高粱胚芽鞘花青素积累的关键调控因子SbC1的鉴定与功能解析

　　这篇研究通过全基因组关联分析（GWAS）、病毒诱导基因沉默（VIGS）和单倍型分析，首次鉴定出高粱胚芽鞘花青素积累的特异性正向调控因子SbC1（R2R3-MYB转录因子）。研究发现SbC1与Tan1互作形成MBW复合体，激活花青素合成通路基因（如F3H、DFR、ANS），且其过表达可恢复水稻OsC1突变体的花青素表型并增强抗旱性。该成果为作物抗逆育种提供了重要遗传资源。

　　

引言

花青素作为植物重要的次生代谢产物，不仅赋予组织红、蓝、紫等颜色，还在抗逆（如干旱、紫外线）和人类健康中发挥关键作用。尽管花青素合成通路在模式植物中已被阐明，但高粱（全球第五大谷物）中相关分子机制仍不清楚。本研究聚焦高粱胚芽鞘——单子叶植物幼苗的关键保护组织，其花青素积累可显著提升幼苗抗逆性，但调控基因尚未被鉴定。

材料与方法

研究团队对242份高粱种质（含中国地方品种和现代栽培种）进行胚芽鞘颜色表型评估，结合GWAS定位关键位点。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）、单倍型分析和比较基因组学筛选候选基因，并利用酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）验证蛋白互作。转录组分析比较了红胚芽鞘品种HYZ（SbC1）与绿胚芽鞘品种QKY（sbc1-a突变体）的差异表达基因。

结果

候选基因鉴定
GWAS将控制胚芽鞘颜色的位点定位到高粱10号染色体6.41-6.45 Mb区间。比较基因组分析发现，参考基因组BTx623（v3.1.1）在该区域缺失关键基因SbC1（Sorghum bicolor purple coleoptile），其编码R2R3-MYB转录因子，与玉米ZmC1和水稻OsC1同源。

功能验证
在479份全球高粱种质中，鉴定到SbC1第一外显子C124T突变导致翻译提前终止（谷氨酰胺CAG→终止密码子TAG），形成功能缺失型等位基因sbc1-a。VIGS实验证实敲低SbC1表达使HYZ胚芽鞘花青素含量下降75%。值得注意的是，sbc1-a仅影响胚芽鞘着色，对籽粒花青素/单宁积累无影响，表明SbC1具有组织特异性调控功能。

进化与互作机制
系统发育分析显示SbC1与玉米ZmC1/ZmPL1聚为一支。互作实验证明SbC1与WD40蛋白Tan1在细胞核内直接结合，但未检测到其与bHLH因子Tan2的互作，暗示胚芽鞘中可能存在替代性bHLH成员参与MBW复合体形成。

转录调控网络
RNA-seq分析揭示，SbC1通过激活花青素合成通路结构基因（CHS、F3H、DFR、ANS、UFGT）的表达驱动胚芽鞘着色。其中DFR和ANS在QKY中几乎不表达（FPKM<0.1），印证了SbC1的核心调控作用。

跨物种功能互补
在水稻OsC1缺陷型品种9311中过表达SbC1，成功恢复叶鞘、颖壳、柱头等组织的花青素积累，证实功能保守性。转基因水稻在聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱胁迫下，存活率和鲜重显著高于野生型，HYZ同样较QKY表现出更强抗旱性，表明花青素屏障可提升幼苗抗逆能力。

讨论

进化意义
SbC1与禾本科作物中已报道的C1同源基因（如ZmC1、OsC1、TaC1-7A）呈现平行进化模式，其功能缺失突变导致不同物种器官褪色，为"基因共调控性状平行演化"提供了典型案例。单倍型分析发现sbc1-a等位基因仅存在于中国高粱资源中，可能源自非洲或亚洲其他地区的引入。

应用前景
该研究不仅解析了高粱胚芽鞘着色的分子机制，其鉴定的SbC1基因可作为遗传标记用于抗逆育种。例如，通过编辑SbC1启动子或编码区，可能实现花青素积累的精准调控，从而培育抗旱性增强的高粱品种。

总结

本研究首次阐明SbC1-R2R3-MYB在高粱胚芽鞘花青素积累中的特异性调控作用，填补了禾本科作物器官特异性着色机制的空白。后续研究可聚焦于发掘参与胚芽鞘MBW复合体的bHLH因子，以及利用基因编辑技术优化SbC1表达模式，推动作物抗逆性状的遗传改良。