植物花青素代謝途徑相關(guān)基因的研究進(jìn)展

羅天俊

摘 要 植物的花色在其觀賞價(jià)值的表觀性狀中占有非常重要的地位，這一特點(diǎn)在被子植物中尤為顯著。植物表觀遺傳研究中，花色也往往被認(rèn)為是重要內(nèi)容之一，而花青素在決定花色中扮演著重要角色。近年來(lái)，花青素代謝途徑是植物界的研究熱點(diǎn)，主要綜述了參與植物花青素代謝途徑中的相關(guān)基因，為開(kāi)展植物表觀遺傳在生物工程技術(shù)中的改良實(shí)踐和豐富園林花卉可利用種類提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 花青素;代謝途徑;花卉;表觀遺傳

中圖分類號(hào)：S565.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.16.064

植物的花色主要受外部因素和內(nèi)在因素的影響，外部因素包括光照、溫度等一系列環(huán)境因素，內(nèi)在因素是遺傳因素，主要指植物細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境和花瓣的構(gòu)造等對(duì)花色的重要影響。但是，外部因素和內(nèi)在因素最終都需要作用于花青素（屬黃酮類），進(jìn)而決定花的顏色，花青素是重要的植物色素之一。

近年來(lái)，花青素在生物代謝方面的研究已經(jīng)取得了充分進(jìn)展，其中有關(guān)花青素的代謝途徑和相關(guān)基因的研究報(bào)告相對(duì)較多。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，圓葉牽牛（Ipomoea purpurea Lam.）等觀賞植物的開(kāi)花過(guò)程與花青素有著明確的關(guān)系，這種關(guān)系存在于花青素合成途徑遺傳因子發(fā)育模式與花青素積累之間?；ㄇ嗨氐拇x受到多種結(jié)構(gòu)基因、酶、控制基因及外界刺激的調(diào)控，如micro RNA、LBD遺傳因子家族、光照、植物激素等。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在一系列先進(jìn)技術(shù)的作用下，生物技術(shù)蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的相關(guān)研究成果逐漸闡明了不同的植物花青素代謝途徑的分子控制機(jī)制差異。但還有很多經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的植物，其與代謝途徑有關(guān)的基礎(chǔ)機(jī)理尚待探索。本文主要總結(jié)了與植物花青素代謝途徑有關(guān)的遺傳因子，并總結(jié)了利用生物工程技術(shù)對(duì)植物的表觀遺傳進(jìn)行優(yōu)化改良等的相關(guān)理論

基礎(chǔ)。

1 花青素的結(jié)構(gòu)

花青素以3，5，7-三羥基-2-苯基苯（并）吡喃羊鹽（三羥基羊鹽、trihydroxyflavylium）為基本碳骨架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），根據(jù)在苯環(huán)B上不同的取代位置、數(shù)量、羥基類型，形成不同的花青素[1]。A、C環(huán)的結(jié)構(gòu)相似，但需修飾增加穩(wěn)定性，其中修飾作用、溶液環(huán)境和花青素二維堆積也導(dǎo)致花青素顏色發(fā)生改變[2]。花青素大多具有良好的水溶性，使得許多植物含水量高的組織中含有大量花青素，如花和果實(shí)。較高的花青素含量在組織中表現(xiàn)出深紅、橙色、藍(lán)色、紫色等性狀。

目前已發(fā)現(xiàn)的天然花青素有500多種，其中最常見(jiàn)的是芍藥色素（Peonidin，Pn）、錦葵色素（Malvidin，Mv）、飛燕草色素（Delphindin，Dp）、矮牽牛色素（Petunidin，Pt）、矢車菊色素（Cyanidin，Cy）、天竺葵色素（Pelargonidin，Pg）6種。

2 花青素的代謝途徑

20世紀(jì)90年代以來(lái)，花青素的代謝途徑研究日臻成熟，其基本代謝途徑如圖2所示。代謝過(guò)程至少涉及12種結(jié)構(gòu)遺傳因子（ANS、PAL、AT、C4H、4CL、CHS、DFR、CHI、F3H、F3H、F3H、UD3GT）和3種轉(zhuǎn)錄因子（bHLH、MYB、WD40）。結(jié)構(gòu)基因主要用于編碼對(duì)應(yīng)類別的酶，轉(zhuǎn)錄因子主要用于調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的活動(dòng)。

2.1 花青素的合成

如圖2所示，花青素的合成主要分3個(gè)階段。

1）苯丙氨酸按順序經(jīng)苯丙氨酸解氨酶（Phenyla-lanineammonialyase，PAL）、肉桂酸-4-羥化酶（Cinnamate 4-Hydroxylase，C4H）和4-香豆酸輔酶A連接酶（4-Coumarate Coenzyme A Ligase，4CL）的催化，轉(zhuǎn)變?yōu)?-香豆酰CoA。PAL廣泛分布在植物中，是植物代謝途徑中重要的調(diào)節(jié)因子，催化苯基丙氨酸脫氨基，是本階段反應(yīng)的限速酶[3]。

2）4-香豆酰CoA在查爾酮合酶（Chalcone Synthase，CHS）的催化下生成查爾酮（Chalcone），接著在查爾酮異構(gòu)酶（Chalcone Isomerase，CHI）和黃酮-3-羥化酶（Flavanone 3-Hydroxylase，F(xiàn)3H）的作用下形成二氫黃酮醇（Dihydrokaempferol，DHK），經(jīng)類黃酮3-羥化酶（Flavonoid 3-Hydroxylase，F(xiàn)3H）和類黃酮3，5-羥化酶（Flavonoid 3，5-Hydroxylase，F(xiàn)35H）催化后可分別形成雙氫槲皮素（Dihydroquercetin，DHQ）和二氫楊梅黃酮（Dihydromyricetin，DHM）。

3）DHQ和DHM在二氫黃酮醇4-還原酶（Dihydroflavonl 4-Reductase，DFR）的作用下生成無(wú)色花色素，分別經(jīng)無(wú)色花青素還原酶（Leucoanthocyanidin Reductase，LAR）和無(wú)色花青素雙加氧酶/花青素合成酶（Leucoanthocyanidin Dioxygenase/Anthocyanidin Synthase，LDOX/ANS）的催化分別形成有色花青素。

2.2 花青素的運(yùn)輸

花青素一般在細(xì)胞內(nèi)合成，在合成相關(guān)酶的過(guò)程中，通過(guò)蛋白質(zhì)的相互作用，形成可以錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的大分子復(fù)合體。另外，通過(guò)類黃酮糖基轉(zhuǎn)移酶（UDP-Glycose Flavonoid Glycosyltransferase，UFGT）和尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶（UDP-Glucuronosyhransferase，UGT）的相互作用和修飾作用，轉(zhuǎn)運(yùn)到植物液泡中。在當(dāng)前的研究中，關(guān)于花青素的運(yùn)輸機(jī)制有如下4種。1）與液泡膜上的多藥耐藥相關(guān)蛋白（MultildrugResistance-Associated Protein， MRP）及毒物外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Multidrug And Toxic Compound Extrusion，MATE）有關(guān)。液泡上的MATE根據(jù)膜內(nèi)外的H+/Na+濃度差使H+從液泡內(nèi)排出，從而將花青素輸送到液泡內(nèi)[4]。如擬南芥功能研究較多的TT12遺傳因子（屬M(fèi)ATE遺傳因子家族），在含原花青素的植物組織中特異性表達(dá)，定位在液泡膜上，就是這種轉(zhuǎn)運(yùn)方式。但有學(xué)者表示，酰基化之后的花青素苷才能夠被MATE基因家族成員轉(zhuǎn)運(yùn)[6]。2）依賴谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶（Glutathione S-Transferase，GST）與液泡膜上的多藥耐藥相關(guān)蛋白介導(dǎo)的花青素苷轉(zhuǎn)運(yùn)的形式。3）與膽紅素異位酶同族體（Bilitranslocase-homologue，BTL-homologue）相關(guān)。目前關(guān)于該項(xiàng)研究還較少，但有研究表明，BTL-homologue可以轉(zhuǎn)運(yùn)花青素苷和膽紅素（為血紅素降解產(chǎn)物）。4）由囊泡介導(dǎo)的花青素的運(yùn)輸。例如，在擬南芥中，液泡產(chǎn)生的囊泡可以直接將花青素輸送到相應(yīng)的空間而不依賴于GST和ATP。

3 花青素代謝途徑相關(guān)基因

3.1 結(jié)構(gòu)基因?qū)ㄇ嗨氐挠绊?/p>

1）PAL是植物代謝途徑中的重要限制酶，可以通過(guò)催化苯基丙氨酸的脫氨生成反式肉桂酸。PAL在植物中廣泛分布，主要存在于線粒體、葉綠體、過(guò)氧化酶體、白血球等細(xì)胞器中。PAL由多基因家族編碼，植物的發(fā)育情況和環(huán)境等因素對(duì)PAL基因的表達(dá)有很大的影響。CHS是植物合成黃酮化合物過(guò)程中最重要的酶，它可以通過(guò)催化4-香豆酰CoA和丙二酰CoA縮合而形成查爾酮，為類黃酮類化合物的合成提供了基礎(chǔ)碳框架結(jié)構(gòu)[6]。

2）DFR在植物花瓣的顯色中起著重要的作用，其可以將DHQ、DHM轉(zhuǎn)化為無(wú)色花青素。根據(jù)研究，蝴蝶草中加入反義DFR基因，其花色變?yōu)樗{(lán)色，植物體內(nèi)的花色素含量降低，但花青素和黃酮醇含量卻明顯提高。DFR遺傳因子也經(jīng)常應(yīng)用于矮牽牛的花色研究。F3H可催化黃烷酮生成二氫黃酮醇，研究結(jié)果顯示，反義抑制草莓（Fragaria×ananassa）中的F3H表達(dá)之后，阻斷了花青素的合成代謝，進(jìn)而對(duì)果實(shí)中的花青素含量產(chǎn)生影響，進(jìn)一步表明了F3H是植物花青素代謝途徑中的一個(gè)關(guān)鍵酶[7]。并且DFR和F3H的過(guò)剩表現(xiàn)，增加了花瓣中紅色色素的含量，使花瓣變得更紅。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，DFR、F3H和F35H因?yàn)槔霉餐牡孜?，所以存在?jìng)爭(zhēng)關(guān)系，如果DFR和F3H遺傳因子含量過(guò)高，則會(huì)抑制F35H遺傳因子的表達(dá)，植物更趨向于合成天竺葵色素苷;在月季中，DFR基因過(guò)量表達(dá)，但抑制了F35H和F3H基因的表達(dá)，導(dǎo)致月季開(kāi)粉色花。

3）ANS遺傳因子可以催化無(wú)色類黃酮轉(zhuǎn)化為有色類黃酮，因此在植物呈色中起著重要的作用，如洋蔥（Allium cepa）的ANS遺傳因子變異后，洋蔥的鱗片由紅變黃。在缺少ANS遺傳因子的金鐘連翹（Forsythia×intermedia）中，花青素的積累受到顯著抑制，但是引進(jìn)DFR和ANS遺傳因子后，植物體內(nèi)花青素的積蓄顯著增加，胡蘿卜素含量明顯低于天冬酰胺，花瓣顏色變?yōu)槌壬玔8]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，在植物花色形成過(guò)程中，F(xiàn)LS基因和ANS存在底物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，且在花瓣某些部位，F(xiàn)LS基因會(huì)優(yōu)先表達(dá)[9]。因此，可以通過(guò)生物技術(shù)，將某些基因的表達(dá)沉默，進(jìn)而培育出不同花色的植物品種。

4）通過(guò)UFGT類黃酮代謝途徑控制類黃酮合成。該基因在植物中的表達(dá)與植物的果實(shí)顏色相關(guān)，在葡萄、蘋果、荔枝中都有相應(yīng)研究;在葡萄中，通過(guò)雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在白色葡萄株和相應(yīng)的紅色突變株中都發(fā)現(xiàn)了UFGT基因，但在紅色突變株中，UFGT基因發(fā)生了突變，因此果實(shí)表現(xiàn)為紅色[10];有研究發(fā)現(xiàn)，荔枝果皮中UFGT的表達(dá)與花青素和類黃酮的含量呈現(xiàn)高度正相關(guān)[11]?？傊琔FGT基因在植物花青素代謝途徑中起著重要的作用。

3.2 轉(zhuǎn)錄因子對(duì)花青素的影響

植物花青素代謝途徑受結(jié)構(gòu)基因影響，轉(zhuǎn)錄因子也可以對(duì)其產(chǎn)生一定影響，從現(xiàn)有研究來(lái)看，轉(zhuǎn)錄因子主要有3種（WD40、bHLH和R2R3-MYB），這3種蛋白質(zhì)通過(guò)一系列相互作用形成三元復(fù)合體，該三元復(fù)合體與結(jié)構(gòu)基因的特定位點(diǎn)結(jié)合，用于調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的活性，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)花青素的代謝。

1）WD40參與包括玉米、擬南芥、紫蘇等眾多植物花青素的代謝途徑。例如，在矮牽牛an11基因突變體中，結(jié)構(gòu)基因DFR的表達(dá)量降低，色素積累受到影響，但是DFR的表達(dá)活性可以逐漸由組成型基因AN2恢復(fù)，說(shuō)明在花青素合成的控制途徑中AN11基因位于AN2的上游。

2）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子可直接調(diào)控花青素的代謝，如MYB轉(zhuǎn)錄因子PAP1的過(guò)量表達(dá)，使花青素代謝途徑的下游基因的表達(dá)量增加，進(jìn)而增加花青素積累[12-13]。針對(duì)矮牽牛的研究表明，RsMYB1遺傳因子的表達(dá)水平與花青素代謝所涉及的結(jié)構(gòu)遺傳因子（PAL、CHS、DFF、ANS）的表達(dá)水平正相關(guān)[14]。MYB家族除了上述因子外還包含了一類具有轉(zhuǎn)錄抑制或負(fù)調(diào)控效應(yīng)的因子，如編碼R3-MYB蛋白AtMYBL2的AtMYBL2基因，缺失該基因的植株，與花青素代謝途徑相關(guān)基因的表達(dá)水平上升，體內(nèi)花青素累積量也明顯增加;而含有mybl2突變的植株CHI基因的表達(dá)水平較低，但原花青素和黃酮醇含量不變;但MYBL2表達(dá)過(guò)高的植株中，CHI的表達(dá)正常。因此，在花青素代謝途徑中，R2R3-MYB蛋白具有關(guān)鍵作用，該基因調(diào)控著多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，進(jìn)而影響植物體內(nèi)花青素的積累。

3）bHLH轉(zhuǎn)錄因子是植物中第二大轉(zhuǎn)錄因子家族。bHLH的調(diào)節(jié)在花青素的代謝途徑中起著非常積極的作用。bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族中有抑制花青素積累的成員。例如，在擬南芥中，BHLH32是負(fù)調(diào)節(jié)因子，在BHLH32缺乏的植物中，DFR的表達(dá)水平增加，花青素的積累增加。

4 小結(jié)

花青素是一種分布廣、種類多、安全性高、無(wú)毒性的天然色素，在許多行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，關(guān)于花青素的代謝途徑相關(guān)的基因研究取得了較大的突破，目前已發(fā)現(xiàn)與花青素生物合成途徑相關(guān)的代謝基因主要有12種，結(jié)構(gòu)基因主要有3種，這些基因在不同物種和組織中有表達(dá)差異性，而且目前轉(zhuǎn)錄因子與生物代謝基因的相互作用對(duì)花青素的遺傳表觀研究甚少。探究植物花青素的代謝途徑相關(guān)基因及遺傳機(jī)制，并利用基因工程開(kāi)展植物的遺傳改良具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：劉寧寧）