水稻是全球半數以上人口的主糧，但傳統精米主要成分多為淀粉，營養相對單一。作為水稻近緣屬，菰屬植物保留了栽培稻丟失的高類黃酮、高蛋白、高生物量等優良性狀。中國菰米富含原花青素、花青素和黃酮糖苷等多種類黃酮。植物體內類黃酮的生物合成受MYB-bHLH-WD40（MBW）轉錄復合體調控。在前期研究中，中國菰ZlRc（bHLH）和ZlMYB1/2（MYB）基因過表達可改變水稻種皮顏色并顯著提高水稻種子類黃酮含量（Li et al., 2024；Qi et al., 2023），但關于中國菰WD40轉錄因子在類黃酮合成調控中的功能尚不明確。

近日，中國農業科學院煙草研究所（中國農業科學院青島特種作物研究中心）農業農村部合成生物學重點實驗室閆寧研究員課題組聯合中國農科院華東中心等單位，在Plant Physiology and Biochemistry發表了題為Overexpression of ZlTTG1 increases flavonoid content and antioxidant activity and enhances enzyme inhibitory effects in rice seeds的研究論文，揭示了中國菰WD40轉錄因子ZlTTG1基因在類黃酮生物強化中的利用價值。

在中國菰中，共鑒定到38個ZlWD40基因，分布在中國菰的15條染色體上。根據它們在染色體上的位置分布，依次命名為ZlWD40_01–ZlWD40_38，紅色標注的ZlWD40_24是本研究中的ZlTTG1基因（圖1）。同時，對中國菰ZlTTG1與水稻OsTTG1的核苷酸和氨基酸序列進行了比較。由比對結果可知，ZlTTG1與OsTTG1核苷酸序列相似度為89.88%，氨基酸序列相似度為89.42%（圖2AB）。此外，通過亞細胞定位可知，ZlTTG1蛋白定位于細胞核中（圖2C）。

圖1 中國菰WD40基因家族的染色體位置。其中，由紅色標注的ZlWD40_24是本研究中的ZlTTG1基因

圖2 中國菰ZlTTG1與OsTTG1核苷酸序列比對（A）、氨基酸序列比對（B）以及ZlTTG1亞細胞定位（C）

通過對ZlTTG1基因過表達水稻和CK水稻農藝性狀和產量進行測量發現，ZlTTG1基因過表達載體轉入水稻中并未改變水稻的株高、葉長、葉寬、分蘗數、單株穗數和單株產量。同時，ZlTTG1過表達改變了CK水稻種子的顏色，使其由淺棕色變為紫黑色（圖3A），并顯著提高了水稻種子總酚、總黃酮、總原花青素、總花青素含量以及抗氧化能力和酶抑制作用（圖3B-E）。

圖3 ZlTTG1過表達（ZlTTG1）與對照（CK）水稻種子表型和酚類化合物含量

在ZlTTG1與CK水稻種子之間共鑒定出597個差異表達基因（DEGs），其中有328個上調，269個下調（圖4A）。為深入解析ZlTTG1與CK水稻種子之間的DEGs以及挖掘潛在的功能基因，該研究采用層次聚類法對所有篩選得到的DEGs進行了系統性的歸類分析（圖4B)，并對ZlTTG1與CK水稻種子之間上調的DEGs所參與的代謝通路進行了富集分析（圖4C）。 在圖4C中，在這些富集的通路中， “類黃酮生物合成“途徑富集最顯著，而“內質網中的蛋白質加工”包含的DEGs數量最多。

圖4 ZlTTG1過表達（ZlTTG1）與對照（CK）水稻轉錄組分析

植物中類黃酮生物合成途徑見圖5，結合轉錄組分析結果，該研究對CK以及ZlTTG1水稻種子轉錄組中篩選到的類黃酮生物合成關鍵基因OsCHS、OsCHIL1、OsCHIL2、 OsF3H-1、 OsF3’H、OsDFR、OsANS和OsUGT707A3進行了表達量分析以及ANS、CHS、F3’H、F3H和 DFR酶活性測定。發現ZlTTG1基因過表達可以顯著提高水稻種子這些類黃酮生物合成關鍵基因的表達及其酶活性。

圖5植物類黃酮生物合成途徑

中國農業科學院煙草研究所閆寧研究員課題組近年來完成首個中國菰染色體水平基因組組裝（Yan et al., 2022），并通過共線性分析和轉錄組測序鑒定到中國菰落粒性相關基因（點擊查看：）。通過多組學聯合分析和轉基因功能驗證鑒定到了中國菰中的類黃酮合成關鍵基因（Yu et al., 2022）。其中，ZlRc基因過表達可提高水稻種子類黃酮含量和促進類黃酮關鍵合成基因的表達（Qi et al., 2023），ZlMYB1、ZlMYB2基因過表達可提高水稻種子花青素含量和促進花青素合成關鍵基因的表達（Li et al., 2024），ZlRc和ZlRd基因聚合過表達在不影響水稻農藝性狀的前提下顯著提高了水稻種子類黃酮含量（Ma et al., 2025）（點擊查看：）。以上研究為培育富含類黃酮的功能性谷物新品種的提供了新的基因資源和技術手段，對保障國家糧食安全和維護人民營養健康具有重要意義。

中國農業科學院煙草研究所碩士研究生王麗霞和馬晴為該論文共同第一作者，閆寧研究員和張忠鋒研究員為該論文的共同通訊作者。該研究得到中國農業科學院科技創新工程和山東省自然科學基金等項目的支持。

參考文獻：

（1）Li, W., Li, Y., Zhang, B., Ma, Q., Hu, H., Ding, A., et al. (2024). Overexpression of ZlMYB1 and ZlMYB2 increases flavonoid contents and antioxidant capacity and enhances the inhibition of α-glucosidase and tyrosinase activity in rice seeds. Food Chemistry, 460, 140670. doi: 10.1016/j.foodchem.2024.140670

（2）Ma, Q., Li, W., Wang, L., Zhang, H., Zhang, Z., & Yan, N. (2025). Co-overexpression of ZlRc and ZlRd increases flavonoid content, antioxidant activity, and inhibitory effects on against α-glucosidase, α-amylase, pancreatic lipase, and tyrosinase without affecting rice agronomic traits or yield. Plant Physiology and Biochemistry, 227, 110137. doi:10.1016/j.plaphy.2025.110137

（3）Qi, Q., Li, W., Yu, X., Zhang, B., Shang, L., Xie, Y., et al. (2023). Genome-wide analysis, metabolomics, and transcriptomics reveal the molecular basis of ZlRc overexpression in promoting phenolic compound accumulation in rice seeds. Food Frontiers, 4(2), 849-866. doi: 10.1002/fft2.234

（4）Yan, N., Yang, T., Yu, X. T., Shang, L. G., Guo, D. P., Zhang, Y., et al. (2022). Chromosome-level genome assembly of Zizania latifolia provides insights into its seed shattering and phytocassane biosynthesis. Communications Biology, 5, 36. doi: 3610.1038/s42003-021-02993-3

（5）Yu, X. T., Qi, Q. Q., Li, Y. L., Li, N. A., Xie, Y. N., Ding, A. M., et al. (2022). Metabolomics and proteomics reveal the molecular basis of colour formation in the pericarp of Chinese wild rice (Zizania latifolia). Food Research International, 162, 112082. doi: 11208210.1016/j.foodres.2022.112082

https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2026.111392