吴娟，武小娟，王沛捷，谢锐，聂虎帅，李楠，马艳红
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0460
花青素是一类重要的次生代谢产物，具有较强的抗氧化能力，可增强植物抵抗生物和非生物胁迫的抗性，同时也有助于植物果皮和果肉颜色的建成，对改善人体健康也有重要作用。花青素是类黄酮途径的最终产物，由结构基因编码的一系列酶催化合成，包括PAL（苯丙氨酸解氨酶）、CHS（查尔酮合酶）、CHI（查尔酮异构酶）、F3H（黄酮 3-羟化酶）、DFR（二氢黄酮醇 4- 还原酶）、ANS（花青素合酶）和 UFGT（UDP葡萄糖 ：类黄酮 3- 糖基转移酶）等。这些结构基因受到转录因子的调控，最典型的是MYB-bHLH-WDR（MBW）复合物的转录调控，该复合物由一个R2R3-MYB转录因子、一个bHLH转录因子和一个WD-repeat蛋白组成。另外，其他转录因子家族，比如bZIP、AP2/ERF、WRKY等同样参与调控植物的花青素的合成。
乙烯响应因子（ethylene responsive factor，ERF）是一种重要的转录因子，属于AP2/ERF家族，仅包含单一的AP2结构域。ERF蛋白可以直接与含有顺式作用元件的靶基因启动子结合，如GCCbox (GCCGCC) 或DRE motif (CCGAC)，以调节各种生物过程。ERF调控花青素生物合成已在多种植物中得到证实。
马铃薯（Solanum tuberosum L.）属于茄科茄属，是仅次于小麦和水稻的世界第三大口粮作物，在我国农业生产中发挥着重要作用。彩色马铃薯具有鲜艳的皮肤和果肉的颜色，如紫色，红色和粉红色。它们不仅含有淀粉、蛋白质、多种微量元素等必需成分和适度的脂肪含量，而且具有丰富的类黄酮、生物碱、酚酸等次生代谢产物，具有较高的营养价值。现有关于马铃薯StERFs基因的研究多集中在响应逆境胁迫方面，但对彩色马铃薯花青素相关的ERF转录因子的研究未见报道。
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本文主要包括以下几部分内容：
2.1 彩色马铃薯花青素合成相关ERF转录因子筛选
2.2 彩色马铃薯StERFs理化性质及亚细胞定位分析
2.3 彩色马铃薯StERFs保守基序分析
2.4 彩色马铃薯StERFs蛋白二级结构分析
2.5 彩色马铃薯StERFs参与花青素合成功能预测
2.6 彩色马铃薯StERFs启动子顺式作用元件分析
2.7 彩色马铃薯StERFs与其他转录因子家族间蛋白互作网络分析
2.8 彩色马铃薯StERFs表达模式分析
3 讨论
7个彩色马铃薯StERFs属于亲水性蛋白，预测在植物细胞核中行使功能。这一结果与前人的研究相同，通过对StERF109和StERF5分别构建亚细胞定位融合表达载体，均定位于细胞核。通过保守基序分析，7个马铃薯StERFs中发现10种Motif，其中Motif 2和Motif 1以串联形式出现，是7个StERFs中共同的保守基序。Motif 1的特征基序为RWLG和Motif 2的特征基序为YRG，属于AP2的结构域特征序列，在桃、小麦、蒙古冰草的ERF转录因子中同样具有相似的结构。通过对7个马铃薯StERFs以及12个其他已知的花青素相关ERFs的氨基酸序列分析，发现均具有AP2结构域，由60-70个氨基酸残基组成，在结构上具有较高的保守性，其中15个ERFs氨基酸序列均含有典型的YRG和WLG单元。进化分析显示，StERF72和IbERF71以及StERF110和PyERF3同源性较高，在进化树中亲缘关系较近，且参与调控花青素生物合成的表达模式相似，因此，StERF72和StERF110可能具有相似的生物学功能，参与调控马铃薯中花青素的积累。
本研究中马铃薯StERFs基因上游启动子序列含有响应脱落酸、茉莉酸甲酯、赤霉素和水杨酸等激素的作用元件，以及响应防御与胁迫、低温和光照等元件，推测马铃薯StERFs中这些响应元件在受到激素或者环境因素时影响下游靶基因的转录激活，进而调控花青素的生物合成。另外，ERF转录因子通过与转录因子蛋白互作来影响结构基因启动子活性，进而发挥作用调控花青素合成。本研究中，StERFs与18类转录因子家族构建了蛋白互作网络，其中bHLH转录因子、MYB转录因子是公认的调控花青素的转录因子家族。推测彩色马铃薯中StERFs与其他转录因子家族互作进而影响花青素的积累。
本研究基于不同颜色马铃薯块茎薯肉的转录组数据，获得7个在马铃薯紫色薯肉中显著高表达的ERF转录因子。StERFs基因可能响应脱落酸、茉莉酸甲酯、赤霉素和水杨酸等激素作用，以及响应防御与胁迫、响应低温和响应光照等。StERFs和56个转录因子蛋白间存在互作关系。StERF72和StERF110与已知的花青素相关ERFs（IbERF71和PyERF3）亲缘关系较近。7个StERFs基因在紫色薯肉中表达量显著高于黄色薯肉。
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