四川农业大学研究生，四川农业大学研究生院
紫外辐射UV-B既是植物自然选择的主要力量，也是作物减产的重要原因。探究植物如何适应陆地多变环境，适应UV-B胁迫的分子机制是提高植物抗逆性、提升作物产量的重要课题。近日，四川农业大学生命科学学院“荞麦代谢调控与逆境生物学”团队在Plant Communications在线发表了来自题为Integrated network analyses identify MYB4R1 neofunctionalization in the UV-B adaptation of tartary buckwheat的研究论文，揭示了苦荞UV-B辐射适应性进化新机制。
研究人员应用计算生物学方法整合了不同物种近万个样本的多组学数据，剖析了UV-B响应的协同功能网络 （图1） ；并通过一系列分子生物学试验，揭示了MYB4R1新功能化在苦荞UV-B适应性进化中的关键作用。
图1. 多组学数据构建植物UV-B响应的协同功能网络
苦荞起源于喜马拉雅地区，长期受到强烈的UV-B辐射，是研究植物新型UV-B响应机制的理想物种。该研究通过对协同功能网络的剖析，发现类黄酮生物合成与UV-B反应显著相关；结合选择压力与遗传算法分析发现，居于协同网络中心的MYB4R1基因在苦荞进化过程中受到了正选择，其经历了新功能化。UV-B处理后，苦荞果实颜色显著改变，类黄酮物质含量显著增加，果实特异性FtMYB4R1基因表达下调，推测其在长期自然驯化中通过调节类黄酮合成，以抵御UV-B从而保护苦荞果实。体内外试验证实了FtMYB4R1通过与FtCHS、FtFLS和FtUFGT启动子中L-box结合，负调控类黄酮和花青素的积累 （图2） 。
图2. FtMYB4R1调控苦荞黄酮合成与籽粒颜色的作用机理
此外，研究人员基于暴露于全国不同UV-B辐射区域的苦荞自然群体，利用人工智能技术建立了荞麦类黄酮含量的视觉识别模型 （图3） ，帮助从业人员仅凭双眼就能快速识别高芦丁含量的苦荞品种。
图3. 荞麦黄酮含量的视觉识别模型
综上，该研究强调了基因新功能化在UV-B适应中的关键作用，为丰富生物适应性进化理论及极端环境下的分子育种提供基础。
生命科学学院生物化学与分子生物学专博士毕业生刘默洋为论文第一作者，现为上海交通大学农业与生物学院助理研究员；生命科学学院陈惠教授和华北理工大学王希胤教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划 和国家自然科学基金 等项目的资助。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100414
四川农业大学研究生(四川农业大学研究生院)