多组学分析揭示了不同芒果品种中黄酮类化合物介导的颜色变化的分子机制

芒果果皮颜色差异由花青素等色素调控，转录组学和代谢组学分析显示MiMYB33基因通过调节黄酮类代谢途径影响颜色形成

　　
本研究以中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所保存的43份芒果种质资源为材料，系统探究了芒果果皮颜色差异的分子机制。通过转录组与代谢组联合分析，结合番茄遗传转化验证，首次揭示了MiMYB33基因在调控芒果类黄酮合成中的关键作用，为芒果颜色改良提供了理论依据。

一、研究背景与科学问题
芒果作为全球第二大热带水果，其商品价值与外观品质密切相关。尽管已有研究证实类黄酮、胡萝卜素等色素对果皮颜色的决定性作用，但具体调控网络尚未完全阐明。本研究聚焦以下科学问题：（1）不同颜色芒果品种果皮中关键色素的代谢差异；（2）核心调控基因的功能解析；（3）建立跨物种的遗传转化验证体系。

二、研究方法创新
1. **多组学整合分析**：构建了包含转录组（129个样本）、代谢组（752种代谢物）和表型组的三维分析框架。采用RNA-seq测序结合WGCNA网络分析，筛选出23个共表达模块；通过UPLC-MS/MS代谢组学技术鉴定691种差异代谢物。
2. **基因功能验证体系**：针对芒果缺乏遗传转化系统的难题，创新性地采用番茄作为模式生物进行基因功能验证。构建了含MiMYB33基因的pJ35s载体，通过农杆菌介导法实现基因过表达，成功获得红色→橙红色表型转换的番茄突变体。
3. **代谢组学技术优化**：开发了基于亚细胞定位的代谢物分离方法，结合三级质谱（MS/MS）实现花青素苷类等复杂结构化代谢物的精准鉴定，灵敏度达纳克级。

三、主要科学发现
1. **色素代谢特征解析**：
- 黄皮品种（如R2E2）类黄酮含量达2.58 U/g，显著高于绿皮品种（Mallika）的0.35 U/g
- 紫皮品种（Zillate）花青素苷类代谢物（如Cyanidin-3-O-galactoside）积累量是绿皮品种的3.62倍
- 发现7种新型代谢物（如3,4,5-三-O-银河糖基水杨酸），其中5种为首次在芒果中鉴定

2. **关键基因调控网络**：
- WGCNA分析揭示191个基因与21种代谢物形成显著调控网络（|r|>0.8）
- MiMYB33基因在红皮品种（如Irwin、Xinshiji）和部分绿皮品种中表达量最高（较基线升高2.3-4.1倍）
- 建立代谢-基因互作模型： MiMYB33通过调控F3’5’H、DFR等关键酶基因，影响Naringenin chalcone→Anthocyanidin→花青素苷的代谢通路

3. **功能验证突破**：
- 番茄过表达MiMYB33后，Naringenin chalcone含量提升5.73倍，Lycorene（番茄红素）降低0.27倍
- 转基因番茄出现橙红色皮（野生型为红色），首次证明该基因通过调控类黄酮合成影响颜色表型
- 发现MiMYB33与PEP基因家族存在共表达模块（模块号ME-RedPigment），该模块包含17个与色素代谢相关的DEGs

四、理论创新与产业应用
1. **调控机制新解**：
- 揭示了"MiMYB33→Coumaroyl-CoA→Naringenin→Anthocyanidins"的调控路径
- 首次发现UDP-葡萄糖转移酶（UFGT）基因家族在花青素苷类修饰中的关键作用，解释了不同苷类（如-3-O-galactoside与-3-O-glucoside）的积累差异
- 揭示绿皮品种中F4’ST（黄酮醇4’-磺酸转移酶）高表达可能通过竞争代谢底物抑制花青素合成

2. **品种改良策略**：
- 开发基于代谢组特征的快速鉴定体系，可筛选出具有高花青素合成潜力的种质（如Zillate）达87%
- 提出双调控机制：在红色系品种中增强MiMYB33表达可加深橙红色泽；在绿色系品种中敲除相关基因可提升花青素苷含量
- 建立代谢物-基因关联数据库（含532个关键节点），为分子标记辅助育种提供技术支撑

五、研究意义与展望
本研究首次实现芒果品种颜色差异的分子机制解析，突破传统表型选择的局限性。通过构建"基因-代谢-表型"三位一体的调控模型，为：
1. 开发靶向花青素合成的基因编辑技术（如CRISPR-Cas9靶向MiMYB33）
2. 建立代谢组导向的品种选育体系（基于16.1%类黄酮代谢物特征）
3. 创新 mango 次生代谢调控理论，为热带水果品质改良提供新范式

未来研究将聚焦于：
- 开发基于代谢组特征的快速无损检测技术
- 构建芒果全基因组关联分析（GWA）数据库
- 探索环境因子（温度、光照）与基因互作的调控网络

本研究成果已应用于海南芒果主产区，通过基因型筛选与农艺措施优化，使商品果率提升18.7%，推动当地建立"紫霞""金煌"等特色品种示范基地，产生直接经济效益超2.3亿元。