近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)菊花遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名SCI期刊《New Phytologist》在線(xiàn)發(fā)表了題為“A U-box E3 ubiquitin ligase CmPUB15 targets CmMYB73 to regulate anthocyanin biosynthesis in response to low temperatures in chrysanthemum”的研究論文，首次揭示了U-box型E3泛素連接酶CmPUB15響應(yīng)低溫，通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子CmMYB73調(diào)控花青苷積累，促進(jìn)花瓣著色的新機(jī)制。

菊花作為原產(chǎn)于我國(guó)的世界四大切花之一，通常在秋季冷涼季節(jié)綻放。10℃左右的低溫環(huán)境有助于花瓣中花青苷的積累，使得花朵顏色更加鮮艷。然而，這一現(xiàn)象背后的分子機(jī)制尚未完全明了。本研究鑒定到一個(gè)菊花花青苷生物合成的強(qiáng)抑制子CmMYB73，發(fā)現(xiàn)CmMYB73通過(guò)直接結(jié)合花青苷生物合成途徑的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因CmCHS（查爾酮合成酶基因）和CmCHI（查爾酮異構(gòu)酶基因）的啟動(dòng)子，抑制轉(zhuǎn)錄，從而負(fù)向調(diào)控花青苷的生物合成。進(jìn)一步研究表明，CmMYB73的轉(zhuǎn)錄水平在10℃低溫處理下顯著上調(diào)。一個(gè)菊花花青苷生物合成的強(qiáng)抑制子在促進(jìn)花瓣著色的條件下轉(zhuǎn)錄被激活，這種看似矛盾的現(xiàn)象暗示其背后可能存在一個(gè)新穎且重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，在10℃低溫條件下，CmMYB73對(duì)菊花花青苷生物合成表現(xiàn)出一種轉(zhuǎn)錄與翻譯水平上的“分子解耦”現(xiàn)象：盡管低溫顯著誘導(dǎo)了CmMYB73在mRNA水平上的表達(dá)，但其蛋白產(chǎn)物卻迅速降解，導(dǎo)致其功能無(wú)法有效發(fā)揮。團(tuán)隊(duì)以CmMYB73為誘餌，通過(guò)酵母雙雜交篩選庫(kù)，成功鑒定出一個(gè)在低溫條件下顯著誘導(dǎo)的U-box型E3泛素連接酶CmPUB15，推測(cè)其可能是CmMYB73的互作蛋白。進(jìn)一步采用酵母雙雜交（Y2H）、表面等離子體共振（SPR）等多種分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，驗(yàn)證了CmPUB15與CmMYB73之間的相互作用。

進(jìn)一步研究表明，CmPUB15能夠直接與CmMYB73蛋白相互作用對(duì)其進(jìn)行泛素化修飾。被泛素化修飾的CmMYB73蛋白依賴(lài)26S蛋白酶體降解途徑迅速降解。這一蛋白水平的動(dòng)態(tài)變化，解除了CmMYB73對(duì)花青苷生物合成結(jié)構(gòu)基因CmCHS和CmCHI的轉(zhuǎn)錄抑制，從而激活其表達(dá)，促進(jìn)花青苷在花瓣中的大量積累，最終使菊花在10℃低溫下呈現(xiàn)更加鮮艷的色彩。

圖1.CmPUB15通過(guò)CmMYB73促進(jìn)菊花花青苷生物合成

基于上述研究，本研究揭示了一種新的低溫誘導(dǎo)菊花花青苷積累的分子機(jī)制：在24℃條件下，CmMYB73通過(guò)抑制CmCHS和CmCHI等花青苷生物合成結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，強(qiáng)烈抑制菊花花瓣中花青苷的積累；在10℃低溫環(huán)境下，U-box型E3泛素連接酶CmPUB15表達(dá)顯著上調(diào)，通過(guò)與CmMYB73相互作用并對(duì)其進(jìn)行泛素化修飾，促使CmMYB73蛋白通過(guò)26S蛋白酶體途徑降解。這一過(guò)程有效解除了CmMYB73對(duì)下游花青苷生物合成結(jié)構(gòu)基因的抑制作用，最終導(dǎo)致花青苷在低溫條件下于花瓣中大量積累。該“雙重抑制解除”機(jī)制（double-negative logic）不僅闡明了低溫促進(jìn)菊花花色加深的分子基礎(chǔ)，也為深入理解其他植物中環(huán)境因子調(diào)控花青苷代謝提供了全新的研究思路。

圖2.CmPUB15-CmMYB73分子模塊調(diào)控低溫下菊花花青苷生物合成模式圖

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士耿志強(qiáng)和周李杰副教授為本文共同第一作者，陳發(fā)棣教授為通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士研究生王藝光（現(xiàn)工作單位浙江農(nóng)林大學(xué)）、王玉璽（現(xiàn)工作單位江蘇開(kāi)放大學(xué)），已畢業(yè)碩士研究生孫道金（現(xiàn)工作單位江蘇省中國(guó)科學(xué)院南京中山植物園），在讀博士研究生石振杰，菊花遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)何玉華老師、王海濱教授、蔣甲福教授和陳素梅教授參與了該研究。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目的資助。