红胡萝卜TXH4端粒到端粒基因组解析揭示DcLCYE与DcLCYB1调控番茄红素积累的分子机制

中国研究人员通过构建红胡萝卜TXH4的T2T（端粒到端粒）无间隙基因组，结合转录组和基因编辑技术，揭示了DcLCYB1（番茄红素β-环化酶1）和DcLCYE（番茄红素ε-环化酶）表达下调导致番茄红素在根部特异性积累的机制，为胡萝卜品质改良提供了重要基因组资源和分子靶点。

　　

胡萝卜作为全球重要的根茎类蔬菜，其丰富的颜色变异一直是育种研究的焦点。红胡萝卜TXH4是中国西部广泛种植的地方品种，因其优异的贮藏性和抗逆性备受青睐，但其高番茄红素积累的分子机制尚未阐明。随着基因组学技术的发展，构建高质量参考基因组成为解析这一问题的关键。然而，此前仅有两个橙胡萝卜品种（"Kurodagosun"和"Nantes"）完成T2T基因组组装，红胡萝卜的基因组资源仍属空白。

北京市农林科学院蔬菜研究中心（National Engineering Research Center for Vegetables, Beijing Vegetable Research Center）的研究团队通过PacBio HiFi、ONT超长读长和Hi-C测序技术，首次完成了红胡萝卜TXH4的T2T无间隙基因组组装（449.92 Mb），揭示了其与橙胡萝卜的基因组差异。研究发现，TXH4根部番茄红素含量高达叶片1965倍，而α-胡萝卜素和β-胡萝卜素仅为叶片的2.7%和3.5%。这种独特的代谢模式与根部DcLCYB1和DcLCYE基因的转录沉默密切相关。通过基因过表达和CRISPR/Cas9编辑实验，研究人员证实DcLCYB1同时调控α/β-胡萝卜素合成分支，而DcLCYE特异性影响α-胡萝卜素生成。双基因敲除导致愈伤组织呈现深红色且植株白化，说明这两个基因在类胡萝卜素代谢中具有功能冗余。该成果发表于《Horticulture Research》，为胡萝卜营养强化育种提供了新策略。

关键技术方法包括：（1）采用多平台测序（PacBio HiFi+ONT+Hi-C）构建T2T基因组；（2）基于转录组和qRT-PCR分析类胡萝卜素通路基因表达；（3）通过农杆菌介导转化获得DcLCYB1/DcLCYE过表达株系；（4）利用CRISPR/Cas9系统编辑橙胡萝卜"Kurodagosun"的靶基因。

基因组组装与特征
TXH4基因组重复序列占比48.6%，预测34,225个编码基因。与橙胡萝卜基因组比较发现，DcT2T和DcRef分别存在246万和204万SNP位点。Centromics分析显示着丝粒长度变异显著（Chr04 0.38 Mb-Chr09 3.48 Mb），且与SSR密度区域重叠。

类胡萝卜素代谢调控
UPLC检测显示TXH4根部番茄红素含量达392.9 mg/kg FW，而α/β-胡萝卜素不足叶片的4%。转录组分析发现DcPSY2（八氢番茄红素合成酶2）在根部特异性高表达，而DcLCYB1/DcLCYE几乎不表达。这种"一升两降"的表达模式是番茄红素积累的关键。

基因功能验证
过表达DcLCYB1使根部颜色由红转橙，α/β-胡萝卜素分别增加3.8/4.2倍；DcLCYE过表达则特异性提升α-胡萝卜素。CRISPR编辑实验证实，单敲除DcLCYB1或DcLCYE分别导致β-或α-胡萝卜素减少，而双敲除使番茄红素积累量提升15倍，但引起植株白化。

该研究不仅填补了红胡萝卜基因组空白，更揭示了DcLCYB1/DcLCYE协同调控类胡萝卜素代谢流的新机制。特别值得注意的是，中国红胡萝卜可能通过独立于西方橙胡萝卜的驯化途径演化，这为研究胡萝卜的多样化起源提供了分子证据。从应用角度看，精准调控这两个基因的表达可为培育高番茄红素或高维生素A胡萝卜品种提供分子工具，对功能性蔬菜育种具有重要指导意义。