桃MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控花青素合成的研究進(jìn)展

花 揚(yáng) 呂昕羽 張 瑜 巨一閎 汪茜瑋 吳欣欣

（淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，江蘇淮安 223003）

花青素又稱花青素苷，是植物界中常見的水溶性色素物質(zhì)，屬于類黃酮化合物[1]。在植物中，花青素常以更加穩(wěn)定的糖苷形式分布于植物表皮細(xì)胞的液泡中，并賦予植物豐富多彩的顏色，起到吸引昆蟲傳粉、提高植物抵御不良環(huán)境能力等作用?；ㄇ嗨氐幕窘Y(jié)構(gòu)是C6-C3-C6，在此基礎(chǔ)上與不同取代基結(jié)合生成天竺葵素、矢車菊素、芍藥花素、矮牽牛素、飛燕草素和錦葵花素等六大類花色苷，這些花色苷決定了植物的花色、果色、葉色等色彩表型[2]。此外，花青素的營養(yǎng)保健作用也越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、保健、食品加工、美容等領(lǐng)域[3-4]。

目前，針對植物花青素生物合成與代謝途徑的研究較多，在擬南芥等模式植物中的花青素生物合成與代謝途徑已經(jīng)較為清楚。已有研究表明，影響花青素合成的因素復(fù)雜，如結(jié)構(gòu)基因（早期生物合成基因CHS、CHI、F3H和F3'H，晚期生物合成基因F3'5'H、DFR、ANS/LDOX 和 UFGT 等）、調(diào)節(jié)基因（MYB轉(zhuǎn)錄因子家族、WD40轉(zhuǎn)錄因子家族和bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族等）以及環(huán)境因素（光照[5]、溫度[6]等）都有可能會影響花青素的種類、含量和分布[4]，最終導(dǎo)致植物在色彩上的不同表現(xiàn)。

桃是一種常見的落葉小喬木，屬于薔薇科李屬桃亞屬，原產(chǎn)于中國，已有超過3 000年的栽培歷史，具有豐富的文化內(nèi)涵和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是我國重要的經(jīng)濟(jì)果樹和觀賞樹種，已被許多國家引進(jìn)、栽培和利用[7]。桃通常分為果桃和觀賞桃兩類，在水果產(chǎn)業(yè)、園林綠化等方面占有重要地位[8]。桃花青素生物合成與代謝途徑?jīng)Q定了桃的觀賞性和商品性。本文旨在對桃花青素生物合成調(diào)控關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子家族MYB進(jìn)行綜述，以期為今后的花青素生物合成以及育種研究等方面提供理論基礎(chǔ)。

1 植物中花青素生物合成及轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

1.1 花青素生物合成的結(jié)構(gòu)基因

植物色素主要包括類黃酮、類胡蘿卜素和生物堿三類。類黃酮是桃樹最重要的色素群之一，分為紅色系（顏色范圍包括粉紅色至藍(lán)紫色）和純黃系（顏色范圍包括近似無色至淡黃色），其中紅色系主要由花青素調(diào)控。目前，植物花青素的生物合成途徑研究比較透徹，整個(gè)途徑以苯丙氨酸作為初始合成底物在細(xì)胞質(zhì)中逐步合成，經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)一步修飾形成穩(wěn)定的花青素苷，最后經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡作用運(yùn)輸至液泡中積累。這些過程需要一系列的酶促反應(yīng)才能完成[9]，可分為3個(gè)階段（圖1）。

第一階段由苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羥化酶（C4H）和4-香豆酰輔酶A連接酶（4CL）參與，催化初始合成底物苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為香豆酰輔酶A。

第二階段由查爾酮合酶（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）參與，將 1個(gè)香豆酰輔酶A分子和3個(gè)丙二酰輔酶A分子催化形成二氫黃酮醇，其中CHS是植物花青素生物合成的第一個(gè)關(guān)鍵酶。Liu等[10]通過對湖景蜜露和玉露果實(shí)進(jìn)行不同顏色套袋處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，白色套袋的果實(shí)最紅，花青素含量最高，并且CHS基因在紅色更深果實(shí)中的表達(dá)更高。

第三階段首先由二氫黃酮醇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，之后在類黃酮葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（UFGT）和甲基轉(zhuǎn)移酶（MT）的作用下進(jìn)行糖基化和甲基化修飾，與UDP-葡萄糖結(jié)合形成穩(wěn)定的花色苷。何 平等[11]通過對桃晚熟品種秋甜進(jìn)行二氫茉莉酸甲酯和茉莉酸甲酯處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處理后果實(shí)著色和花青素積累得到了顯著提高，花青素合成相關(guān)基因DFR、LDOX和UFGT的表達(dá)更高。

1.2 花青素的轉(zhuǎn)運(yùn)

花青素在植物細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成，最終積累在液泡中，這就需要花青素能夠從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中。目前，花青素轉(zhuǎn)運(yùn)方式主要分為2種：第一種是囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)方式，即花青素在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成后由膜包被成的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡表面，再由液泡表面的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白送至液泡內(nèi)；第二種是連接蛋白運(yùn)輸方式，即花青素在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成后與運(yùn)輸?shù)鞍捉Y(jié)合并運(yùn)輸?shù)揭号荼砻妫偻ㄟ^液泡表面的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入液泡[12]。2種方式都需要有液泡表面的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與，可見轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在花青素轉(zhuǎn)運(yùn)中的重要作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的植物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要包括谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）、ATP-結(jié)合框轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ABC）、多藥和毒性化合物排出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MATE）以及膽紅素異位酶（BTL）等。在紅白花桃中發(fā)現(xiàn)一個(gè)編碼GST的基因Riant只在紅色花中表達(dá)，而在間色花中幾乎檢測不到表達(dá)，表明Riant參與花青素積累過程[13]。

2 桃MYB轉(zhuǎn)錄因子家族

2.1 植物MYB轉(zhuǎn)錄因子概述

植物中花青素的生物合成過程除了受到結(jié)構(gòu)基因的影響外，還會受到轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。調(diào)控花青素合成的轉(zhuǎn)錄因子主要包括MYB、bHLH和WD40三類。其中，MYB是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，各成員在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用，包括調(diào)控植物生長發(fā)育、物質(zhì)合成代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等諸多方面[14]，并且與植物花青素生物合成關(guān)系密切[15]。已有研究表明，MYB轉(zhuǎn)錄因子可以獨(dú)立或者與其他轉(zhuǎn)錄因子組成蛋白復(fù)合體協(xié)作調(diào)控花青素的合成[16]。

MYB轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于真核生物中，最早是在動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的，玉米中分離鑒定的ZmMYBC1基因是植物中首先發(fā)現(xiàn)的MYB轉(zhuǎn)錄因子，其作用是調(diào)控玉米糊粉層花青素合成[17]。MYB轉(zhuǎn)錄因子是一類DNA結(jié)合蛋白，包括一個(gè)N端保守的MYB DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，長度約為52個(gè)氨基酸殘基，另一個(gè)是不同的C末端調(diào)節(jié)區(qū)域，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)蛋白的活性。MYB轉(zhuǎn)錄因子根據(jù)其結(jié)構(gòu)域的個(gè)數(shù)可以分為1R-MYB、2R-MYB（如 R2R3-MYB）、3R-MYB（如 R1R2R3-MYB）和 4R-MYB 這 4類（圖 2）。 其中，R2R3-MYB類轉(zhuǎn)錄因子是數(shù)目最多的一類，以N端含2個(gè)MYB結(jié)構(gòu)域構(gòu)成的DNA結(jié)合功能域?yàn)楣餐卣?。研究發(fā)現(xiàn)，MYB轉(zhuǎn)錄因子中參與植物花青素生物合成最多的是R2R3-MYB型。R1R2R3-MYB主要參與細(xì)胞周期控制和細(xì)胞分化調(diào)節(jié)。4R-MYB類蛋白是植物中最少的一類。通過分析被子植物6個(gè)不同亞群的MYB蛋白發(fā)現(xiàn)，盡管其表達(dá)強(qiáng)度和作用強(qiáng)度不同，但是都保留著激活花青素生物合成能力。

2.2 桃MYB家族轉(zhuǎn)錄因子及其分類

桃MYB轉(zhuǎn)錄因子家族的鑒定工作已經(jīng)開展。Liu等[18]鑒定發(fā)現(xiàn)了桃中共有121個(gè)R2R3-MYB基因。Zhang等[19]根據(jù)桃基因組數(shù)據(jù)分析共鑒定出256個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子家族成員不均勻地分布在8條染色體上（圖 3），包括128個(gè) R2R3-MYB型轉(zhuǎn)錄因子（2R-MYB）、4 個(gè) R1R2R3-MYB（3R-MYB 型轉(zhuǎn)錄因子）、109個(gè) MYB-related（1R-MYB 型轉(zhuǎn)錄因子）、1個(gè)4R-MYB型轉(zhuǎn)錄因子以及14個(gè)Atypical-MYB subfamilies。這些MYB轉(zhuǎn)錄因子中有48個(gè)為桃特異的MYB基因，另外208個(gè)為保守的MYB基因，并且與198個(gè)擬南芥MYB基因?qū)?yīng)。在擬南芥中已經(jīng)發(fā)現(xiàn) AtMYB11[20]、AtMYB75[21]、AtMYB90[22]等 均 能 與 花青素合成的結(jié)構(gòu)基因互作，進(jìn)而調(diào)控花青素生物合成，桃相關(guān)同源基因可能也具有相應(yīng)的功能。

3 桃MYB轉(zhuǎn)錄因子對花青素合成的調(diào)控作用

3.1 MYB轉(zhuǎn)錄因子對果桃花青素合成的調(diào)控作用

果桃品種豐富，白肉和黃肉品種較多，紅色果肉的桃品種相對較少，桃果肉的紅色主要由花青素呈現(xiàn)。孫志偉[23]通過對比紅色果肉品種烏桃和白肉品種清水白桃發(fā)現(xiàn)，在花后140 d時(shí)，烏桃果肉花青素含量達(dá)到661 μg/g，而清水白桃花青素含量較低；并且在烏桃中克隆出一個(gè)R2R3-MYB成員，與膠州血桃MYB10基因相似性高達(dá)99%，且在果實(shí)發(fā)育的S2階段烏桃是清水白桃表達(dá)量的7倍。何 平等[24]通過對紅桃品種秋雪和黃桃品種肥桃的轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，差異表達(dá)基因顯著富集在類黃酮合成路徑（Ko00941）中，并有153個(gè)差異表達(dá)基因?qū)儆谵D(zhuǎn)錄因子，其中12個(gè)MYB類（11個(gè)上調(diào)表達(dá)，1個(gè)下調(diào)表達(dá)）以及14個(gè)bHLH類（5個(gè)上調(diào)表達(dá)，9個(gè)下調(diào)表達(dá)）可能與花青素合成有關(guān)。在油桃品種Stark Red Gold中發(fā)現(xiàn)，UFGT的表達(dá)與花青素濃度一致，而FLS1的表達(dá)與黃酮醇水平一致，UFGT的表達(dá)模式很可能是受到MYB轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控[25]。Zhou等[26]從白鳳桃中分離得到一個(gè)R2R3-MYB成員PpMYB7，它可以激活PpLAR1的轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控原花青素的生物合成過程。Zhao等[27]研究深色果肉品種湖景蜜露和淺色果肉品種玉露對紫外光的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，UVA和UVB都能誘發(fā)湖景蜜露果實(shí)著色加深，而玉露果實(shí)著色只受UVB刺激加深，轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)有8個(gè)差異表達(dá)基因?qū)儆贛YB轉(zhuǎn)錄因子家族。其中：ppa026640m（PpMYB10.1）、ppa016711m（PpMYB-10.2）、ppa020385m（PpMYB10.3）與 AtMYB113 同源，PpMYB10.2和PpMYB10.3只響應(yīng) UVB；ppa004560m與AtMYB12同源，且只響應(yīng)UVA。

3.2 MYB轉(zhuǎn)錄因子對觀賞桃花青素合成的調(diào)控作用

觀賞桃是重要的園林植物，品種多樣，花色豐富。其中，紅花品種和灑紅品種深受人們喜愛，而桃花瓣的紅色主要是由花青素呈現(xiàn)。Chen等[28]發(fā)現(xiàn)，在觀賞桃跳枝品種中CHS、CHI和F3H在紅色花中表達(dá)量顯著高于白色花，ppa010069m（myb domain protein 113）、ppa011751m（myb domain protein 24）、ppa0102-77m（myb domain protein 4）在紅花中高表達(dá)，而ppa-007222m（myb-like transcription factor family protein）在白色花中高表達(dá)。Zhou等[29]通過對比灑紅桃紅色和間色花蕾的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，LDOX蛋白質(zhì)豐度在紅色樣品中顯著高于間色樣品，LDOX是參與無色花青素形成有色花青素的關(guān)鍵酶。灑紅桃LDOX啟動(dòng)子區(qū)域存在多個(gè)與MYB相關(guān)的順式作用元件，并且這些順式元件存在甲基化水平的動(dòng)態(tài)變化，這可能會導(dǎo)致MYB轉(zhuǎn)錄因子對LDOX轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用受到影響[30]。Zhou等[31]通過分析大紅袍的肉質(zhì)果實(shí)、紅白花的紅花和紅葉桃的紅葉轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)鑒定了8個(gè)與類黃酮相關(guān)的R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子，其中PpMYB10.2和PpMYB9能夠激活花青素合成基因轉(zhuǎn)錄，PpMYBPA1和Peace對原花青素合成基因的啟動(dòng)子有強(qiáng)活化作用。Zhou等[32]發(fā)現(xiàn)，2個(gè)R2R3-MYB基因PpMYB10.1和PpMYB10.2具有誘導(dǎo)花青素積累的作用。

4 展望

花青素對植物果實(shí)、葉片、花器官等部位著色起著重要作用，而MYB轉(zhuǎn)錄因子家族參與調(diào)控植物花青素生物合成方面的作用已經(jīng)被研究者重視，部分MYB成員已被確定為花青素生物合成中的主要調(diào)控因子。但是，調(diào)控花青素生物合成的因素眾多，機(jī)制復(fù)雜，不僅受內(nèi)部基因影響，而且與外界環(huán)境的變化密切相關(guān)。桃花青素合成中MYB轉(zhuǎn)錄因子的研究相對較少，針對究竟哪一個(gè)或哪幾個(gè)桃MYB轉(zhuǎn)錄因子成員參與花青素生物合成的調(diào)控、桃MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控哪些花青素合成結(jié)構(gòu)基因等，目前還不是很明確。此外，對于一些特殊性狀如彩斑、跳枝等性狀方面的研究需要加強(qiáng)。隨著生物技術(shù)和生物信息學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，桃MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控花青素生物合成的網(wǎng)絡(luò)以及調(diào)控機(jī)理將會越來越清晰。