你吃过红皮菠萝吗？串联重复基因亚功能化的结果，华南农园艺学院与热科院品资所团队联合解析

日前，知名园艺学期刊《Horticulture Research》上刊发了一项由「华南农业大学园艺学院」和「中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所」团队联合完成的「菠萝」方面研究工作《AcMYB266, a key regulator of the red coloration in pineapple peel: a case of subfunctionalization in tandem duplicated genes》。该论文解析了菠萝红色果皮的形成机制，系统鉴定了一个串联重复产生的 MYB 基因簇在亚功能化后分别调控菠萝不同组织器官的颜色形成，其中 AcMYB266 "获得"了调控菠萝果皮红色的功能。

研究起意

菠萝（Ananas comosus）中缺少红果皮种质资源，创制颜色鲜艳、赏食兼用的优良新品种是菠萝品种改良的重要目标。

菠萝又称凤梨，是世界四大热带果树之一，也是凤梨科凤梨属（Ananas Tourm. ex Linn.）中唯一因可食用而商业化种植的物种，绿色的茎叶、紫红色的花瓣和黄色的成熟果皮为其典型特征，唯有红皮果基因资源欠缺。然而，同属其它野生种类中却存在着果皮和茎叶呈现红色的观赏种质材料。

凤梨属植物的花芽分化结束后，茎顶抽生一个鲜艳的头状花序；谢花后，花序发育成聚花果，红色的苞片/花萼宿存并联合发育成果皮。但坐果后，菠萝果皮花青苷积累会随着果实的发育而逐渐中止，果皮也渐渐变为绿色，果实成熟阶段又褪绿成为黄色。

菠萝品种改良工作中，育种者通过种间杂交的方式，将观赏类凤梨红皮基因重组到优良食用品种中以获得红皮菠萝优良品种，这些杂交类菠萝的果实成熟时呈现完全的“红色”。这种鲜艳的红色菠萝果实，兼具了优良的鲜食品质和外观品质，不仅大大提高了菠萝的商品价值，还推动了菠萝种植园观光产业的发展。

 那么，少数菠萝品种果皮是如何完成红色蜕变的呢？

为了满足这个好奇心，也为了高效创制「赏食兼用」的菠萝新品种，团队基于已有研究基础，重点关注到了 MYB 基因家族成员在其中的可能作用。

从前期研究结果中筛选到AcMYB266

在课题组早期发表的菠萝不同组织器官的转录组数据中（Mao et. al., 2018），查看课题组前期鉴定的MYB基因家族成员的表达量（Liu et. al., 2017），筛选到 4 个候选 MYB 成员。这 4 个成员菠萝的苞片和萼片，也就是早期的果皮中高表达。经过进一步 的qPCR 定量实验以及表达特异性筛选，去除了表达量较低和果皮中非特异性表达的另外三者，选定 AcMYB266 为候选基因并进行进一步基因功能研究。

系列生化实验明确了 AcMYB266 直接参与了果皮花青素积累

为进一步确定菠萝果皮花青素形成是否受到 AcMYB266 的直接调控。采集了菠萝果实的不同发育时期，对果皮的花青素含量和 AcMYB266 表达量进行检测，发现两者直接正相关。同时，通过酵母单杂、双荧光素酶实验，也可以确定 AcMYB266 可以有效结合花青素合成通路关键基因的启动子并激活基因表达。

基因超表达/沉默实验明确 AcMYB266 的体内功能实现

体内证据最为直接。研究团队基于已建立的菠萝遗传转化体系成功获得菠萝超表达MYB266材料并可以观测到超表达材料表明形成明显花青素聚集板块。而如果在菠萝果实红色苞片上进行MYB266瞬时沉默，则会发现区域的花青素含量下降；相反，瞬时超表达可以达到与稳定超表达类似的成果。系列 qRT-PCR 实验结果辅助确定了这些表型观测结果。

MYB266是红皮菠萝特有？为什么会红？

AcMYB266本身并非红皮菠萝转录组中鉴定到，所以 AcMYB266 并非红皮菠萝特有。那么为什么菠萝种质都有 AcMYB266 ，但只有少数菠萝果皮是红色。问题往往就出在基因表达或者基因调控上。团队成员选取了不同果皮红色积累模式的菠萝材料，发现其可以在这些材料中鉴定到三个不同变异的启动子序列。那么是不是启动子的这些变异引起了不同的菠萝果皮红色形成模式？

 为此，研究人员构建了不同启动子版本激活GUS基因表达的载体并进行瞬时表达验证，发现在长时红皮菠萝种质中特异存在的启动子版本激活能力最强，映证了相关猜想。

串联重复的基因簇发生功能分化（亚功能化），促成多样菠萝红色种质

在开展 AcMYB266 相关序列分析时，研究人员观察到 AcMYB266 其实是串联重复基因簇的成员之一。一般而言，串联重复的基因往往功能一致或者类似。但在当前研究中，仅 AcMYB266 特异在菠萝果皮中高表达，而其他三个成员则不然。对其他三个成员进行不同组织/器官的基因表达分析，可以发现，每个成员分别调控了菠萝不同组织器官部分的花青素积累过程。这是一个有趣的现象，简单来说：

1.四个成员在分子功能（Molecular Function）上来说是一致的，都是进行NA-binding，且binding 的都是花青素合成通路相关基因；

2.而四个成员参与的生物学过程（Biological Process)是不同的，AcMYB266促成红色果皮，AcMYB262促成红色叶片...

基因簇从何而来？是否是凤梨科所特有？

在上述结果中，可以观测这个基因簇其实是一次基因串联重复+一次镜像复制，随后形成一个 4 成员的串联重复基因簇。那么这个基因簇是怎么来的？如何形成？

通过对系列近源物种的基因组进行共线性区块演化分析，研究人员发现，在凤梨科外的其他单子叶植物，如香蕉或者水稻，仅观测到一个MYB成员；四个MYB串联重复在凤梨属中保守存在，这意味着，本研究鉴定到的四个MYB可能是良好的覆盖整个属的红色调控靶标。而在凤梨科中其他属的植物，则尚未发现镜像复制，仅存在一次两基因的串联重复，暗示这些属与凤梨属植物的演化，“还差一步”。

研究团队简介

此项研究，华南农业大学园艺学院何业华教授、中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所栾爱萍副研究员、陈程杰副研究员为共同通讯作者，博士张伟（优秀学生，6月毕业，投简历ing...）和博士生吴竞为共同第一作者，贺军虎研究员，刘朝阳副教授为工作的启动提供了重要资料与建议，团队其他成员参与了相关实验和田间工作。研究得到国家自然科学基金、重点研发项目、海南省自然科学基金、广东省基金的资助。

写在最后

菠萝，闻着香，吃着甜，看着赏心悦目？团队一直在致力于菠萝的种质创新。让我们期待更多精彩结果，不仅仅是分子机理解析，还是「赏食兼用」的优异品种出来。