光照調(diào)控園藝作物花青素苷生物合成的分子機制

　　摘要：綜述了近30年來有關(guān)光強、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)存在于植物細胞的液泡中，使園藝作物的花朵和果實等器官呈現(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理研究領(lǐng)域的熱點�；ㄇ嗨剀丈�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)錄因子單獨或協(xié)同調(diào)控花青素苷生物合成的分子機制不斷被完善(宋雪薇等，2019)。

　　園藝師論文范例： 園藝管理養(yǎng)護中的細節(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)，如當植物遇到強光、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)境信號的機制，可以為高等植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機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：光照強度、光質(zhì)、光周期)以及光照方向。目前的研究表明，光照強度、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制的研究進展進行了系統(tǒng)的梳理和綜述，以期為深入研究環(huán)境因子調(diào)控園藝作物呈色機理提供借鑒。

　　1光照調(diào)控花青素苷生物合成的分子機制

　　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

　　1.1.1響應(yīng)光照誘導(dǎo)表達的結(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。對許多物種的研究發(fā)現(xiàn)，強光可以誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)基因的上調(diào)表達，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(Cominellietal.，2008)。一些水果在生產(chǎn)上需要進行套袋(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)果實進行套袋，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)的表達量在去除套袋、重新見光后明顯上調(diào)(Weietal.，2011)。強光顯著誘導(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，并且這種光誘導(dǎo)作用與溫度無關(guān)(Azumaetal.，2012)。

　　光照強度對花青素苷生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因表達的影響在楊梅(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，強光甚至?xí)�促進花青素苷的降解(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的光照，如喜歡弱光條件的越橘屬植物的果實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。

　　與果實著色機理類似，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基因表達量下調(diào)。Hong等(2015)對依光呈色的菊花品種‘麗金’進行轉(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。對于營養(yǎng)器官葉片，一些研究發(fā)現(xiàn)強光會誘導(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)基因在強光下上調(diào)表達(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)光照表達的必要條件。在擬南芥中MRE(MY轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點，MYBrecognitionelement)和ACE(ZIP轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點，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)特性的一個重要標志。對于上述響應(yīng)光照表達的結(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)控機制結(jié)構(gòu)基因上光響應(yīng)標志元件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，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，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)光照表達的特性，當光照強度改變時，這些MYB類轉(zhuǎn)錄因子的表達量也隨之變化，并調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達。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;而其在強光下表達被抑制(Dubosetal.，2008)。后來發(fā)現(xiàn)的響應(yīng)光照表達的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(Nguyenetal.，2015)，進一步完善了擬南芥花青素苷響應(yīng)光照合成的分子機理。

　　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;或激活MIR858a的表達，而miR858a可以抑制MYBL2的翻譯過程�？傊�，HY5MIR858aMYBL2基因環(huán)通過轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控減少MYBL2蛋白含量，從而增強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(Changetal.，2008)。

　　園藝作物中這一作用機理更為復(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;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，從而使dMYB1和bHLH/33復(fù)合體(促進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(Baietal.，2019)。

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

　　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，分別為藍光受體CRY1和CRY2、紅光/遠紅光受體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，如藍色花大多集中分布于高山地區(qū);而在平原地帶，藍紫色的花卻較罕見(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花青素苷顯著增加(Ulebergetal.，2012);田間試驗也表明，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)基因的表達豐度，從而決定最終的花青素苷含量，進而調(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，在以往的研究中發(fā)現(xiàn)由于基因功能和分子機制的物種特異性，在模式植物研究中獲得的試驗結(jié)果不能完全解釋其他園藝作物不同器官的呈色機制。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制將成為今后的研究熱點。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)�？梢�，單一環(huán)境因子調(diào)控不同次生代謝途徑的交聯(lián)機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

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///nylw/28490.html