光照調(diào)控園藝作物花青素苷生物合成的分子機(jī)制

　　摘要：綜述了近30年來有關(guān)光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期等光照因素調(diào)控園藝作物花青素苷生物合成的研究進(jìn)展，并側(cè)重總結(jié)了該生物學(xué)過程中關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子及其作用機(jī)制，梳理其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

　　關(guān)鍵詞：園藝作物;光照;花青素苷;生物合成

　　花青素苷(nthocyanin)是廣泛存在于被子植物中的一類重要的色素物質(zhì)，其被糖苷修飾后形成穩(wěn)定的水溶性物質(zhì)存在于植物細(xì)胞的液泡中，使園藝作物的花朵和果實(shí)等器官呈現(xiàn)豐富的色彩。因其合成量直接影響植物器官呈色，近年來成為園藝作物呈色機(jī)理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。花青素苷生物合成途徑是迄今為止研究得最為清楚的植物次生代謝產(chǎn)物途徑，由于該代謝途徑的終產(chǎn)物和中間產(chǎn)物可以被測得，其結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的作用機(jī)制已經(jīng)得到較好的闡述(戴思蘭和洪艷，2016;莊維兵等，2018)，其中轉(zhuǎn)錄因子單獨(dú)或協(xié)同調(diào)控花青素苷生物合成的分子機(jī)制不斷被完善(宋雪薇等，2019)。

　　園藝師論文范例： 園藝管理養(yǎng)護(hù)中的細(xì)節(jié)控制

　　同時，花青素苷作為具有抗氧化功能的次生代謝產(chǎn)物，也是植物抵御環(huán)境脅迫系統(tǒng)的重要組成物質(zhì)，其合成受到多種環(huán)境因子的影響(胡可等，2010;王華等，015)，如當(dāng)植物遇到強(qiáng)光、UV照射、低溫和氮虧缺等逆境時會大量合成花青素苷以增強(qiáng)自身抗性(Liuetal.，2018;王鴻雪等，2019)。此外，花青素苷的生物合成也受到植物體自身生長發(fā)育過程的影響，還響應(yīng)生長素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、脫落酸、乙烯和茉莉酸等激素的刺激(Guetal.，2019)。研究其合成過程響應(yīng)環(huán)境信號的機(jī)制，可以為高等植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的解析提供新見解。光照是調(diào)控花青素苷積累的最重要的環(huán)境因子之一。

　　光照不僅為植物的生長提供能量，同時作為生長發(fā)育信號影響植物生長發(fā)育的多個過程和整個生長周期。光照對植物的影響體現(xiàn)在個方面：光照強(qiáng)度、光質(zhì)、光周期)以及光照方向。目前的研究表明，光照強(qiáng)度、光質(zhì)和光周期均對花青素苷的生物合成產(chǎn)生影響。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，近年來光照調(diào)控花青素苷生物合成的分子機(jī)制在不斷被解析。本文中圍繞近年來光照調(diào)控花青素苷生物合成分子機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和綜述，以期為深入研究環(huán)境因子調(diào)控園藝作物呈色機(jī)理提供借鑒。

　　1光照調(diào)控花青素苷生物合成的分子機(jī)制

　　1.1光照調(diào)節(jié)花青素苷生物合成途徑的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)

　　1.1.1響應(yīng)光照誘導(dǎo)表達(dá)的結(jié)構(gòu)基因決定花青素苷合成的直接原因是其生物合成途徑上結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。對許多物種的研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光可以誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)基因的上調(diào)表達(dá)，使花青素苷的積累量增加;而黑暗或弱光使這些基因的表達(dá)豐度下降，從而抑制花青素苷的合成，表現(xiàn)出白色或淺色表型。對于模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)，光照可以誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)基因CHS(Chalconesynthase)、DF(Dihydroflavonol4reductase)和LDOX/ANS(Leucoanthocyanidindioxygenase/Anthocyanidinsynthase)的表達(dá)(Cominellietal.，2008)。一些水果在生產(chǎn)上需要進(jìn)行套袋(遮光)和摘袋(光照)處理，因此相關(guān)研究較多。

　　例如，對非轉(zhuǎn)色期的荔枝(Litchichinensis)果實(shí)進(jìn)行套袋，其果皮中花青素苷的積累被顯著抑制，并且花青素苷生物合成相關(guān)基因LcCHS、LcCHI(Chalconeisomerase)、LcF3H(Flavanone3hydroxylase)、LcDFR(Dihydroflavonolreductase)、LcANS和LcUFGT(UDPflavonoidglucosyltransferase)的表達(dá)量在去除套袋、重新見光后明顯上調(diào)(Weietal.，2011)。強(qiáng)光顯著誘導(dǎo)葡萄(Vitisvinifera)果皮中總花青素苷的積累，并同時誘導(dǎo)CHS、CHI、F3H、F3′5′H(Flavanone3′5′hydroxylase)、DFR、MT(Methyltransferases)和GT(Glycosyltransferases)的高豐度表達(dá)，并且這種光誘導(dǎo)作用與溫度無關(guān)(Azumaetal.，2012)。

　　光照強(qiáng)度對花青素苷生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的影響在楊梅(Niuetal.，2010)、越橘屬(ZhouandSingh，2004;Ulebergetal.，2012)、懸鉤子(Wangetal.，2009)、番茄(Løvdaletal.，2010)和茄子(Lietal.，2018)等植物中也有相似的研究結(jié)果。在薔薇科(Rosaceae)植物中，光照對于草莓(Anttonenetal.，2006;KadomuraIshikawaetal.，2013)、桃(Ravagliaetal.，2013)、梨(Fengetal.，2010;Sunetal.，2014)、蘋果(Takosetal.，2006a，2006;Fengetal.，2013)和海棠(Luetal.，2017)果實(shí)中花青素苷生物合成的影響也十分明顯。

　　在一些梨品種中，強(qiáng)光甚至?xí)�促進(jìn)花青素苷的降解(Zhangetal.，2011)。與上述研究相反，部分園藝植物中花青素苷的生物合成幾乎不受光照強(qiáng)度的誘導(dǎo)，山竹(Garciniamangostana)就是典型的例子(Palapoletal.，2009)。部分植物中花青素苷的高效積累并不需要很強(qiáng)的光照，如喜歡弱光條件的越橘屬植物的果實(shí)中就含有豐富的花青素苷(Jaakolaetal.，2004)，這類植物中花青素苷生物合成基因直接決定不同果實(shí)發(fā)育階段的花青素苷和其他類黃酮含量，環(huán)境因子對花青素苷和其他類黃酮的生物合成僅具有微調(diào)作用。

　　與果實(shí)著色機(jī)理類似，觀賞植物的花朵也會由于花青素苷生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因的依光表達(dá)表現(xiàn)依光呈色的現(xiàn)象。Nakatsuka等(2009)發(fā)現(xiàn)百合的花朵在遮光后花色變淺，花青素苷含量降低，DFR基因表達(dá)量下調(diào)。Hong等(2015)對依光呈色的菊花品種‘麗金’進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，舌狀花中花青素苷生物合成途徑上幾乎全部結(jié)構(gòu)基因(除CHI基因)在遮光后均下調(diào)表達(dá)。對于營養(yǎng)器官葉片，一些研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)光會誘導(dǎo)其花青素苷的合成而呈現(xiàn)非綠色的表型，其直接原因也是花青素苷生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因在強(qiáng)光下上調(diào)表達(dá)(Albertetal.，2009;hangetal.，2018b)，這也為綠色器官的色澤改良提供了重要的基因資源。

　　1.1.2結(jié)構(gòu)基因上的光響應(yīng)元件研究表明，花青素苷生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因啟動子序列包含響應(yīng)光照的順式作用元件(Lightregulatoryunit，LRU)是基因響應(yīng)光照表達(dá)的必要條件。在擬南芥中MRE(MY轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，MYBrecognitionelement)和ACE(ZIP轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，ACGTcontainingelement)是LRU上的重要元件(Hartmannetal.，2005)。后續(xù)在蘋果MdDFR和MdUFGT的啟動子序列(Takosetal.，2006a)、葡萄VvFLS1的啟動子序列(Czemmeletal.，2009)以及桃的花青素苷生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因啟動子序列上，均發(fā)現(xiàn)并鑒定了LRU(Zhouetal.，2013)�？梢姡琇RU是花青素苷合成途徑結(jié)構(gòu)基因能否具有光響應(yīng)特性的一個重要標(biāo)志。對于上述響應(yīng)光照表達(dá)的結(jié)構(gòu)基因上的光響應(yīng)元件尚需開展深入研究。

　　1.2光照誘導(dǎo)花青素苷合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制結(jié)構(gòu)基因上光響應(yīng)標(biāo)志元件LRU包含的重要順式作用元件之一MRE是MYB轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)，暗示MYB轉(zhuǎn)錄因子在光響應(yīng)呈色的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。另一個重要順式作用元件CE是ZIP(Basicleucinezipper)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，暗示ZIP轉(zhuǎn)錄因子在植物響應(yīng)光照呈色中也起重要作用。bZIP是植物中一大類轉(zhuǎn)錄因子家族，由個亮氨酸拉鏈二聚體和個DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，參與調(diào)控諸多生物學(xué)過程(BanerjeeRoychoudhury，2017)，如植物生長發(fā)育(Gibalováetal.，2017)、環(huán)境脅迫應(yīng)答(Wangetal.，2017)和光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(Ang&Deng，1994)。擬南芥中影響植物光形態(tài)建成的HY5(longatedhypocotyl5)是第個被報道參與花青素苷合成調(diào)控途徑的bZIP型轉(zhuǎn)錄因子。此外，被報道較多的參與花青素苷依光合成轉(zhuǎn)錄調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子還有乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的ERF(Ethyleneresponsefactor)，以及參與光形態(tài)建成的PIF(Phytochromeinteractionfactors)。

　　1.2.1MYB轉(zhuǎn)錄因子MYB轉(zhuǎn)錄因子作為植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，幾乎參與了植物發(fā)育(Songetal.，2011)、次生代謝(Borevitzetal.，2000)、激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(Abeetal.，2003)和脅迫應(yīng)答(Zhangetal.，2012)等植物生長過程的各個方面，在植物的各種生命活動中有著不可替代的作用。MYB轉(zhuǎn)錄因子有兩個截然不同的區(qū)域：端具有一段保守的、可結(jié)合DNA的結(jié)構(gòu)域，稱為MYB結(jié)構(gòu)域;端則是一個多樣的負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)活性調(diào)控的調(diào)節(jié)區(qū)域。根據(jù)MYB結(jié)構(gòu)域的數(shù)量可將MYB轉(zhuǎn)錄因子分為類：1RMYB、R2R3MYB、3RMYB和4RMYB。其中R2R3MYB是數(shù)量最多的一類(Dubosetal.，2010)，也是調(diào)控類黃酮途徑的重要轉(zhuǎn)錄因子，廣泛參與調(diào)控花青素苷的生物合成。

　　目前，已經(jīng)在許多植物中鑒定了調(diào)控花青素苷生物合成的R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子，其中很多編碼基因具有響應(yīng)光照表達(dá)的特性，當(dāng)光照強(qiáng)度改變時，這些MYB類轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)量也隨之變化，并調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。在模式植物擬南芥中鑒定的調(diào)控花青素苷合成的MBW復(fù)合體中的PAP1和TT8都具有光響應(yīng)特性(Shinetal.，2013)。

　　另外，擬南芥中由MYBL2編碼的R3MYBrelated蛋白與bHLH蛋白直接相互作用，破壞MBW復(fù)合物的形成，是花青素苷合成的抑制子;而其在強(qiáng)光下表達(dá)被抑制(Dubosetal.，2008)。后來發(fā)現(xiàn)的響應(yīng)光照表達(dá)的MYB轉(zhuǎn)錄因子可以直接結(jié)合在MYBL2編碼基因的啟動子上抑制其表達(dá)(Nguyenetal.，2015)，進(jìn)一步完善了擬南芥花青素苷響應(yīng)光照合成的分子機(jī)理。

　　1.2.2HY5轉(zhuǎn)錄因子

　　HY5被證明是參與植物光形態(tài)建成的重要轉(zhuǎn)錄因子。研究表明擬南芥中大部分花青素苷生物合成的結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因都能夠被HY5調(diào)控。Shin等(2007)發(fā)現(xiàn)HY5與PIF3(Phytochromeinteractingfactor3)共同作用，能夠直接結(jié)合在擬南芥花青素苷生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因啟動子的ACEbox區(qū)域。此外，HY5還可以結(jié)合到調(diào)節(jié)基因PAP1(Shinetal.，2013)和MYBD(Nguyenetal.，2015)啟動子的box和ACEbox元件上，調(diào)控花青素苷的生物合成。最近的研究表明，HY5還能與擬南芥負(fù)調(diào)控MBW復(fù)合體的MYBL2轉(zhuǎn)錄因子編碼基因的啟動子直接結(jié)合，通過組氨酸修飾作用抑制其表達(dá);或激活MIR858a的表達(dá)，而miR858a可以抑制MYBL2的翻譯過程。總之，HY5MIR858aMYBL2基因環(huán)通過轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控減少M(fèi)YBL2蛋白含量，從而增強(qiáng)MBW復(fù)合體的穩(wěn)定性，最終調(diào)節(jié)花青素苷的響應(yīng)光照誘導(dǎo)合成。

　　此外，STH2(Salttolerancehomolog)是一種box蛋白，通過與HY5互作增強(qiáng)花青素苷的積累(Dattaetal.，2007);LZP(Lightregulatedzincfingerprotein1)是一種鋅指蛋白，在HY5的下游起作用，能夠誘導(dǎo)PAP1的表達(dá)(Changetal.，2008)。

　　園藝作物中這一作用機(jī)理更為復(fù)雜。An等(2017)通過同源克隆的方法獲得了蘋果MdHY5基因，其能夠結(jié)合MdMYB10啟動子box元件，誘導(dǎo)蘋果花青素苷的積累。MdHY5還能直接作用于MdMYBDL1啟動子，上調(diào)該基因的表達(dá);MdHY5和MdMYBDL1可以抑制MdMYB16/308(MdMYB16/308轉(zhuǎn)錄因子與bHLH/33形成的復(fù)合體，抑制果的花青素苷生物合成途徑)的表達(dá)，從而使dMYB1和bHLH/33復(fù)合體(促進(jìn)蘋果的花青素苷生物合成途徑)更穩(wěn)定，最終誘導(dǎo)蘋果中花青素苷的積累(Liuetal.，2019)。在梨的研究中發(fā)現(xiàn)，PpHY5雖然能夠與PpMYB10互作，但不能激活其轉(zhuǎn)錄活性，需要與BBX16結(jié)合成復(fù)合體調(diào)控PpMYB10的表達(dá)(Baietal.，2019)。

　　1.光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控花青素苷合成的機(jī)制

　　在模式植物擬南芥中，COP1同時與上游光受體蛋白和下游靶蛋白互作，因此被認(rèn)為是光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的“中央調(diào)節(jié)器”(Maetal.，2002)。與COP1互作的光受體主要有類，分別為藍(lán)光受體CRY1和CRY2、紅光/遠(yuǎn)紅光受體PHYA和PHYB以及UV受體UVR8，COP1通過其端的WD40結(jié)構(gòu)域與這些光受體蛋白進(jìn)行物理互作(Jangetal.，2010;Liuetal.，2011;Christieetal.，2012;Wuetal.，2012)。除了WD40結(jié)構(gòu)域外，COP1還攜帶一個環(huán)指結(jié)構(gòu)域，具有泛素化下游靶因子(轉(zhuǎn)錄因子)的功能，調(diào)控植物發(fā)育的多個過程(Yuetal.，2008;Kangetal.，2009)。在多個物種的研究中發(fā)現(xiàn)，COP1能夠與調(diào)控花青素苷合成的MYB轉(zhuǎn)錄因子直接互作，參與調(diào)控花青素苷響應(yīng)光照的生物合成過程。在蘋果中還發(fā)現(xiàn)另一類E3泛素化連接酶BT2(Bricbrac/tramtrack/broadprotein，BTB)參與調(diào)控響應(yīng)光照合成花青素苷的過程。

　　2光質(zhì)調(diào)控花青素苷生物合成的分子機(jī)制

　　植物花青素苷的積累對接受的光譜成分是十分敏感的。自然界中具有生物活性輻射的光譜在300~800nm之間。陽光中大多數(shù)和全部(280nm)被臭氧層吸收，地球表面接受的紫外光僅為和部分。在過去的幾十年中，由于臭氧層的破壞，輻射到地球表面的越來越多，現(xiàn)今大約有5%的光照來自(HeijdeUlm，2012)。雖然只占太陽光譜的一小部分，卻對植物有很廣泛的光生物學(xué)影響，如光合作用、細(xì)胞分化以及影響植物生長和發(fā)育的其他生命過程(Zorattietal.，2014)。雖然輻射強(qiáng)度每天都在變化，但是同一地區(qū)的光譜組成非常穩(wěn)定，這就導(dǎo)致生長在不同地區(qū)不同光照條件下的植物的花色、葉色和果色等常常不同，如藍(lán)色花大多集中分布于高山地區(qū);而在平原地帶，藍(lán)紫色的花卻較罕見(胡可等，2010)。

　　3光周期對花青素苷生物合成的影響

　　光周期是影響植物開花的重要環(huán)境因子(馬朝峰和戴思蘭，2019)。光周期除了對植物生長發(fā)育有多方面的影響，也會影響次生代謝產(chǎn)物的生物合成。對于大多數(shù)植物來說，長日照能夠促進(jìn)花青素苷的積累。在對歐洲越橘(Vacciniummyrtillus)的研究中發(fā)現(xiàn)，與12日照時長相比，24h日照時長處理的果實(shí)花青素苷顯著增加(Ulebergetal.，2012);田間試驗(yàn)也表明，生長在較長日照條件下的歐洲越橘漿果中的花青素苷含量更高(Lättietal.，2008，2010;Åkerströmetal.，2010)。與每天8h光照條件相比，16h長光照下生長30d的甘薯(Ipomoeabatatas)葉片類黃酮合成途徑中結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)量更高，并積累相對更多的花青素苷和黃酮醇苷(Carvalhoetal.，2010)。關(guān)于光周期影響花青素苷積累的機(jī)理還需要更多研究積累。

　　4展望

　　光照既可直接調(diào)控花青素苷合成途徑中的結(jié)構(gòu)基因，也可間接調(diào)控相關(guān)調(diào)節(jié)基因的表達(dá)豐度，從而決定最終的花青素苷含量，進(jìn)而調(diào)控園藝作物的色澤。迄今的研究表明，光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵因子往往與調(diào)控花青素苷生物合成的轉(zhuǎn)錄因子MYB和bHLH存在互作，從而在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控MYB和bHLH。光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控花青素苷生物合成的分子機(jī)制在擬南芥和蘋果中已經(jīng)解析得比較清楚，但是在其他園藝作物中的研究還比較少。

　　在擬南芥的研究中多使用幼苗或葉片，在果樹中則為果實(shí)，在以往的研究中發(fā)現(xiàn)由于基因功能和分子機(jī)制的物種特異性，在模式植物研究中獲得的試驗(yàn)結(jié)果不能完全解釋其他園藝作物不同器官的呈色機(jī)制。因此，以園藝作物重要器官為研究對象，探究環(huán)境和激素信號調(diào)控其呈色的分子機(jī)制，將其呈色研究提供新的證據(jù)。目前已有研究表明，環(huán)境因子對花青素苷的生物合成調(diào)控不是單一作用的。在蘋果中，糖反應(yīng)途徑的關(guān)鍵因子MdSnRK1.1與茉莉酸(JA)信號通路中的阻遏物MdJAZ18相互作用并使之磷酸化，以促進(jìn)MdJAZ18的降解，釋放MdbHLH3轉(zhuǎn)錄因子激活花青素苷生物合成途徑，最終誘導(dǎo)花青素苷和原花青素苷的積累(Liuetal.，2017)。

　　在血橙的研究中發(fā)現(xiàn)，CsRuby1(R2R3MYB)是同時響應(yīng)低溫和光照誘導(dǎo)激活花青素苷合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子(Huangetal.，2019)。因此，解析不同環(huán)境因子和激素協(xié)同調(diào)控花青素苷生物合成途徑的分子機(jī)制將成為今后的研究熱點(diǎn)。光照調(diào)控花青素苷的過程還存在與木質(zhì)素、黃酮、黃酮醇和原花青素等其他次生代謝途徑的平衡調(diào)控機(jī)制。最近對蘋果的研究發(fā)現(xiàn)，分子調(diào)控模塊MdMYB16/MdMYB1miR7125MdCCR調(diào)控了蘋果在光誘導(dǎo)下花青素苷與木質(zhì)素的動態(tài)平衡(Huetal.，2021)。可見，單一環(huán)境因子調(diào)控不同次生代謝途徑的交聯(lián)機(jī)制也將是未來的研究方向。

　　作者：洪艷，武宇薇，宋想，李夢靈，戴思蘭

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