陕西省西安植物园科研团队破解地黄花色变异之谜

近日，陕西省西安植物园（陕西省植物研究所）植物多样性研究中心唐剑泉等人在地黄花色变异的分子机制研究中取得重要进展，相关成果发表在国际期刊《Biomolecules》(Q1, IF=4.8)。研究团队以野生紫红花冠地黄与自然突变的黄花地黄为材料，整合代谢组、转录组与全基因组重测序技术，首次系统阐明MYB基因序列变异导致花青素合成受阻，最终形成黄花表型的分子机理。

图1 野生型地黄与黄花突变体材料的形态学比较。（A1–A5）野生型地黄；（B1–B5）黄花突变体地黄。（A1, B1）植株生境；（A2, B2）花侧面观；（A3, B3）花正面观；（A4, B4）离体花冠侧面观；（A5, B5）花冠纵切。

地黄作为传统大宗药用植物，花冠长期稳定呈现紫红色，是其典型的分类特征。科研人员在陕西省白水县发现一个可稳定遗传的黄花地黄突变体种群，除花色外其他形态无明显差异。代谢组分析显示，黄花地黄花冠中花青素含量显著降低，同时叶黄素等类胡萝卜素含量显著增加。转录组分析显示，黄花地黄中花青素合成通路中的关键结构基因（CHS、CHI、F3H、DFR、ANS）均下调表达，并且发现已知调控地黄花青素合成的关键基因RgMYB41(gene-DH2020_015992)下调表达。全基因组重测序分析发现，RgMYB41编码区存在3个非同义突变，引发了A12S、Q114E、G255E氨基酸替换，这些突变导致了RgMYB41蛋白空间构象严重偏离，进而影响其对ANS基因的转录激活作用，最终导致了地黄花色改变。这项研究为地黄花色变异提供了遗传学解释，并为植物花色遗传改良提供了精准调控靶点。

图2 地黄MYB蛋白的分子建模和空间结构比较。(A)野生型和突变型RgMYB41蛋白的分子建模和结构比较。(B) 野生型和突变型DH2020_040854蛋白质的分子建模和结构比较。(C) 变异位点的RMSD分析。(D) 变异位点及其相邻残基之间的距离变化分析。

此项研究得到了陕西省科学院基础研究项目(2023K-14)和西安市第一次野生植物资源调查项目(K6-2207039)的资助。