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Cloning and Functional Verification of R2R3-MYB Transcription Factor TaMYB3-4D in Wheat

小麦R2R3-MYB转录因子TaMYB3-4D的克隆及功能分析



全 文 :书西北植物学报!
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文章编号#""")&"!
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收稿日期!"#&)#!)!* &修改稿收到日期
!"#)"#)%" 基金项目中国科学院知识创新工程重要方向项目&国家自然科学基金"
%#!"%!!
#&中国科学院西部之光项目
作者简介王延谦" #01(
#!男!在读博士研究生!主要从事小麦遗传育种研究
2)34-5
64/ 78 4/ 9 -4/!""& ! #%+:;3 " 通信作者张怀刚!博士!研究员!博士生导师!主要从事小麦遗传育种研究
2)34-5
<7=<4/7!/6>?+:4.+:/%&()* 转录因子 123%&++4
的克隆及功能分析
王延谦#!!%!张
!
波#!%!陈文杰#!%!刘登才#!%!刘宝龙#!%!张怀刚#!%"
"
#
青海省作物分子育种重点实验室!西宁
1#"""#
&
!
中国科学院大学!北京
#"""&0
&
%
中国科学院高原生物适应与进化重点实验
室!西宁
1#"""#
#

!
@AB 转录因子是植物最大的转录因子家族之一!广泛参与植物各种生理生化过程该研究通过对小麦基 因组测序数据库进行同源搜索!利用电子克隆技术从紫色籽粒小麦品种(高原 ##
)中分离得到了一个新的
!"#
基因
%!"#%&&
仅含有一个内含子!其编码蛋白含有
!
个连续的
@AB
结构域!为典型的
C!C%)@AB
蛋白
D4@AB%)&E
系统发生关系上与调控花青素合成的
@AB
基因亲缘关系较近
%!"#%&&
基因仅在(高原
##)!!%!"#%&&
基因是一个具有调控花青素合成代
谢功能的
-!-%&!"#
基因!很有可能参与小麦花青素的生物合成
关键词小麦& @AB 转录因子&花青素 中图分类号
F*1& F*10 文献标志码
G
,-".#.
/
0.!12.34#".0-567#8#304#"."8&()*
970.:37#
;
4#".1034"7123
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W-;/X4:W;T-.;/N;XW7
N.W
7
N/NX43-5-N.-/
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7
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7
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7
N/N$%!"#%&&64.-.;54WNYXT;3
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8
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8
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7
R54W-/
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8
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8
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-:45:<4T4:WNT-.W-:;XW>
W-;/X4:W;T+DT4/.-N/WN>
TN..-;/
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NT-3N/W..<;6NYW<4W$%!"#%&&-/YR:NYW>
W-5N:N5.;X6>
T-/
7
"
M[
#
W;.
8
/W8
4/-/.6-W>
;X()*)WT4/.:T-
>
W-;/X4:W;T+,--/5-
7
!
WCD)SMC4/45
8
.-..<;6NYW<4W
)!
?RW/;W-/T;;W
!
.WN3.4/Y5N4UN.+G5;XW77
N.WNYW<4W$%!"#%&& 64.4
C!C%)@ABWT4/.:T-
>
W-;/X4:W;TTN
7
R54W-/
7
4/W<;:
8
4/-/.?-;.
8
/W@6
A
B"7!:
./0/12,%340/52,
&
@ABWT4/.:T-
>
W-;/X4:W;T
&
4/W<;:
8
4/-/.?-;.
8
/W!!
@AB
转录因子是植物最大的转录因子家族之
一这些
@AB
转录因子均含有一个或多个较为保
守的
EIG
结合域+++
@AB
结构域!每个
@AB

构域"
""%
氨基酸残基#含有
%
个规则分布的色
氨酸残基,#)%-根据所含
@AB
结构域的数目与位
置!植物中的转录因子可分为
&
个亚类&C)@AB "含 & 个相连的 @AB 结构域#& %C)@AB " C#C!C%) @AB #& C!C%)@AB 和 @AB)TN54WNY > T;WN-/ "含 # 个或 ! 个间隔的 @AB 结构域#,&)-最早的 !"# 基因" ! &, 6 ( #是 #01! 年从鸟类的原癌病毒中发现 的,*-在植物中发现的第一个 @AB 转录因子是 +,7# , 1 - 在拟南芥*玉米*水稻*矮牵牛*葡萄*苹 果等植物中已经发现了大量的 @AB 转录因子!其 中 -!-%&!"# 基因的比例较大,0)#!-拟南芥中已 发现 #!

-!-%&!"#
基因!占拟南芥基因组编
码基因的
"+!]
"
"+]
,
#%
-

-!-%&!"#
转录因子
广泛参与植物的生理生化过程!如调控初级或次生
代谢途径!控制细胞分化和细胞周期!抵御植物生长
发育中的各种生物或非生物胁迫,#&-等植物中分
离到并进行功能验证的
-!-%&!"#
转录因子大多
调控初级和次生代谢途径!特别是调控类黄酮类次
生代谢途径如拟南芥中
80!"###
调控所有组织
中黄酮醇的生物合成!
80!"#0"
调控营养组织中
花青素的生物合成!
80!"##!%
调控种皮的原花青
素合成,#)#*- 花青素属于重要的次生代谢产物+类黄酮化合 物!是一种水溶性色素!赋予植物器官和组织五颜六 色!具有吸引昆虫帮其传粉的作用植物中的花青 素还具有保护植物免受紫外线的伤害的功能同时 其对人类也具有重要的作用!如其抗氧化*抗病毒* 抗癌*抗衰老*增强人体免疫力等功效,#1)#0-在植物 中发现的第一个 @AB 转录因子 +,7# 就是调控玉 米籽粒的颜色,1-普通小麦中与花青素合成代谢相 关的性状有紫色花药*红色叶耳*紫色胚芽鞘*紫色 茎干*红粒*紫粒和蓝粒等这些性状的 FDO 都进 行了初步定位,!")!#-小麦的红粒性状已经定位到小 麦的 %GO * %BO * %EO 染色体组上!并且克隆到了 @AB 类转录因子%!"##"&%8
*
%!"##"&%
基因!利用自然群体证明了目标基
因是红粒性状的主效基因,!!-与红粒性状类似!控
制小麦胚芽鞘紫色基因定位于
*G
*
*B
*
*E
的短臂
上!距着丝粒
#" !":@ !在 &BO 上还有一个加性 位点!推测也是由 @AB 类转录因子控制,!"-李振 声先生的蓝粒小麦的主效基因定位到长穗偃麦草的 &2 染色体上!并对结构基因查尔酮合成酶" ML[ #和 类黄酮 )%^^)
羟化酶"
_%^^L #在蓝粒小麦花青素合 成代谢中的作用进行了分析!但这些基因都不是蓝 粒性状的主效基因,!%- 本研究以富含花青素的紫色籽粒小麦品种+++ (高原 ##
)为研究材料!从中分离克隆出一个
C!C%)@AB
转录因子

)是中国科学院西北高
原生物研究所培育的普通小麦品种!
""#
年通过了
青海省农作物品种审定委员会审定在其籽粒和胚
芽鞘中都有明显的花青素积累!表现为紫色在温
室条件下培养
%Y
后剪取胚芽鞘!
#"Y
后剪取根和
叶片大田种植情况下!开花后
!#Y
分别剪取茎
秆*叶片及未成熟的种子所有样品液氮冻存后保
存于
(1"`
中用于提取
EIG

CIG
瞬时表达
所用小麦品种(中国春)由青海省作物分子育种重点
实验室保存!(中国春)的胚芽鞘根据
L-3-
等,!&-的
流程准备
CD%
!
植物基因组
EF>
*总
F>3EF>A4/,!-改良的
MDGB
法提取(高原
##)的基因组 EIG 采用植物总 CIG 快速提取 试剂盒 CIG > TN > SRTNS54/WV-W " D-4/ 7 N/ #提取(高 原 ##
)的根*茎*叶*未成熟种子以及胚芽鞘的总
CIG
用微量紫外检测仪
IGIaECaS!"""M
"
D3;
#测量
EIG

CIG
样品浓度用反转录试剂盒
CNUNTWG-Y_-T.W[WT4/Y:EIG[
8
/W"
D3;
#将
#
#
7
植物总
CIG
反转录为
:EIG

CD&
!
1$23%&++4
基因的克隆
玉米中
+,7#
是植物中克隆到的第一个与花
青素合成代谢相关的
@AB
类转录因子!用
+,7#
基因核苷酸序列在普通小麦基因组数据库"
W
>
.

PHJ[M
.
:.
b!
.
4?
.
c*#
.
:;/W-
7
.
.
5;/
7
NTW<4/
.
!""
.
#&%00*
通过对核苷酸序列的
生物学信息分析!将目标基因命名为
%!"#%&&
基因编码区的特异
引物
D43
8
?%)&E)_

D43
8
?%)&E)C
"表
#
#
D4@AB%)&E
编码区的扩增使用高保真
EIG
聚合酶"
D#在
JN/NG3
>
SMC
*&
&

!!!!!!!!!
王延谦!等C!C%!"#%&&
的克隆及功能分析

C
!
引物名称及序列
D4?5N#
!
[N
9
RN/:N.;XW>
T-3NT.
引物名称
ST-3NT/43N
引物序列
ST-3NT.N
9
RN/:N
"
^ # %^ # D43 8 ?%)&E)_ 4W 7777 4 77 4 777 : 7 W 77 4 7 W 7 :: D43 8 ?%)&E)C WW44W:: 7 ::4W:W 7 :4 777 4 7 DR?R5-/)_ W 7 4 77 4:W 77 W 7 :WW4:: 7 : DR?R5-/)C 7 :4::4W:444::W:4 777 4 D43 8 ?%)&E4WWB#X;T64TY 44444 7 :4 77 :WW:4W 7777 4 77 4 777 : 7 W D43 8 ?%)&E4WWB!TNUNT.N 4 7 444 7 :W 777 W:4W:: 7 ::4W:W 7 :4 7 4WWB#4Y4 > WNT 7777 4:44 7 WWW 7 W4:444444 7 :4 77 :W 4WWB!4Y4 > WNT 7777 4::4:WWW 7 W4:44 7 444 7 :W 777 W [ 8 .WN30*"" " G >> 5-NYB-;. 8 .WN3. # SMC 扩增仪进 行 SMC 程序为
01`
预变性
!3-/
&
01`
变性
#.!`
退火
%".
!
*!`
延伸
%".
!
%个循环& *!` 延伸 #"3-/  SMC 反应产物在 #+"] 琼脂糖凝胶上 进行电泳分离检测!将目的带切胶并用琼脂糖凝胶 回收试剂盒 D-4/ 7 N/DPGI 7 N5@-Y-SRT-X-:4W-;/V-W "天根! D-4/ 7 N/ #回收目的基因将回收的 SMC 产 物连接至 > J2@)D24. 8 " ST;3N 7 4M;T > ;T4W-;/ #载 体上!转化大肠杆菌 EL
!阳性克隆送至华大公司 测序 C+ ! 生物信息学分析 使用 bN:W;TIDP#" 软件" P/U-WT; 7 N/ #进行序 列拼接及比对利用 ST-3NTST-3NT+"
软件进行
引物设计使用
@2JG&+"
构建
@AB
蛋白的系
统进化树,!-利用
JN/N[WTR:WRTNE-.
>
54
8
[NTUNT
"
>
9I,2(29/:
为内标基因!引物为
DR?R5-/)_

DR?R5-/)C
"表
#
#使用特异性引物
D43
8
?%)&E)_

D43
8
?%)&E)C
进行
CD)SMC
!检


)不同组织"根*
茎*叶*未成熟种子及胚芽鞘#中的表达情况
!
!
结果与分析
%DC
!
123
)基因组
EIG
和种皮
:EIG
中扩增得到了
?
>
!编码
!!&
个氨基酸!与
SMC
产物的电泳结果是一致的编码
一个典型的
C!C%)@AB
蛋白!在
C!

C%
结构域
中均含有保守的色氨酸残基
H
!这表明
%!"#%&&
基因的潜在功能!构建了拟南芥和小麦
-!-%&!"#
基因的系统进化树"图
!
#
!%!"##"&8#
*
%!"##"&#
基因关
系最近!而这
&
个基因均调控类黄酮的生物合成其

80!"##!%
%
!!$]
&与葡萄
bU@A)
BG#
一致性为
%"+1]
!与拟南芥
GW@AB#!%
%
DD!

%1+&]
!而与小麦
D4@AB#"
达到
&#+#"]

+,7#
是在玉米中发现的第一个与花青素合成有关

@AB
转录因子!它的结构与功能已研究得较为
清楚,!0-氨基酸序列的比对发现!
D4@AB%)&E

K3M#
少了
&0
个氨基酸残基&在保守区的一致性很
高!仅有
#&
个氨基酸残基的替换!同时在
C%
结构
域中均存在一个与
?LOL
蛋白相互作用的结构原
件&在
M)
末端有一个与
K3M#
相似的转录激活区
"图
#
!
M
和图
%
!
G
#
@AB
基因结构图显示!
%!"#%&&
仅有
#
个内含子!而
其 它 的
@AB
基 因 则 有
!
个 内 含 子"图
%
!
B
#
1&
西
!

!

!

!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%卷 图 # !%!"#%&&
基因的
SMC
克隆*编码区序列及推测的氨基酸序列
G+
(高原
##)基因组 EIG & B+ (高原 ##
)种皮
:EIG
&
M+
阴影部分为保守的
@AB
结构域!黑体字为
@AB
结构域保守的色氨酸"
H
#残基!横线部分表示

?LOL
蛋白作用的
E
%
2O!
C
%
V%
O
O%
C
结构元件!虚线部分为可能的转录激活区
_-
7
+#
!
D7
4T;.N
7
N5N5N:WT;
>
<;WN.-.;XSMC
>
T;YR:W.
!
/R:5N;W-YN.N
9
RN/:N
4/YYNYR:NY43-/;4:-Y.N
9
RN/:N;X
)
7
N/;3-:EIG
&
B+
(
J4;
8
R4/##$
)
WN.W4:EIG
&
M+IR:5N;W-YN.N
9
RN/:N4/YYNYR:NY43-/;4:-Y.N
9
RN/:N
;XD4@AB%)&E+D7
-;/.TN
>
TN.N/WW7
Y;34-/+D>
TN.N/WWWT
8>
W;
>
<4/TN.-YRN.-/@ABY;34-/+D%
2O!
C
%
V%
O
O%
CW<4W
>
TNY-:4WNYW;45;6
-/WNT4:W-;/6-W>
T;WN-/+D7
-;/..<;6W>
RW4W-UNWT4/.:T-
>
W-;/4:W-U4W-;/Y;34-/

!
!
拟南芥和小麦
C!C%)@AB
蛋白的系统进化关系
GW@AB
为拟南芥
@AB
基因!
D4@AB
为小麦
@AB
基因&圆点为本研究中
D4@AB%)&E
转录因子&方点为小麦

%
同源群的
@AB
基因&箭头为拟南芥
C!C%)@AB
分类中的第
7+!!S<85;7N/NW:WTNN;XC!C./0/12,%340/52,4/Y8.%(/;<
=
4/40>%9/%:%
GW@ABTN
>
TN.N/W@AB
7
N/N.;X8.%(/;<
=
4/4
!
D4@ABTN
>
TN.N/W67
N/N.+D8
Y;W+
D9
R4TN
>
;-/W-/Y-:4WNY67
N/N.-/%G
!
%B4/Y%E+D7
T;R
>
/:5RY/7D4@AB小麦
C!C%)@AB
转录因子
%!"#%&&
一个内含子的丢失可能伴随着部分
编码区的删除!导致其编码氨基酸序列的变短
%D&
!
123%!"#%&
&
的功能从图
&
中可以看出!当
%!"#%&&
是一个调控
花青素生物合成的
@AB
转录因子但是单独的
23%&++4
在不同组织中的表达分析
以微管蛋白基因
2(29/:!CD)SMC%!"#%&&
基因在(高原
##)
?5!"#8#
"
GB####"#
#*
80!"##!%
"
IM
.
""%"*
#*
+,7#
"
G_%!"#%
#*
00*!#
#*
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#*
$%!"##"&8#
"
GB#0#&"
#
_-
7
+%
!
JN/N.WTR:WRTN.4/Y43-/;4:-Y.N
9
RN/:N45-
7
/3N/W.;X
>
4TW-45@AB
7
N/N.TN
7
R54W-/
7
X54U;/;5?-;.
8
/W>
54/W.
G+D9
RN/:N45-
7
/3N/W.;XD4@AB%)&E
!
K3M#4/YD4@AB%)&B+D>
TN.N/W@ABY;34-/
!
.;5-Y?;.<;6.@AB4/Y?LOL
>
T;WN-/.-/WNT4:W-;/N5N3N/W
!
Y4.>
W-;/454:W-U4W-;/TN
7
-;/.
&
B+JN/N.WTR:WRTN.;X
>
4TW-45
@AB
7
N/N.TN
7
R54W-/
7
X54U;/;5?-;.
8
/W>
54/W.
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!
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+,7#
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G_%!"#%
&
80!"##!%
!
IM
.
""%"*
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00*!#
&
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&
$%!"##"&8#
!
GB#0#&"
#
+D8
5-/YNT.TN
>
TN.N/WN\;/.
!
5-/N.TN
>
TN.N/W-/WT;/.

&
!
小麦胚芽鞘中基因枪介导的瞬时表达分析
G+
胚芽鞘部分放大图&
B+
瞬时表达后胚芽鞘全图&
D4@AB%)&E
*
K3C
*
K3M#
分别表示使用
>
BT4:W!#&)D4@AB*E
*
>
BT4:W!#&)K3C

>
BT4:W)K3M#
质粒轰击胚芽鞘&
MV
表示使用空载体
>
BT4:W!#&
轰击胚芽鞘
_-
7
+&
!
D>
W-5N.WTN4WNY6-W
TN..-;/;XY-XXNTN/W
7
N/N.
MV4/YK3C
!
K3M#
!
4/YD4@AB%)&ETN
>
TN.N/WNYW>
54.3-Y.
>
BT4:W!#&
!
>
BT4:W!#&)K3C
!
>
BT4:W!#&)K3M#
!
4/Y
>
BT4:W!#&)D4@AB%)&ER.NY-/W!
TN.
>
N:W-UN5
8
"西!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!


!%!"#%&&
基因在(高原
##) 不同组织中的表达情况 P[+ 未成熟种子& M+ 胚芽鞘& C+ 根& [+ 茎& O+ 叶 _- 7 +
!
D
TN..-;/
>
T;X-5N.;X$%!"#%&&
-/6(
J4;
8
R4/##) P[+P334WRTN.NNY. & M+M;5N; > W-5N. & C+C;;W. & [+[WN3. & O+ON4UN. 同组织中的表达!结果只在未成熟的种子和胚芽鞘 中检测到了%!"#%&&
基因的表达!在其它组织
"根*茎*叶#中并未检测到"图
#而在田间和实验 室的观察发现!(高原 ##
)的种皮及胚芽鞘均呈现
紫色!这是否暗示着
%!"#%&&
与调控种皮中的花青素或原花
青素代谢的拟南芥
80!"##!%
%
$$!
以及小麦
$%!"##"
进化关系最为接近!具有调控花青素合
成代谢的保守结构域在玉米
?LOL
转录因子
+,-
的参与下
$%!"#%&&
基因能够诱导胚芽鞘
中花青素的合成!而单独
$%!"#%&&
基因不能诱
导花青素合成
L-3-
等,!1-在
D4@AB#"
以及其它
参与调控类黄酮代谢的
@AB
转录因子的
M)
端中发
现了一个保守的氨基酸模块
PCDVGO
%
PCM
!推测该
模块在调控类黄酮的生物合成中起着重要的作用

D4@AB%)&E
推导的氨基酸序列中我们没有发现
该保守模块!很可能这就是单独
$%!"#%&&
基因
不能调控花青素合成代谢的原因当
$%!"#%&&
和玉米
?LOL
基因
+,-
共表达时!大量的胚芽鞘
细胞中积累了花青素!很有可能
D4@AB%)&E

?LOL
蛋白形成异源二聚体时能够弥补缺失的
PCDVGO
%
PCM
模块而调控花青素的代谢这些都
说明
D4@AB%)&E
是一个具有调控花青素合成代谢

@AB
类转录因子
$%!"#%&&
在普通小麦品种(高原
##$
)积累
花青素合成的部位都有较高的表达量!而在无明显
花青素合成代谢的部位或组织表达量较低同时
$%!"#%&&
具有调控花青素合成代谢的功能!因
此该基因很有可能参与了调控(高原
##$
)中花青素
合成代谢在小麦中控制红粒性状的主效基因定位

%GO
*
%BO

%EO
染色体!蓝粒性状定位于
&2
染色体!紫粒性状定位于
!GO

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染色体!紫杆
性状定位于
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染色体!紫色花药性状定位于
*E[
染色
体上这些已定位到的小麦中花青素合成代谢相关
性状的主效基因还没有一个是在
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染色体上!因

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参与了小麦中花青素的合成代谢
调控!但还不是小麦中花青素合成代谢相关性状的
主效基因,%"-蓝粒小麦的主效基因定位于长穗偃
麦草的
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染色体上,!%-!
&2
与普通小麦的第
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同源
群在进化关系上最为接近
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染色体上有没有与
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基因同源的
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转录因子以及该转
录因子对蓝粒性状形成中的作用还需要进一步的研
究和验证
本实验通过对小麦基因组测序数据库进行同源
搜索!利用电子克隆技术从紫色籽粒小麦品种(高原
##$
)中分离得到了
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个新的
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基因
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仅含有
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含有两个连续的
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蛋白
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花青素合成的
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亲缘关系较近
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基因
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瞬时表达能够诱导白色胚芽鞘
中花青素的合成此外!
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基因仅在高
含花青素的种皮和胚芽鞘中表达!在根*茎*叶中均
未表达这些结果表明!
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是一个具有
调控花青素合成代谢的
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基因!很有可能参与
小麦花青素的生物合成
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