園藝作物花青素合成調(diào)控研究進展

王欣，張?zhí)熘?/p>

1.北京中農(nóng)富通園藝有限公司，北京100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083

花青素是植物酚類色素中一個重要的大類，是某些植物的葉、花、果實、塊莖呈現(xiàn)紅色、紫色或藍色的原因?；ㄇ嗨毓δ芏鄻?，在自然界發(fā)揮著吸引傳粉者和種子傳播者的生態(tài)生理作用；在抵御紫外線輻射、低溫/高溫、干旱和病原體侵襲等方面發(fā)揮著重要作用。作為自然界中含量最多最重要的一類水溶性色素，花青素還具有廣泛的抗氧化[1]、抗糖尿病、抗高脂血癥、抗炎、抗癌和預(yù)防心血管疾病等功能，其含量對蔬果的品質(zhì)具有重要影響。已有大量相關(guān)研究表明，植物中存在的花青素主要有飛燕草色素、矢車菊色素、矮牽牛色素、天竺葵色素、芍藥色素和錦葵色素等6種。胡莉等[2]對黑米、黑豆、茄子（帶皮）、甘藍、紫甘薯、草莓、藍莓、桑葚、葡萄等9 種園藝作物的花青素成分研究發(fā)現(xiàn)，除茄子外，所有樣品中均含有矢車菊素。在糧食中，黑米中的矢車菊素、芍藥素含量最高；水果中以藍莓中的花青素種類和含量最高。在環(huán)境修復(fù)方面，由于花青素中的黃酮類陽離子O+能通過靜電力吸引I-，并通過離子交換控制吸附，因此，從農(nóng)業(yè)廢棄物中提取的花青素基材料能夠可持續(xù)地用于從核電設(shè)施、水處理廠中去除放射性I-[3]?；ㄇ嗨匾彩谴龠M人體健康的重要抗氧化劑，因此，在分子水平上探索花青素對植物色彩和生理代謝等的影響具有重要的意義。

1 花青素抵御外界脅迫的功能

花青素在抵御脅迫、防御食草動物和病原體侵襲方面扮演著“多面手”的角色。植物可以通過花青素色素沉著抵抗非生物脅迫，從而對與全球變化相關(guān)的干旱和極端溫度做出適應(yīng)性或可塑性的應(yīng)答。隨著時間的推移，經(jīng)歷較大程度溫度升高的物種色素沉著減少，而經(jīng)歷干旱增加的物種色素沉著增加[4]。花青素能中和由非生物脅迫產(chǎn)生的活性氧，減少由活性氧積累對植物生長發(fā)育產(chǎn)生的抑制。ROS 相關(guān)基因ZmSRO1e在玉米和擬南芥中，通過與ZmR1（MBW 轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物的核心基本螺旋-環(huán)-螺旋亞基）競爭，從而與Zm-PL1（復(fù)合物的核心MYB 亞基）結(jié)合，導(dǎo)致復(fù)合物的形成受到抑制。該表達增加了植物對非生物脅迫的敏感性，抑制了花青素的生物合成和活性氧清除活性[5]?；ㄇ嗨氐纳锖铣捎兄诮档瓦^量糖分的積累，保護光系統(tǒng)Ⅱ（photosystem Ⅱ，PSⅡ）免受多余光子到達葉綠體，這種糖緩沖作用能夠積極影響光合作用的反饋調(diào)節(jié)[6]。碳饑餓會影響果實發(fā)育以及花青素和碳水化合物代謝產(chǎn)物濃度，花青素和碳水化合物生物合成途徑的基因編碼酶均下調(diào)，海藻糖6-磷酸鹽和活性抑制因子MYB27 參與感知碳饑餓狀態(tài)，標志著植物為了節(jié)約資源會減少果實中花青素的含量[7]。擬南芥中Pi 反應(yīng)的保守調(diào)控因子SPX4 與MYB 轉(zhuǎn)錄因子PAP1 依靠肌醇多磷酸鹽相互作用，進而阻止PAP1與其靶基因啟動子的結(jié)合。磷饑餓時，在無肌醇多磷酸的情況下，SPX釋放出PAP1來激活花青素的生物合成[8]。在磷缺乏的蘋果葉片中，miR399d 和高親和性Pi 轉(zhuǎn)運蛋白McPHT1;4 正向調(diào)控花青素合成；甲基轉(zhuǎn)移酶基因McMET1和組蛋白乙?；富騇cHDA6可能對McMYB10 啟動子進行甲基化和乙?；{(diào)節(jié)，通過表觀遺傳修飾調(diào)控花青素的合成[9]。這種miR399d 和表觀遺傳修飾共調(diào)節(jié)模型解釋了缺磷條件下蘋果葉片變紅的現(xiàn)象。以上結(jié)果揭示了碳饑餓和磷饑餓與類黃酮代謝之間的直接聯(lián)系。

砷（As）是一種對動植物均有毒性的非金屬。過量的As 可導(dǎo)致茶葉中光合系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率顯著降低，活性氧積累和脂質(zhì)過氧化反應(yīng)增加，從而引起嚴重的氧化應(yīng)激。而外源性褪黑素可以通過選擇性上調(diào)花青素生物合成基因的表達，減緩植物As中毒，并使花青素含量增加，且褪黑激素對As 脅迫的耐量增強很大程度上依賴于茶樹中花青素的基礎(chǔ)水平[10]。

在干旱脅迫下，MdERF38 與花青素生物合成的正向調(diào)節(jié)因子MdMYB1 相互作用，促進MdMYB1 與其靶基因的結(jié)合，從而促進花青素的生物合成。此外，MdBT2 是花青素合成的負調(diào)控因子，其通過加速MdERF38 蛋白的降解來減弱MdERF38促進的花青素合成作用[11]。

在許多植物中，花青素的生物合成是由低溫誘導(dǎo)的。在桃果（中華壽桃）中，花青素的積累發(fā)生在16 ℃的貯藏條件下，該溫度條件下編碼花青素生物合成酶、運輸?shù)鞍坠入赘孰腟-轉(zhuǎn)移酶和關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的基因轉(zhuǎn)錄水平升高。在≤12 ℃貯藏時 ，花 青 素 沒 有 積 累[12]。 R2R3-MYB TF 基 因BrMYB2和bHLH調(diào)控基因BrTT8在紫頭白菜中低溫誘導(dǎo)后表達量顯著升高，而2 個負調(diào)控基因BrMYBL2.1和BrLBD38.2在白頭白菜中表達量顯著升高。低溫誘導(dǎo)紫頭白菜后，BrMYB2 和BrTT8可能在共激活花青素結(jié)構(gòu)基因中發(fā)揮重要作用，而BrMYB2 的下調(diào)和一些負調(diào)控因子的上調(diào)可能是白頭白菜表型形成的主要原因[13]。

2 花青素合成調(diào)控的影響因素

2.1 外界環(huán)境對花青素生物合成的影響

花青素的生物合成易受外界環(huán)境因子的影響。已有研究顯示，適宜的溫度和光照條件可以通過激活正調(diào)控因子PsMYB10.1 的表達，進而誘導(dǎo)花青素生物合成和轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達，從而誘導(dǎo)Akihime——李子果皮中花青素的積累[14]。強光可以促進花青素生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的表達，光質(zhì)也會對花色苷生物合成產(chǎn)生影響，尤其是光照中紫外線和藍光的強度。光環(huán)境的調(diào)控是改良園藝作物花青素的重要手段，LED補光技術(shù)已成為調(diào)控園藝作物色澤的關(guān)鍵技術(shù)[15]。在桃中，PpHY5 的表達被 UV-A 和 UV-B 上調(diào)，PpHY5 通過與自身啟動子中的E-box 相互作用正向調(diào)控下游花青苷生物合成基因PpCHS1、PpCHS2、PpDFR1和PpMYB10.1以及自身轉(zhuǎn)錄[16]。UV-A、UV-B和UV-AB處理過的“紫燕”茶葉片中，總花青素以及3 種主要花青素——飛燕草素、矢車菊素和天竺葵素的分子含量均顯著高于單獨白光處理下的茶葉片。UV-A處理下，花青素合成途徑的結(jié)構(gòu)基因黃酮3-羥化酶（F3H）、F3‘5‘H、DFR、ANS 和調(diào)控基因 TT8 上調(diào)；在 UV-AB 處理下，F(xiàn)3‘5‘H、DFR、ANS 和 UFGT 以及調(diào)控基因EGL1 和 TT2 均上調(diào)；但與對照組相比，UV-B 處理下，苯丙素和黃酮途徑的大部分結(jié)構(gòu)基因表達下調(diào)。表明UV 處理抑制了花青素還原酶LAR 和ANR 的表達，導(dǎo)致ANR 活性降低，代謝通量向花青素生物合成的方向轉(zhuǎn)移[17]。

作為世界上最受歡迎的蔬菜之一，番茄果實中最豐富的抗氧化劑是親脂的類胡蘿卜素——番茄紅素，盡管也含有水溶性類黃酮（包括花青素），但水平并不理想。番茄基因組包含4 個高度同源的與花青素相關(guān)的R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子：SLANT2、SlANT1、SlANT1-like 和 SLANT2-like/Aft。大多數(shù)番茄品種中不產(chǎn)生花青素，而紫番茄品種“靛藍玫瑰”（indigo rose）在果皮中表現(xiàn)出依賴光的花青素積累，該品種具有Aft顯性基因位點和atv 隱性基因位點。Sun 等[18]報道了Aft 編碼一種名為SlAN2-like 的花青素轉(zhuǎn)錄因子，而atv 編碼轉(zhuǎn)錄抑制因子SlMYBatv。受光照條件影響的SlAN2-like 既能激活花青素生物合成基因的表達，又能激活花青素生物合成的調(diào)控基因，SlAN2-like 直接與SlMYBatv 啟動子結(jié)合來激活其轉(zhuǎn)錄[19]。對SIAN2 進行靶向誘變的靛藍玫瑰番茄突變體，其組織中花青素的含量和幾個花青素相關(guān)基因的表達量均顯著低于對照組，此外，番茄下胚軸和子葉的花青素合成受到不同調(diào)控因子的控制[20]。

光照誘導(dǎo)MdMYB1 在蘋果皮上表達，Md-MYB1 激活花青素合成途徑中結(jié)構(gòu)基因MdCHS、MdF3H、MdDFR和MdUFGTin的轉(zhuǎn)錄，促進花青素積累。An 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在高強光條件下，蘋果中MdTCP46 與MdMYB1 互作促進花青素的生物合成，并增強MdMYB1 與其靶基因的結(jié)合。在弱光條件下，MdBT2 泛素化并降解MdTCP46 和MdMYB1 蛋白，從而減弱MdTCP46 對花青素積累的促進作用。隨著光強的增加，MdBT2 的表達被抑制，而MdTCP46 的表達被激活，從而觸發(fā)高光強誘導(dǎo)花青素的生物合成。由此推測，MdBT2 可能作為光強的劑量響應(yīng)器。MdMYB1是通過響應(yīng)了花青素合成抑制劑硝酸鹽的泛素化途徑被降解[22]。MdCOP1 蛋白在遮光條件下能通過泛素化降解MdMYB1，導(dǎo)致花青素含量降低，果皮顏色變淺[23]。蘋果中 MdWRKY72 通過與 MdHY5 啟動子中的W-box 元件間接結(jié)合，與MdMYB1 啟動子中的W-box元件直接結(jié)合，促進了MdMYB1的表達，提高了UV-B 輻射下轉(zhuǎn)基因愈傷組織花青素合成[24]。B-box（BBX）蛋白 MdBBX37 是蘋果光信號的負調(diào)控因子，在光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中抑制花青素生物合成，并直接與光信號正調(diào)控子MdHY5的啟動子結(jié)合，抑制其表達，從而緩解MdHY5 介導(dǎo)的下胚軸抑制[25]。

2.2 酶與外源激素對花青素合成的影響

谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（PpGST1）基因的表達與桃果組織中花青素的積累密切相關(guān)[26]。病毒誘導(dǎo)的血肉桃PpGST1基因沉默不僅導(dǎo)致花青素積累減少，而且導(dǎo)致花青素生物合成和調(diào)控基因的表達下降；瞬時過表達PpGST1 與PpMYB10.1 在煙草和桃果中的花青素積累顯著高于單獨表達PpMYB10.1。Jiang 等[27]報道了另一種被認為可以結(jié)合并穩(wěn)定花青素的谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶TRANSPARENT TESTA19（TT19），當(dāng) TT19 缺 失 時 ，RDR6、SGS3或DCL4的突變通過將碳元素推向類黃酮合成方向，從而抑制花青素的合成。還有研究發(fā)現(xiàn)黑色胡蘿卜中GST1（LOC108205254）可能是一個重要的花青素轉(zhuǎn)運體，其表達上調(diào)導(dǎo)致黑色胡蘿卜樣品中液泡花青素積累增加[28]。GST phi 亞家族成 員 RsGSTF12-1 和 RsGSTF12-2 的轉(zhuǎn)錄本可能編碼胭脂紅蘿卜花青素轉(zhuǎn)運蛋白[29]。

乙烯利是誘導(dǎo)花青素積累的有效刺激物，誘導(dǎo)后花青素積累可達82%；在乙烯利的作用下，毛狀根中SOD 和GST 活性升高，這2 種酶與花青素在維持毛狀根內(nèi)部氧化還原穩(wěn)態(tài)中具有相互作用[30]。但也有研究表明，乙烯利處理的草莓果實在綠色發(fā)育期表現(xiàn)出抑制花青素合成和下調(diào)花青素合成必需基因的作用[31]。另有研究表明，茉莉酸在葉片著色過程中顯著富集，與花青素含量變化一致[32]。在蘋果中，ABA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要調(diào)控因子MdABI5 通過調(diào)節(jié)MdbHLH3-MdMYB1 復(fù)合物正向調(diào)控ABA 誘導(dǎo)的花青素合成[33]。E3 泛素連接酶PacCOP1通過抑制PacMYBA 轉(zhuǎn)錄水平，進而下調(diào)結(jié)構(gòu)基因的表達豐度，最終導(dǎo)致花青素在果實中的積累減弱，從而在花青素生物合成中發(fā)揮負調(diào)控作用[34]。Maritim 等[35]首次全面闡明了季節(jié)性誘導(dǎo)花青素降解、植物激素調(diào)節(jié)以及抑制因子TFs在茶葉花青素積累中的作用。

由于受分子特性固有因素，如食物加工和消化過程中的轉(zhuǎn)化和花青素在食物中的含量等的影響，花青素的生物利用率極低[36]。PAL、ANS 和UFGT 在桃果實采后花青素的生物合成中起著重要作用，這3 種酶均受到HA、UV-C、蔗糖、檸檬酸和蘋果酸的刺激。研究表明，對采后的桃子采用熱風(fēng)（hot air）處理或UV-C 處理，可以增強相關(guān)酶的活性和基因表達，促進花青素的積累[37]。在草莓采后貯藏過程中，用果膠寡糖（pectin oligosa ccharides，POS）處理可以保持草莓的品質(zhì)屬性，減少腐爛，進一步提高花青素的含量和抗氧化能力，這可能與苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）活性的提高導(dǎo)致花青素的合成和積累有關(guān)[38]。用食品保鮮劑1-甲基環(huán)丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）處理桃、杏、李果實，能夠在貯藏早期抑制合成相關(guān)結(jié)構(gòu)基因和轉(zhuǎn)錄因子PsMYB10 的表達，在貯藏后期增強其表達，從而延遲了貯藏過程中總花青素和主要個體花青素的增加，1-MCP 處理有利于保持桃、杏、李的品質(zhì)，特別是果實的化學(xué)性狀，延長貯藏壽命，降低貯藏期間的經(jīng)濟損失[39]。玉米籽粒中存在乙酰化和琥珀化花青素，這些化合物是在提取過程中產(chǎn)生的人工色素，因此需要使用酸化溶液提取玉米花青素[40]。

2.3 甲基化與泛素化對花青素合成的影響

DNA 甲基化可以引發(fā)由于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化而不是DNA 序列變化引起的基因表達差異，即表觀遺傳現(xiàn)象。DNA 甲基化或者蛋白質(zhì)泛素化的研究對深入了解植物著色機理和發(fā)現(xiàn)MYB 轉(zhuǎn)錄因子的上游調(diào)控機制具有重要的意義。

蘋果MdMYB308L 轉(zhuǎn)錄因子通過與Mdb-HLH33 互作，對蘋果的耐寒性和花青素積累起到正向調(diào)節(jié)作用，但是MdMYB308L的1個互作蛋白環(huán)E3 泛素連接酶MdMIEL1 會促進其泛素降解，從而對蘋果耐寒性和花青素積累起到負調(diào)控作用[41]。在RNA 介導(dǎo)的DNA 甲基化途徑中，蘋果MdAGO4s 與 MdMYB1 啟動子結(jié)合，實現(xiàn) MdMYB1位點的甲基化修飾，調(diào)控花青素的生物合成[42]。蘿卜白色肉質(zhì)突變體是RsMYB1 啟動子DNA 甲基化改變的結(jié)果，這種可遺傳的表觀遺傳變化是由于高甲基化的CACTA 轉(zhuǎn)座子誘導(dǎo)DNA 甲基化擴散到RsMYB1 的啟動子區(qū)域，RsMYB1 在白肉突變體中的表達顯著下調(diào)，抑制了花青素的生物合成[43]。DNA 甲基化抑制劑5-氮雜胞苷的應(yīng)用誘導(dǎo)了桃果肉中花青素的積累，進一步揭示了DNA去甲基化在調(diào)節(jié)桃果肉中花青素積累中的關(guān)鍵作用[12]。1項對土豆基因組甲基化分析的研究表明，在一些基因組位點上，生產(chǎn)花青素的細胞的甲基化程度高于無性系白細胞[44]。

2.4 調(diào)控基因?qū)ㄇ嗨厣锖铣煞e累的作用

GhPAP1D 編碼 1 個 R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子，促進花青素的合成和積累，與擬南芥花青素調(diào)節(jié)因子PAP1 同源[45]。在棉花的GhPAP1A 啟動子中存在1 個50 bp 的串聯(lián)重復(fù)序列，該重復(fù)序列驅(qū)動花瓣下游基因表達的活性較強，推測亞紅色棉中花青素的適度積累是由啟動子結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致GhPAP1A轉(zhuǎn)錄增加造成的[46]。

研究發(fā)現(xiàn)，黃毛草莓花青素合成的核心轉(zhuǎn)錄激活因子FnMYB10的上游調(diào)控區(qū)存在序列變異，導(dǎo)致FnMYB10基因低表達，影響了花青素的合成，這可能與黃毛草莓的白果表型有關(guān)[47]。另有研究發(fā)現(xiàn)，草莓FaRAV1 通過直接激活花青素途徑基因啟動子和上調(diào)FaMYB10 來促進草莓花青素積累，而FaMYB10 也正向調(diào)控這些基因的表達[48]。蘋果中MdMYB114 雖然不能形成MBW 復(fù)合物，但可以通過直接與MdANS、MdUFGT、MdGST 啟動子結(jié)合促進其表達，從而增強花青素的生物合成和轉(zhuǎn)運[49]。

R3 MYB 取代MBW 復(fù)合體中的R2R3 MYB家族TFs 之一，可能使該復(fù)合體從花青素基因轉(zhuǎn)錄的激活因子轉(zhuǎn)變?yōu)橐种埔蜃?。茄子中SmelMYBL1屬于R3 MYB，在MBW 復(fù)合體中作為抑制劑，通過與MYB 活化劑（SmelANT1 和SmelAN2）競爭結(jié)合SmelJAF13 和SmelAN1，從而阻礙了新MBW復(fù)合物的形成[50]。Huang 等[51]研究表明甜橙CsMYB3 能抑制MBW 復(fù)合體的活化能力，并能被CsRuby1 激活。在紫薯中，抑制因子IbMYB44 通過競爭性抑制IbMYB340-ibbHLH2-ibNAC56a 或IbMYB340-ibbHLH2-ibNAC56b 調(diào)控復(fù)合物的形成而影響花青素的合成[52]。楊梅中MrMYB6 與MrbHLH1 和MrWD40-1 相互作用形成功能復(fù)合物，直接抑制原花青素特異基因MrLAR和MrANR以及花青素特異基因MrANS和Mrrufgt的啟動子活性，從而對楊梅花青素和PA的積累具有負調(diào)控作用[53]。Xu 等[54]研究表明，蘋果中 MdMYB6 轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)MdTMT1，降低UDP-葡萄糖和UDP-半乳糖的含量來抑制花青素的生物合成。Li等[55]鑒定獼猴桃的AaMYBC1為R2R3型轉(zhuǎn)錄因子，且miR858 通過抑制紅色獼猴桃的目的基因AaMYBC1來負調(diào)控花青素的生物合成。光敏茄子品種“Lanshan Hexian”的轉(zhuǎn)錄因子SmMYB86能直接與 SmCHS、SmF3H 和 SmANS 的啟動子結(jié)合并抑制其活性，使花青素積累減少[56]。Xu 等[57]研究發(fā)現(xiàn)胡蘿卜中DcMYB113的根特異性表達是由啟動子決定的，該轉(zhuǎn)錄因子可能調(diào)控花青素的轉(zhuǎn)運。以上研究結(jié)果表明，MYB 轉(zhuǎn)錄因子以不同的形式調(diào)控花青素合成的途徑，有的作為轉(zhuǎn)錄激活子，起正向調(diào)控作用；有的作為抑制子，抑制目標基因的表達。

除了MYB、bHLH、WD40 及三者組成的復(fù)合體等與花青素合成相關(guān)的主要轉(zhuǎn)錄因子，Zhang等[58]首次發(fā)現(xiàn)了與紅肉蘋果花青素積累相關(guān)的MdNAC基因，其在體內(nèi)外均與MdMYB10 存在明顯的相互作用。Ning 等[59]在紫肉甘薯花色苷的生物合成中發(fā)現(xiàn)了一個新的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，IbERF71 和IbMYB340-IbbHLH2 形成了調(diào)控復(fù)合物IbERF71-IbMYB340-IbbHLH2，通過結(jié)合IbANS1啟動子共調(diào)控花青素積累，為紫肉甘薯花色發(fā)育的研究提供了新的思路。

3 展望

目前，關(guān)于花青素的研究已有豐富的成果，科研工作者對花青素的生物合成途徑已經(jīng)解析得比較清楚，但花青素的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍需不斷完善。從藥食用、包裝到環(huán)保領(lǐng)域，花青素的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，而花青素的合成調(diào)控一直以來都是園藝作物及觀賞植物分子育種的關(guān)注點之一，未來在基因工程方面，系統(tǒng)闡明花青素的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制和利用代謝工程改良花青素的相關(guān)研究仍需繼續(xù)探索。