中国农业科学院闫宁课题组揭示WD40转录因子ZlTTG1基因在水稻类黄酮生物强化中的利用价值

水稻是全球半数以上人口的主粮，但传统精米主要成分多为淀粉，营养相对单一。作为水稻近缘属，菰属植物保留了栽培稻丢失的高类黄酮、高蛋白、高生物量等优良性状。中国菰米富含原花青素、花青素和黄酮糖苷等多种类黄酮。植物体内类黄酮的生物合成受MYB-bHLH-WD40（MBW）转录复合体调控。在前期研究中，中国菰ZlRc（bHLH）和ZlMYB1/2（MYB）基因过表达可改变水稻种皮颜色并显著提高水稻种子类黄酮含量（Li et al., 2024；Qi et al., 2023），但关于中国菰WD40转录因子在类黄酮合成调控中的功能尚不明确。

近日，中国农业科学院烟草研究所（中国农业科学院青岛特种作物研究中心）农业农村部合成生物学重点实验室闫宁研究员课题组联合中国农科院华东中心等单位，在Plant Physiology and Biochemistry发表了题为Overexpression of ZlTTG1 increases flavonoid content and antioxidant activity and enhances enzyme inhibitory effects in rice seeds的研究论文，揭示了中国菰WD40转录因子ZlTTG1基因在类黄酮生物强化中的利用价值。

在中国菰中，共鉴定到38个ZlWD40基因，分布在中国菰的15条染色体上。根据它们在染色体上的位置分布，依次命名为ZlWD40_01–ZlWD40_38，红色标注的ZlWD40_24是本研究中的ZlTTG1基因（图1）。同时，对中国菰ZlTTG1与水稻OsTTG1的核苷酸和氨基酸序列进行了比较。由比对结果可知，ZlTTG1与OsTTG1核苷酸序列相似度为89.88%，氨基酸序列相似度为89.42%（图2AB）。此外，通过亚细胞定位可知，ZlTTG1蛋白定位于细胞核中（图2C）。

图1 中国菰WD40基因家族的染色体位置。其中，由红色标注的ZlWD40_24是本研究中的ZlTTG1基因

图2 中国菰ZlTTG1与OsTTG1核苷酸序列比对（A）、氨基酸序列比对（B）以及ZlTTG1亚细胞定位（C）

通过对ZlTTG1基因过表达水稻和CK水稻农艺性状和产量进行测量发现，ZlTTG1基因过表达载体转入水稻中并未改变水稻的株高、叶长、叶宽、分蘖数、单株穗数和单株产量。同时，ZlTTG1过表达改变了CK水稻种子的颜色，使其由浅棕色变为紫黑色（图3A），并显著提高了水稻种子总酚、总黄酮、总原花青素、总花青素含量以及抗氧化能力和酶抑制作用（图3B-E）。

图3 ZlTTG1过表达（ZlTTG1）与对照（CK）水稻种子表型和酚类化合物含量

在ZlTTG1与CK水稻种子之间共鉴定出597个差异表达基因（DEGs），其中有328个上调，269个下调（图4A）。为深入解析ZlTTG1与CK水稻种子之间的DEGs以及挖掘潜在的功能基因，该研究采用层次聚类法对所有筛选得到的DEGs进行了系统性的归类分析（图4B)，并对ZlTTG1与CK水稻种子之间上调的DEGs所参与的代谢通路进行了富集分析（图4C）。 在图4C中，在这些富集的通路中， “类黄酮生物合成“途径富集最显著，而“内质网中的蛋白质加工”包含的DEGs数量最多。

图4 ZlTTG1过表达（ZlTTG1）与对照（CK）水稻转录组分析

植物中类黄酮生物合成途径见图5，结合转录组分析结果，该研究对CK以及ZlTTG1水稻种子转录组中筛选到的类黄酮生物合成关键基因OsCHS、OsCHIL1、OsCHIL2、 OsF3H-1、 OsF3’H、OsDFR、OsANS和OsUGT707A3进行了表达量分析以及ANS、CHS、F3’H、F3H和 DFR酶活性测定。发现ZlTTG1基因过表达可以显著提高水稻种子这些类黄酮生物合成关键基因的表达及其酶活性。

图5植物类黄酮生物合成途径

中国农业科学院烟草研究所闫宁研究员课题组近年来完成首个中国菰染色体水平基因组组装（Yan et al., 2022），并通过共线性分析和转录组测序鉴定到中国菰落粒性相关基因（点击查看：）。通过多组学联合分析和转基因功能验证鉴定到了中国菰中的类黄酮合成关键基因（Yu et al., 2022）。其中，ZlRc基因过表达可提高水稻种子类黄酮含量和促进类黄酮关键合成基因的表达（Qi et al., 2023），ZlMYB1、ZlMYB2基因过表达可提高水稻种子花青素含量和促进花青素合成关键基因的表达（Li et al., 2024），ZlRc和ZlRd基因聚合过表达在不影响水稻农艺性状的前提下显著提高了水稻种子类黄酮含量（Ma et al., 2025）（点击查看：）。以上研究为培育富含类黄酮的功能性谷物新品种的提供了新的基因资源和技术手段，对保障国家粮食安全和维护人民营养健康具有重要意义。

中国农业科学院烟草研究所硕士研究生王丽霞和马晴为该论文共同第一作者，闫宁研究员和张忠锋研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到中国农业科学院科技创新工程和山东省自然科学基金等项目的支持。

参考文献：

（1）Li, W., Li, Y., Zhang, B., Ma, Q., Hu, H., Ding, A., et al. (2024). Overexpression of ZlMYB1 and ZlMYB2 increases flavonoid contents and antioxidant capacity and enhances the inhibition of α-glucosidase and tyrosinase activity in rice seeds. Food Chemistry, 460, 140670. doi: 10.1016/j.foodchem.2024.140670

（2）Ma, Q., Li, W., Wang, L., Zhang, H., Zhang, Z., & Yan, N. (2025). Co-overexpression of ZlRc and ZlRd increases flavonoid content, antioxidant activity, and inhibitory effects on against α-glucosidase, α-amylase, pancreatic lipase, and tyrosinase without affecting rice agronomic traits or yield. Plant Physiology and Biochemistry, 227, 110137. doi:10.1016/j.plaphy.2025.110137

（3）Qi, Q., Li, W., Yu, X., Zhang, B., Shang, L., Xie, Y., et al. (2023). Genome-wide analysis, metabolomics, and transcriptomics reveal the molecular basis of ZlRc overexpression in promoting phenolic compound accumulation in rice seeds. Food Frontiers, 4(2), 849-866. doi: 10.1002/fft2.234

（4）Yan, N., Yang, T., Yu, X. T., Shang, L. G., Guo, D. P., Zhang, Y., et al. (2022). Chromosome-level genome assembly of Zizania latifolia provides insights into its seed shattering and phytocassane biosynthesis. Communications Biology, 5, 36. doi: 3610.1038/s42003-021-02993-3

（5）Yu, X. T., Qi, Q. Q., Li, Y. L., Li, N. A., Xie, Y. N., Ding, A. M., et al. (2022). Metabolomics and proteomics reveal the molecular basis of colour formation in the pericarp of Chinese wild rice (Zizania latifolia). Food Research International, 162, 112082. doi: 11208210.1016/j.foodres.2022.112082

https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2026.111392