花青素調(diào)控植物花色的研究進(jìn)展

劉國元 方威 余春梅 連博琳 陳艷紅 鐘非 張健

摘要?花色是觀賞植物最重要的特征之一，它的形成和調(diào)控受到多種內(nèi)外部因素的影響。因此，了解觀賞植物顏色產(chǎn)生的機(jī)理及其調(diào)控，為培育和改良觀賞植物顏色新品種提供了重要的理論依據(jù)和前提。概述了常見花色素，尤其是花色苷的合成和種類;重點(diǎn)介紹了MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控花青素影響花色的最新研究進(jìn)展，為觀賞植物花色改良提供了廣闊的背景。

關(guān)鍵詞?花色;花青素;觀賞植物;調(diào)控

中圖分類號?Q943.2?文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）03-0001-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.001

Abstract?Flower color is one of the most important characteristics of ornamental plants. Its formation and regulation is affected by a series of internal and external factors. The understanding of mechanism and regulation of ornamental plant color production provides theoretical basis for breeding and improvement of new ornamental plant varieties.This article summarized the common pigment， especially the synthesis and types of anthocyanins. It focuses on the latest research progress of MYB transcription factors regulating anthocyanins to affect flower color， which provides a broad background for flower color improvement of ornamental plants.

Key words?Flower color;Anthocyanidins;Ornamental plants;Regulation

植物花器官尤其是花瓣的顏色多種多樣，它不僅可以吸引傳粉者，同時(shí)也對保護(hù)植物花粉活性、提高授粉成功率有重要意義。植物開花后花器官暴露在陽光下，花瓣中類黃酮、類胡蘿卜素等物質(zhì)對維持紫外光線下花粉活性、防止花粉基因突變有重要作用。花色更是觀賞植物的重要性狀，對花色的研究一直是研究的熱點(diǎn)。

研究者們已經(jīng)對花瓣顏色的形成原因和調(diào)控機(jī)理進(jìn)行了大量的研究?；ㄉ男纬膳c花瓣自身的結(jié)構(gòu)、包含色素的種類及色素位置分布有關(guān)，受到外界環(huán)境因素以及自身遺傳因素的調(diào)控。外界環(huán)境因素主要包括溫度、光照、水等物理因素以及環(huán)境的pH、礦物離子、植物激素、糖類等化學(xué)因素。自身遺傳因素主要包括植物本身產(chǎn)生的色素類種類以及其合成過程中的相關(guān)調(diào)控基因的差異。筆者介紹了一些常見色素種類，并重點(diǎn)描述了花青素合成和調(diào)控相關(guān)的最新進(jìn)展，以利于更好地理解觀賞植物花色形成過程。

1?花瓣中色素分布

花的顏色與花瓣的組織結(jié)構(gòu)、花瓣細(xì)胞中色素的類型和數(shù)量有關(guān)，其中色素起主要作用?；ò甑慕M織結(jié)構(gòu)可分為上表皮、柵欄組織、海綿組織和下表皮4部分。色素在花瓣的上表皮中分布較多，在有些顏色較深度花瓣中，柵欄組織和下表皮也有色素分布[1-2]。雖然花瓣的海綿組織中沒有色素分布，海綿組織的厚度和密度會影響花色的亮度。海綿組織越厚越密，花瓣顏色越鮮艷[3]。

不同類型的色素在細(xì)胞中的亞細(xì)胞定位也不同。類胡蘿卜素一般在細(xì)胞質(zhì)的質(zhì)體中積累，類黃酮主要存在于液泡中。在有些植物花瓣表皮細(xì)胞壁中也檢測到黃酮類化合物的存在[4]。

2?色素的主要類型

迄今為止，根據(jù)色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞定位和生物化學(xué)合成途徑，可以把色素大致上分為三大類：類胡蘿卜素、類黃酮和生物堿。

2.1?類胡蘿卜素

類胡蘿卜素是自然界中分布最廣泛的色素，它又能分為胡蘿卜素和葉黃素兩大類。除了花，它們還存在于高等植物的果實(shí)、葉和根中。類胡蘿卜素一般表現(xiàn)出較為鮮艷的紅色、橙色和黃色，因?yàn)槠渲饕斩滩ㄩL的光[5]。在不同物種的花瓣中類胡蘿卜素的具體成分并不相同，在桂花中淡黃色花瓣含有少量β-胡蘿卜素，金黃色花瓣中葉黃素含量高，橙紅色花瓣中α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素含量較高[6];萬壽菊和黃色菊花的花瓣中只含有葉黃素[7-8];蓮花中含量較高的是紫黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)[9];文心蘭黃色花瓣中的主要成分是反式紫黃素和9-順式紫黃素[10];藏紅花花瓣中色素的主要成分是玉米黃素、β-胡蘿卜素和ζ-胡蘿卜素[11]。

2.2?類黃酮

黃酮類化合物是一大類次生代謝物，廣泛存在于植物體內(nèi)。一般來說，所有含有2-苯基色酮核結(jié)構(gòu)的物質(zhì)都可以稱為黃酮類化合物，也簡稱為類黃酮。類黃酮是最重要的色素類群，它產(chǎn)生的顏色范圍最廣，從淡黃色到藍(lán)紫色，是各種觀賞植物花瓣中最重要的色素之一，在菊花[12]、大麗花[13]、月季[14]、紫羅蘭[15]、芍藥[16-19]等物種中都已被報(bào)道是主要色素。在黃酮類化合物中，主要有紅色系、純黃系2種顏色系列。其中紅色系主要包括花青素，它能調(diào)控的顏色從粉紅色到藍(lán)紫色;其他黃酮類化合物主要屬于純黃系列，如深黃色的查爾酮和極光酮，淡黃色或近乎無色的黃酮和黃酮醇等。相同物種的不同顏色的花瓣中，黃酮類化合物的組成也可能有很大差異，如白色菊花中僅含有黃酮和黃酮醇，而粉紅色菊花中主要含有花青素、黃酮和黃酮醇[20]。

2.3?生物堿

生物堿是一類含氮的堿性有機(jī)物，主要包括甜菜堿、罌粟堿和小檗堿等。其中，甜菜堿是一種水溶性氮化合物，主要存在于紅色甜菜和一些植物的花、果、根、葉中。迄今為止，甜菜堿僅在石竹目植物中被檢測到，而且甜菜堿和花青素是不共存的[21-22]。甜菜青素和甜菜黃素的含量和比例可以決定花色是紅色、黃色還是中間色[22-23]。

3?花青素和花色

在三大類色素中，黃酮類化合物可以產(chǎn)生從淡黃色到藍(lán)紫色的全光譜顏色?；ㄇ嗨匾彩屈S酮類化合物的主要組成，表現(xiàn)出從粉紅色到藍(lán)紫色的廣泛的顏色，在植物的花色形成過程中起著不可替代的作用。目前已知的花青素有100多種[24]，其中有6種花青素在植物中比較常見，即天竺葵花青素、矢車菊花青素、飛燕草花青素、芍藥花青素、牽?；ɑㄇ嗨睾湾\葵花青素。芍藥花青素是由矢車菊花青素合成產(chǎn)生的，牽牛花花青素和錦葵花青素由飛燕草花青素合成而來的。因此，天葵花青素、矢車菊花青素和飛燕草花青素是3種最主要的花青素[25]。

由于花青素在植物中不能穩(wěn)定的單獨(dú)存在，它們可以與糖類以糖苷鍵結(jié)合，以花色苷的形式存在?？梢越Y(jié)合形成花色苷的糖基主要有葡萄糖、鼠李糖、木糖、半乳糖和阿拉伯糖，以及由他們組成的二糖或三糖，最常見的是3-單葡萄糖苷、5-二葡萄糖苷、3，5-二糖苷和3，7-二糖苷[26]。

花色苷是一種糖苷，由花青素和各種糖自然形成。它們穩(wěn)定地定位在植物器官中，已有研究表明，顏色差異與花色苷含量有關(guān)，Kazuma等[27]對白色、藍(lán)色等蝶豆花花瓣中的花色苷含量進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)花色苷的差異是各種顏色產(chǎn)生的重要原因。在銀杏[28]、豬籠草[29]等植物的花中均有類似報(bào)道。相同花青素結(jié)合的糖苷類型不同也會導(dǎo)致花色的差異，在睡蓮中，被檢測到的飛草花青素3-半乳糖苷（Dp3Ga）呈紅色，而飛草花青素3′-半乳糖苷（Dp3′Ga）呈藍(lán)色[30]。

3.1?花青素的生物合成及關(guān)鍵基因

花青素在植物中的生物合成途徑及關(guān)鍵基因已有過詳細(xì)報(bào)道[31]，其生物合成可以分為3個(gè)階段，初始合成底物是苯丙氨酸（圖1）。第1階段是苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羥化酶（C4H）和4-香豆酸輔酶A連接酶（4CL）催化苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為香豆酸輔酶A。第2階段是1個(gè)香豆酸輔酶A分子和3個(gè)丙二酰輔酶A分子先后在查爾酮合酶（CHS）、查爾酮異構(gòu)酶（CHI）、黃烷酮-3-羥化酶（F3H）、類黃酮3′-羥化酶（F3′H）和類黃酮3′5′-羥化酶（F3′5′H）的催化作用下生成二氫黃酮醇。第3階段是二氫黃酮醇4-還原酶（DFR）和花青素合成酶（ANS）催化二氫黃酮醇合成各種類型的花青素，然后進(jìn)一步在類黃酮葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（UFGT）和甲基轉(zhuǎn)移酶（MT）的作用下通過一系列的糖基化和甲基化步驟進(jìn)行修飾，與UDP-葡萄糖結(jié)合形成穩(wěn)定的花色苷。

CHS是植物花青素生物合成的第1個(gè)關(guān)鍵基因，在花色苷的合成和積累過程中起著重要作用。已有研究表明，CHS普遍存在于陸地植物、藻類植物中[32]。CHS在矮牽牛[33]、蝴蝶蘭[34]和芍藥[19]等觀賞植物中都已被鑒定出來。該基因家族的蛋白質(zhì)序列在不同的物種中高度保守，相似性高達(dá)80%～90%[35]。在矮牽牛中轉(zhuǎn)入CHS1基因可以使其花色由白色變?yōu)榉奂t色[36]，而在煙草中過表達(dá)海棠的CHS基因可以促進(jìn)花青素的積累得到深紅色花瓣[37]。

CHI是植物花青素生物合成過程中的第2個(gè)關(guān)鍵基因，它能催化查爾酮的異構(gòu)化。查爾酮在CHI蛋白的作用下被修飾成黃烷酮。植物中的CHI蛋白根據(jù)其可催化的底物可以分為兩類：①以6′-羥基查爾酮為底物，②6′-羥基查爾酮和6′-脫氧查爾酮為底物[38]。無論是哪種類型，CHI的表達(dá)會影響植物的類黃酮代謝水平，從而影響花色的發(fā)育。已有研究在康乃馨、紫錐花、仙客來和煙草等植物中發(fā)現(xiàn)CHI表達(dá)量的減少會導(dǎo)致花瓣中查爾酮的大量積累，使花瓣顏色變黃[39]。

F3H蛋白可以催化黃烷酮C3位羥基化生成二氫黃酮醇，它是類黃酮生物合成途徑分支點(diǎn)上的關(guān)鍵酶。該基因經(jīng)常與CHS和CHI共同調(diào)控并催化下游產(chǎn)物的形成[40]。該基因在肉桂[41]、雪蓮[42]和芍藥[19]等物種中已被克隆。

DFR是植物花青素生物合成途徑中的另一個(gè)關(guān)鍵基因，在花色發(fā)育中起著重要作用。DFR蛋白能將二氫楊梅素類黃酮、二氫槲皮素和二氫山奈酚3種類型的二氫黃酮醇還原為相應(yīng)的無色花青素，然后在下游基因修飾下合成各種花青素[43]。由于DFR表達(dá)的差異及其底物特異性會導(dǎo)致花色的變異，因此DFR對花色發(fā)育的調(diào)控機(jī)制一直是一個(gè)熱點(diǎn)。在亞洲百合[44]、龍膽[45]、芍藥[19]和雪蓮[46]等觀賞植物中均已鑒定到了DFR基因。在牡丹中發(fā)現(xiàn)DFR在花色苷積累較多的花瓣中表達(dá)量最高[19]。這些研究表明，DFR對花色發(fā)育的調(diào)控作用可能發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。

ANS是花青素生物合成過程的另一個(gè)關(guān)鍵基因。該基因在Fe2+和2-氧化戊二酸作用下催化亮氨酸花青素轉(zhuǎn)化為有色花青素[47]。前人研究表明，ANS在許多植物中由一個(gè)小的基因家族編碼，該家族已在連翹、非洲菊[48]和芍藥[19]等物種中被鑒定出來。ANS基因的缺失會導(dǎo)致連翹花瓣中花青素的減少[49]，藤本花中也發(fā)現(xiàn)該基因能調(diào)控花瓣顏色變化[50]。

3.2?轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控花青素合成

除了花青素生物合成途徑中的結(jié)構(gòu)基因外，許多轉(zhuǎn)錄因子已被報(bào)道可以通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)來調(diào)控花色的形成[51]。目前，已知的參與花色形成的轉(zhuǎn)錄因子主要有三大類：MYB、bHLH和WD40[52]，三者主要通過形成MBW復(fù)合體來調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，MYB轉(zhuǎn)錄因子是MBW復(fù)合體中的主要決定因子[53-54]。在MYB的3個(gè)亞型中，R2R3-MYB和R3-MYB型的轉(zhuǎn)錄因子通常被認(rèn)為與花青素的代謝和調(diào)控密切相關(guān)[55-56]。

3.2.1?R2R3-MYB類型轉(zhuǎn)錄因子與花青素合成。

已有研究表明，有些R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子對花青素合成途徑的結(jié)構(gòu)基因有促進(jìn)作用，而有些R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子抑制花青素合成途徑基因的表達(dá)[57]。在非洲菊中，GhMYB10能促進(jìn)花色苷的合成[58]。龍膽花GtMYB3基因的突變會引起花色漂白[59]，百合中LhMYB6和LhMYB12能正調(diào)控花青素的生物合成[60]。金魚草中首次鑒定到了抑制花青素合成的R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子AmMYB308[61]。隨后，草莓中FaMYB1[62]和FcMYB1[63]、矮牽牛中PhMYB27[56]、葡萄中VvMYBC2-L1/3和VvMYB4-like[57]、桃中PpMYB17-20、蘋果中MdMYB16和MdMYB15L、楊樹中PtrMYB182和PtrMYB57、水仙中NtMYB2相繼被鑒定到負(fù)調(diào)控花青素的合成。

然而，R2R3-MYB負(fù)調(diào)控花青素生物合成的分子機(jī)制目前仍未完全闡明，根據(jù)已有研究，主要有兩類R2R3-MYB阻遏因子能抑制花青素的合成，一類是FaMYB1-like類型的轉(zhuǎn)錄因子，

這種類型的阻遏因子不能直接與靶基因的啟動子結(jié)合，因此自身不能抑制轉(zhuǎn)錄，它作為一個(gè)輔阻遏蛋白結(jié)合到MBW復(fù)合體中，以抑制通常由MBW激活復(fù)合體靶向的基因。目前已知的該類轉(zhuǎn)錄因子主要有PhMYB27、FaMYB1、VvMYBC2、MdMYB15L、PtrMYB182和MtMYB2[56]。另一類是AtMYB4-like型阻遏因子，通過與花青素途徑中許多結(jié)構(gòu)基因的啟動子中的MYB基序結(jié)合，作為直接阻遏因子，導(dǎo)致該途徑的下調(diào)，它們通過其C末端結(jié)構(gòu)域的基序來抑制轉(zhuǎn)錄。

3.2.2?R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子與花青素合成。

除R2R3-MYB型轉(zhuǎn)錄因子外，擬南芥AtMYBL2和AtCPC、矮牽牛、龍膽GtMYB1R1和GtMYB1R9、楊樹PtrRML1、番茄SlMYBATV和SlTRY等R3-MYB型轉(zhuǎn)錄因子也能對花青素的合成產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用[56，64]。在酸漿草中，通過QTL定位的方式找到了一個(gè)調(diào)控花瓣花青素濃度的主效基因ROI1，也是R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子[65]。還有報(bào)道發(fā)現(xiàn)，ILMYBL1基因與曼陀羅中花色素的消失有關(guān)。BoMYBL2-1序列的缺失會導(dǎo)致紫色甘藍(lán)變種的產(chǎn)生。所有這些研究表明，R3-MY型轉(zhuǎn)錄因子對花青素的生物合成也有調(diào)控作用。

與R2R3-MYB阻遏蛋白相比，R3-MYB阻遏蛋白在調(diào)節(jié)花青素生物合成中的作用機(jī)制更不明確[56]。目前僅知道CPC-like類型的R3-MYB抑制子可以與bHLH蛋白以競爭方式相互作用，阻止MBW復(fù)合體的形成，從而負(fù)向調(diào)節(jié)花青素的產(chǎn)生，擬南芥和矮牽牛等物種中已對此進(jìn)行了證明[56]。

這些研究表明，正向和負(fù)向MYB調(diào)控因子之間表達(dá)水平的相互控制形成了一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控環(huán)來調(diào)控花青素的生物合成[56]。轉(zhuǎn)錄激活因子會誘導(dǎo)抑制子的表達(dá)，抑制子的表達(dá)會抑制激活因子的表達(dá)，同時(shí)，抑制子還會對自身的表達(dá)產(chǎn)生抑制作用[64]。目前這種調(diào)控模式已在矮牽牛[56]、楊樹、葡萄、擬南芥等物種中被報(bào)道。

4?總結(jié)

植物的花色是多種因素共同作用的結(jié)果，前人已對色素的種類、成分、含量、生物合成途徑、關(guān)鍵基因以及相關(guān)調(diào)控基因進(jìn)行了深入的研究，對許多觀賞植物花色差異的形成有了較為深入的認(rèn)識。這些研究對植物花色、葉色等顏色差異的調(diào)控機(jī)制以及相關(guān)色素的合成代謝和積累的研究有重要作用，為觀賞植物花色發(fā)育與調(diào)控的研究、新品種的培育帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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