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生物技术通报 | 酿酒葡萄VvOMTs基因家族鉴定及启动子功能分析
发布时间：
2026-02-23
来源：
生物技术通报
薛晓斌，宁琳，周鱼，刘虹君，高照祖，王振平，李栋梅
DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2025-0459
3-烷基-2-甲氧基吡嗪（MPs）是一类挥发性含氮杂环化合物，广泛分布于植物、昆虫、真菌和细菌中。在植物中，MPs赋予多种新鲜蔬菜（如豌豆、芦笋、生菜和马铃薯等）泥土风味，而在葡萄酒中，其赋予红葡萄酒“生青”味。目前，葡萄和葡萄酒中共检测到7种MPs，其中，3-异丁基-2-甲氧基吡嗪（IBMP）、3-异丙基-2-甲氧基吡嗪（IPMP）和3-仲丁基-2-甲氧基吡嗪（SBMP）被认为是影响葡萄酒风味的主要MPs。
MPs生物合成是由2个氨基酸分子直接缩合成环，在甲氧基转移酶（OMTs）作用下，将非挥发性的2-羟基-3-烷基吡啶（HPs）转化为MPs。迄今为止，已经从‘赤霞珠’‘美乐’‘品丽珠’‘长相思’和‘马瑟兰’等葡萄品种中鉴定出VvOMTs基因，其中，VvOMT2和VvOMT3被证明是葡萄果实中合成IBMP和3-异丁基-2-羟基吡嗪（IBHP）的关键基因。因此，研究VvOMTs基因家族结构和功能对MPs的生物合成至关重要。
OMT基因家族在植株生长发育和次生代谢物合成中发挥重要作用。目前，关于葡萄果实MPs生物合成，仅围绕在干旱胁迫下MPs含量变化、VvOMTs基因表达趋势、VvOMT2和VvOMT3基因功能验证层面进行研究，但VvOMTs基因家族启动子响应激素和干旱胁迫的上游调控等关键科学问题仍需开展深入的研究。
近日，《生物技术通报》在线发表了题为《酿酒葡萄VvOMTs基因家族鉴定及启动子功能分析》的文章。本研究基于葡萄全基因组水平对葡萄VvOMTs基因家族成员进行鉴定，利用生物信息学方法分析VvOMTs家族蛋白理化性质和基因结构等特性，采用瞬时转化烟草叶片验证VvOMTs基因家族启动子对激素和干旱的响应，以此解析其启动子参与上游调控的分子机制和功能，为进一步开展葡萄MPs生物合成的基因研究及分子育种奠定基础。
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本文主要包括以下几部分内容：
1 材料与方法
1.1 材料
1.2 方法
2 结果
2.1 葡萄VvOMTs家族成员鉴定及蛋白理化性质分析
2.2 葡萄VvOMTs家族成员上游启动子序列及顺式作用元件分析
2.3 葡萄VvOMTs基因启动子对脱落酸的响应
2.4 葡萄VvOMTs基因启动子对甘露醇的响应
2.5 葡萄VvOMTs基因启动子对MeJA的响应
3 讨论
4 结论
O-氧基转移酶（OMT）根据氨基酸序列、大小和底物偏好可分为两大类：I类CCoAOMTs和Ⅱ类OMTs。研究表明，多数OMTs基因主要参与甲基化木质素、花色苷及多氧基黄酮等次生代谢物质的合成，而葡萄中MPs仅存在于IBMP和SBMP的物质含量变化研究，并未对VvOMTs家族基因功能和启动子活性进行深入研究。葡萄中调控此类物质合成的VvOMTs家族仅存在基因定量数据的表面研究，并未报道出发挥功能的关键基因，未来可重点关注葡萄VvOMTs基因家族在调控花色苷等类黄酮物质中发挥的重要功能。
上游启动子序列顺式作用元件分析可以为植物生长发育、逆境胁迫和信号传导途径提供新线索。前人研究发现，水分胁迫可显著增加ABA和MeJA含量，抑制酿酒葡萄中MPs积累，本研究结果表明，VvOMTs家族基因的启动子区域中含有大量激素响应元件，VvOMT2和VvOMT3的启动子活性受MeJA、ABA和干旱胁迫的响应。此外，研究表明，西瓜CICOMT1参与褪黑素的生物合成提高西瓜对低温、干旱和高盐胁迫的耐性。水稻OsMPK6-OsWRKY67-OsNOMT模块调控樱花素的生物合成并增强稻曲病的抗性。因此，探讨ABA、MeJA和干旱对VvOMT2和VvOMT3的启动子响应对揭示MPs的积累规律和提高葡萄抗旱性至关重要。同时，VvOMT2和VvOMT3的启动子序列中存在大量光响应元件和转录因子结合元件，后期研究可聚焦光照处理和转录因子对VvOMT2和VvOMT3启动子的响应，进而揭示MPs生物合成的上游调控因子。
研究表明，小麦WRAB18基因启动子作用元件存在并受ABA（ABRE）、低温（LTRE）和赤霉素（GARE）信号分子的诱导调控，与本研究中VvOMT2和VvOMT3启动子响应ABA和MeJA的结果一致。此外，定点突变试验发现拟南芥中UGT79B2启动子上响应干旱胁迫的关键元件为DREB元件，而本研究发现VvOMT2和VvOMT3启动子响应干旱胁迫主要是ABRE/ABF元件发挥功能，这主要因为干旱胁迫诱导型基因主要通过依赖ABA途径（ABRE/ABF）和不依赖ABA途径（DREB）参与应答。本课题组前期研究表明，VvOMT2和VvOMT3是调控SBMP和IPMP的关键基因，VvOMTs蛋白均含有1个甲氧基转移酶功能的保守结构域，说明家族成员间差异较小，预示该家族基因在葡萄MPs合成中发挥相似的调控功能，但VvOMT1和VvOMT4的具体的调控机制有待进一步深入研究。在后期研究中，可转化葡萄果实和愈伤组织对VvOMT1和VvOMT4进行基因功能验证，同时利用分子生物学方法，以VvOMT2和VvOMT3的基因启动子区为靶点，筛选调控其启动子活性的上游转录因子，进而明确MPs生物合成的分子调控机制。
从葡萄基因组中共鉴定出4个调控甲氧基吡嗪合成的甲氧基转移酶基因（VvOMT1-4），定位细胞质膜并均匀分布在第3和12号染色体上。VvOMT2/3基因启动子参与干旱、ABA和MeJA响应，并受其调控。
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