HY5转录因子调控西兰花硫代葡萄糖苷代谢平衡的分子机制及其在高效生物合成中的应用

本研究针对西兰花中硫代葡萄糖苷(GSL)代谢调控机制不明的问题，通过CRISPR-Cas9技术构建BoHY5基因过表达株(B42OE)和敲除株(B42CR)，结合RNA-seq和代谢组学分析，发现BoHY5通过负调控MYB转录因子及GSL通路基因，平衡脂肪族GSL(如抗癌前体物质萝卜硫苷RAA)与吲哚族GSL(如葡萄糖苷GBC)的代谢水平，为高价值GSL的定向合成提供新策略。

　　

西兰花作为十字花科高价值作物，其富含的硫代葡萄糖苷(GSL)经水解可产生萝卜硫素(SFN)等具有抗癌、抗氧化活性的代谢产物。然而，GSL的生物合成受遗传背景和环境因素复杂调控，特别是脂肪族GSL(如萝卜硫苷RAA)与吲哚族GSL(如葡萄糖苷GBC)的代谢平衡机制尚未阐明。光照信号核心转录因子HY5虽在模式植物中被报道参与GSL调控，但在西兰花中的具体作用机制仍是空白。中国农业科学院蔬菜花卉研究所的研究团队通过基因编辑和代谢调控研究，揭示了BoHY5介导的GSL代谢网络调控新机制，相关成果发表于《Food Chemistry: Molecular Sciences》。

研究采用CRISPR-Cas9技术构建BoHY5敲除株B42CR，通过农杆菌介导转化获得过表达株B42OE。利用Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，结合HPLC定量分析GSL组分，系统评估了不同遗传材料中GSL代谢通路关键基因的表达模式与代谢物积累的关联性。

3.1. BoHY5过表达与敲除株系的获得
通过靶向BolC1t04632H基因设计4个sgRNA，成功获得CDS区2 bp缺失的B42CR株系，为解析BoHY5功能提供了理想材料。

3.2. GSL生物合成通路关键基因表达谱分析
RNA-seq显示BoHY5显著抑制脂肪族GSL通路基因(MYB28/MYB29、CYP79F1、AOP2等)表达，同时负调控吲哚族GSL合成基因(CYP79B2、SOT16等)。PCA分析证实三种材料存在显著转录组差异。

3.3. BoHY5在GSL代谢调控中的作用
代谢分析发现：1) B42CR总GSL含量较野生型(B42WT)提升67.91%，其中RAA含量增加3倍；2) B42OE使脂肪族GSL占比降至3.57%，而吲哚族GBC提升至96.2%；3) 芳香族GSLNAS在敲除株中积累量显著增加。机制上，BoHY5通过抑制MYB28-MYB29模块降低脂肪族GSL合成，同时通过激活CYP79B2等基因促进吲哚族GSL生成。

健康价值关联发现

1. RAA水解酶TGG1在B42CR中高表达，其产物SFN可通过Keap1/Nrf2/ARE通路激活抗氧化酶；2) GBC水解产物吲哚-3-甲醇(I3C)经胃酸催化生成二吲哚甲烷(DIM)，具有多器官抗癌活性。

该研究首次揭示BoHY5是调控西兰花GSL代谢平衡的核心枢纽，其敲除株B42CR的RAA含量提升为功能型西兰花育种提供新材料。理论上阐明了光照信号通过HY5-MYB模块交叉调控不同GSL亚类合成的分子机制，实践上为通过基因编辑定向富集特定GSL(如抗癌成分RAA或GBC)提供了新思路。研究建立的"转录因子-代谢通路-健康效应"多维解析模型，为十字花科作物品质改良提供了范式。