Vitvi07g01413.t01和G组的Vitvi07g01395.t01在CS中高表达，在ZHY和ZSY中低表达；E组的Vitvi16g01150.t01在ZHY中高表达，在CS和ZSY中低表达。

6.4VvUGT与花色苷含量、糖基化花色苷的相关性分析

基于RNA-seq的表达水平，对VvUGT与总花色苷含量、糖基化花色苷进行了相关性分析，结果如图8所示。在ZSY和ZHY中，Vitvi18g00427.t01和Vitvi18g00430.t01与花色苷总含量、花色素双糖苷及其比例呈显著正相关（P＜0.05，P＜0.01），Vitvi15g01073.t01、Vitvi15g01643.t01、Vitvi09g00582.t01（Va5GT）、Vitvi16g01946.t01和Vitvi16g01149.t01与花色苷花色素双糖苷的比例呈显著正相关（P＜0.05，P＜0.01），而Vitvi12g01706.t01、Vitvi12g01724.t01、Vitvi17g00438.t01与花色素单糖苷的含量呈显著正相关（P＜0.05）；在CS中，Vitvi16g00156.t01（UFGT）和Vitvi11g01294.t01与花色素单糖苷的比例呈极显著正相关（P＜0.01）。

7 讨论

本研究基于葡萄全基因组数据库共鉴定出230 个VvUGT基因，多于Caputi等报道的181 个以及Wei Yongzan等报道的228 个，系统发育分析将其聚为16 个组（A～P组）。在高等植物的进化过程中，系统进化组A、D、E、G和L比其他组扩展得更多，进化得更快。但在本研究中，VvUGT家族系统进化组A、E、G、I和L比其他组扩展得更多（表2），表明这些组中的基因可能具有多种功能和广泛的底物特异性。VvUGT家族系统进化组中D组只有8 个成员，远少于拟南芥（13 个）和其他植物（苹果13 个、小麦17 个、柚子18 个、玉米18 个、桃19 个、亚麻21 个、水稻26 个）；E组的UGTs基因数量（74 个）占葡萄中鉴定出的UGT基因总数的32%，远超过Caputi等报道的数量（46 个，占比25.4%）；I组成员的数量（16 个）高于除柚子（17 个）以外的其他植物；E组和I组的扩展是导致葡萄UGT基因家族成员数量显著增加的主要原因。而且已经鉴定出属于E组的许多植物UGT基因成员，参与挥发性化合物（FvUGT71K3a/b、FvUGT73B24、FvUGT71W2和FvUGT73B23）、类黄酮（FvUGT71K3a/b、Vitvi04g01237.t01）和根皮苷（MdUGT88F1）的糖基化，表明E组为植物次生代谢产物的糖基化做出了重要贡献。K组在葡萄中有2 个成员（与拟南芥、柚子相同），在亚麻、苹果和桃中分别含有5、6、7 个成员，在单子叶植物小麦中没有成员，玉米和水稻中有1 个成员，表明K组可能在双子叶植物中扩展。同其他双子叶植物如拟南芥、苹果、桃、柚子、亚麻一样，本研究在葡萄系统发育组N组只鉴定到1 个成员，为以前推测N组主要是单子叶植物（如玉米和水稻）的扩展提供了额外的证据。

蛋白质序列上基序的数量和分布可以揭示基因家族成员之间的结构异同，是基因家族系统发育分类的重要依据。MEME程序搜索结果显示，同一组VvUGT在基序数量、组成和位置上具有很高的一致性，motif 1为VvUGT的PSPG-box。对每个系统发育组PSPG-box的44 个氨基酸生成序列标识，得到保守性示意图（以A、B、C、F、L、M组为例）（图9）。其中有些位点的氨基酸是高度保守的，如第1（W）、4（Q）、8（L）、10（H）、16（F）、19～24（HCGWNS）、27（E）、39（P）、43（D/E）位。第44位的谷氨酰胺残基（Q）在C、F、L组中分别存在组氨酸（H）、天冬酰胺（N）、蛋氨酸（M）的变异。组氨酸（H）对于半乳糖基转移酶活性是必需的，F组天冬酰胺（N）的变异现象也存在于功能特征为鼠李糖基转移酶的拟南芥（AtUGT78D1）中。在系统发育组O组的PSPG-box第41位和第42位发现了2 个高度保守的残基——组氨酸（H）和丝氨酸（S），它们不存在于其他系统发育组中，可作为聚类在该组中蛋白质的代表特征。PSPG区域的最后2 个氨基酸被认为是糖基识别的关键氨基酸残基，如MtUGT71G1中的Glu381和Gln382，VvGT1中的Asp374和Gln375。对MtUGT71G1三维模型的分析显示，UDP-葡萄糖的尿嘧啶部分和高度保守的HCGWNS残基之间存在直接相互作用。

不同发育阶段不同组织中基因的表达特征反映了该基因的功能。基因芯片数据分析表明，VvUGT基因的转录丰度与组织和时间相关（图5）。214 个VvUGT基因在‘Corvina’的根、茎、叶、花、果实、种子等组织器官中都有表达，表明VvUGT基因在控制植物生长发育过程中起着重要作用。其中，在所有组织和器官中均处于高表达状态的B组基因Vitvi02g00983.t01和Vitvi02g00991.t01编码东莨菪素葡萄糖基转移酶，可以催化东莨菪素糖基化为东莨菪苷，在植物清除活性氧、塑造根系微生物组的组成、抗病原菌、抗旱、促进营养吸收等过程中发挥着重要的作用；L组的Vitvi03g00557.t01和Vitvi03g00568.t01在葡萄果实中可能参与以葡萄糖酯为中间体通过没食子酰化形成羟基肉桂酸酯和原花青素的过程。在根中特异性高表达的G组基因Vitvi03g01149.t01与AtUGT85A1聚为一簇，而AtUGT85A1能够糖基化细胞分裂素使其失活，促进根系的生长，因此推测Vitvi03g01149.t01也有类似的功能。另外，M组的Vitvi06g00169.t01在E-L32～E-L38的果肉、果皮、种子中高表达，推测它们可能参与葡萄有性生殖器官的发育；E组基因Vitvi04g01237.t01和F组基因Vitvi11g01287.t01属于3GT亚家族，它们不仅在雄蕊和花粉中高表达，在成熟叶和衰老叶中表达水平较高，推测它们在有性生殖器官的发育和细胞衰老方面发挥着重要功能，需要进一步的研究验证。

转录组85 个VvUGT基因表达分析表明，集群3中的14 个VvUGT具有与葡萄果皮花色苷积累一致的趋势（图7a）。其中B组的Vitvi17g00438.t01，D组Vitvi03g00533.t01、Vitvi18g02014.t01，F组的Vitvi16g00156.t01，G组的Vitvi18g00427.t01、Vitvi18g00430.t01以及M组的Vitvi05g02123.t01具有相对较高的转录水平，尤以3GT亚家族的F组基因Vitvi16g00156.t01（UFGT）在3 个品种葡萄浆果转色期的转录水平最高（图7b），这与基因芯片表达谱表达一致——在E-L35～E-L38的浆果果皮中转录水平最高（图5）。UFGT是Ford等首次从‘Shiraz’（V. vinifera）克隆而来，其转录酶被证实负责将不稳定的花青素转化为稳定的花青素-3-O-葡萄糖苷，对于葡萄转色至关重要。本研究中Vitvi16g00156.t01（UFGT）在ZSY中的转录水平与ZHY和CS相比分别提高了4.27%和42.24%，这是山葡萄中的花色苷含量高于其他品种和杂交品种的原因之一。聚类在集群4中的5GT亚家族基因Vitvi09g00582.t01（Va5GT）在CS的转色期微量表达，这与基因芯片数据表达一致，但在ZSY和ZHY中高表达，尤其在ZSY中的转录水平最高，这与葡萄中花色素双糖苷的积累表型相印证（图6b），且与花色素双糖苷比例呈显著正相关（图8），该基因被证明是花色素双糖苷生物合成的关键结构基因。A组的Vitvi15g01073.t01和Vitvi15g01643.t01转录情况同Vitvi09g00582.t01（Va5GT）一样，在CS中微量表达，在ZSY和ZHY中高表达，且与花色素双糖苷比例呈显著正相关，推测这2 个基因与花色素双糖苷的生物合成存在一定的联系，需进一步的研究验证。5GT亚家族的L组基因Vitvi17g00753.t01与Vitvi09g00582.t01（Va5GT）共同聚类在集群4中，且在3 个葡萄品种中的转录情况与Vitvi09g00582.t01（Va5GT）类似，推测该基因与花色素双糖苷的合成存在一定的联系，但基因芯片数据显示该基因在‘Corvina’果皮中高表达（图5），因此Vitvi17g00753.t01在葡萄花色苷合成中的作用还需进一步的验证。

将候选基因与其他物种中已知基因功能的UGT进行多序列比对并构建系统发育树，结果如图10所示。Vitvi15g01073.t01和Vitvi15g01643.t01与紫薯中催化花青素-3-O-葡萄糖苷转化为矢车菊素-3-O-槐糖苷的Ib3GGT同源性较高；

Vitvi16g00156.t01

UFGT

Vitvi17g00753.t01

结 论

本研究在葡萄全基因组中鉴定获得了230 条含有UGT保守结构域的VvUGT蛋白序列，划分为16 个系统发育组，且同一组内的VvUGT具有相似的蛋白基序。VvUGT家族成员在葡萄品种和生长时期上的表达表现出显著差异。F组基因Vitvi16g00156.t01（UFGT）的转录水平影响葡萄花色苷的总积累量，L组基因Vitvi09g00582.t01（Va5GT）的转录水平决定了花色素双糖苷的积累量和比例。筛选出A组的Vitvi15g01073.t01和Vitvi15g01643.t01、L组的Vitvi17g00753.t01（5GT）可能在山葡萄花色苷生物合成中发挥作用，需要进一步的功能验证。

作者简介

通信作者

朱磊， 副教授，黑龙江八一农垦大学食品学院教师，主要从事葡萄生理和分子生物学以及葡萄酒化学方面的研究，现为国家葡萄产业体系哈尔滨试验站成员、黑龙江省天然产物工程学会理事和黑龙江省食品科学技术学会青年委员。主持国家自然科学基金1 项、黑龙江省自然科学基金2 项、厅局级项目3 项和校级项目2 项，发表学术论文40余篇。

第一作者

王媛媛，硕士研究生，就读于黑龙江八一农垦大学食品学院。

本文《葡萄UDP-糖基转移酶家族的全基因组表征、进化和表达分析》来源于《食品科学》2025年46卷第14期134-146页，作者：

王媛媛，刘云清，徐晶宇，刘云婷，胡禧熙，张 超，姜泽宇，朱 磊*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241219-159。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：栾文莉；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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