光照調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年來有關光強、光質和光周期等光照因素調控園藝作物花青素苷生物合成的研究進展，并側重總結了該生物學過程中關鍵轉錄因子及其作用機制，梳理其分子調控網絡。

　　關鍵詞：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，其被糖苷修飾后形成穩定的水溶性物質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物途徑，由于該代謝途徑的終產物和中間產物可以被測得，其結構基因和調節基因的作用機制已經得到較好的闡述(戴思蘭和洪艷，2016;莊維兵等，2018)，其中轉錄因子單獨或協同調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： 園藝管理養護中的細節控制

　　同時，花青素苷作為具有抗氧化功能的次生代謝產物，也是植物抵御環境脅迫系統的重要組成物質，其合成受到多種環境因子的影響(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育過程的影響，還響應生長素、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環境信號的機制，可以為高等植物信號轉導機制的解析提供新見解。光照是調控花青素苷積累的最重要的環境因子之一。

　　光照不僅為植物的生長提供能量，同時作為生長發育信號影響植物生長發育的多個過程和整個生長周期。光照對植物的影響體現在個方面：光照強度、光質、光周期)以及光照方向。目前的研究表明，光照強度、光質和光周期均對花青素苷的生物合成產生影響。隨著分子生物學的發展，近年來光照調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控花青素苷生物合成分子機制的研究進展進行了系統的梳理和綜述，以期為深入研究環境因子調控園藝作物呈色機理提供借鑒。

　　1光照調控花青素苷生物合成的分子機制

　　1.1光照調節花青素苷生物合成途徑的結構基因表達

　　1.1.1響應光照誘導表達的結構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構基因的表達。對許多物種的研究發現，強光可以誘導結構基因的上調表達，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，表現出白色或淺色表型。對于模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)，光照可以誘導結構基因CHS(Chalconesynthase)、DF(Dihydroflavonol4reductase)和LDOX/ANS(Leucoanthocyanidindioxygenase/Anthocyanidinsynthase)的表達(Cominellietal.，2008)。一些水果在生產上需要進行套袋(遮光)和摘袋(光照)處理，因此相關研究較多。

　　例如，對非轉色期的荔枝(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(Weietal.，2011)。強光顯著誘導葡萄(Vitisvinifera)果皮中總花青素苷的積累，并同時誘導CHS、CHI、F3H、F3′5′H(Flavanone3′5′hydroxylase)、DFR、MT(Methyltransferases)和GT(Glycosyltransferases)的高豐度表達，并且這種光誘導作用與溫度無關(Azumaetal.，2012)。

　　光照強度對花青素苷生物合成途徑結構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，強光甚至會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，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育階段的花青素苷和其他類黃酮含量，環境因子對花青素苷和其他類黃酮的生物合成僅具有微調作用。

　　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構基因的依光表達表現依光呈色的現象。Nakatsuka等(2009)發現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。Hong等(2015)對依光呈色的菊花品種‘麗金’進行轉錄組學分析發現，舌狀花中花青素苷生物合成途徑上幾乎全部結構基因(除CHI基因)在遮光后均下調表達。對于營養器官葉片，一些研究發現強光會誘導其花青素苷的合成而呈現非綠色的表型，其直接原因也是花青素苷生物合成途徑結構基因在強光下上調表達(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結構基因上的光響應元件研究表明，花青素苷生物合成途徑結構基因啟動子序列包含響應光照的順式作用元件(Lightregulatoryunit，LRU)是基因響應光照表達的必要條件。在擬南芥中MRE(MY轉錄因子結合位點，MYBrecognitionelement)和ACE(ZIP轉錄因子結合位點，ACGTcontainingelement)是LRU上的重要元件(Hartmannetal.，2005)。后續在蘋果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構基因啟動子序列上，均發現并鑒定了LRU(Zhouetal.，2013)。可見，LRU是花青素苷合成途徑結構基因能否具有光響應特性的一個重要標志。對于上述響應光照表達的結構基因上的光響應元件尚需開展深入研究。

　　1.2光照誘導花青素苷合成的轉錄調控機制結構基因上光響應標志元件LRU包含的重要順式作用元件之一MRE是MYB轉錄因子的結合位點，暗示MYB轉錄因子在光響應呈色的調控中發揮重要作用。另一個重要順式作用元件CE是ZIP(Basicleucinezipper)轉錄因子結合位點，暗示ZIP轉錄因子在植物響應光照呈色中也起重要作用。bZIP是植物中一大類轉錄因子家族，由個亮氨酸拉鏈二聚體和個DNA結合結構域構成，參與調控諸多生物學過程(BanerjeeRoychoudhury，2017)，如植物生長發育(Gibalováetal.，2017)、環境脅迫應答(Wangetal.，2017)和光信號轉導(Ang&Deng，1994)。擬南芥中影響植物光形態建成的HY5(longatedhypocotyl5)是第個被報道參與花青素苷合成調控途徑的bZIP型轉錄因子。此外，被報道較多的參與花青素苷依光合成轉錄調控的轉錄因子還有乙烯信號轉導途徑的ERF(Ethyleneresponsefactor)，以及參與光形態建成的PIF(Phytochromeinteractionfactors)。

　　1.2.1MYB轉錄因子MYB轉錄因子作為植物中最大的轉錄因子家族之一，幾乎參與了植物發育(Songetal.，2011)、次生代謝(Borevitzetal.，2000)、激素信號轉導(Abeetal.，2003)和脅迫應答(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轉錄因子有兩個截然不同的區域：端具有一段保守的、可結合DNA的結構域，稱為MYB結構域;端則是一個多樣的負責蛋白質活性調控的調節區域。根據MYB結構域的數量可將MYB轉錄因子分為類：1RMYB、R2R3MYB、3RMYB和4RMYB。其中R2R3MYB是數量最多的一類(Dubosetal.，2010)，也是調控類黃酮途徑的重要轉錄因子，廣泛參與調控花青素苷的生物合成。

　　目前，已經在許多植物中鑒定了調控花青素苷生物合成的R2R3MYB轉錄因子，其中很多編碼基因具有響應光照表達的特性，當光照強度改變時，這些MYB類轉錄因子的表達量也隨之變化，并調控結構基因的表達。在模式植物擬南芥中鑒定的調控花青素苷合成的MBW復合體中的PAP1和TT8都具有光響應特性(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)。后來發現的響應光照表達的MYB轉錄因子可以直接結合在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光照合成的分子機理。

　　1.2.2HY5轉錄因子

　　HY5被證明是參與植物光形態建成的重要轉錄因子。研究表明擬南芥中大部分花青素苷生物合成的結構基因和調節基因都能夠被HY5調控。Shin等(2007)發現HY5與PIF3(Phytochromeinteractingfactor3)共同作用，能夠直接結合在擬南芥花青素苷生物合成途徑結構基因啟動子的ACEbox區域。此外，HY5還可以結合到調節基因PAP1(Shinetal.，2013)和MYBD(Nguyenetal.，2015)啟動子的box和ACEbox元件上，調控花青素苷的生物合成。最近的研究表明，HY5還能與擬南芥負調控MBW復合體的MYBL2轉錄因子編碼基因的啟動子直接結合，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基因環通過轉錄和轉錄后水平的調控減少MYBL2蛋白含量，從而增強MBW復合體的穩定性，最終調節花青素苷的響應光照誘導合成。

　　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PAP1的表達(Changetal.，2008)。

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

　　1.光信號轉導調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導的“中央調節器”(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結構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結構域外，COP1還攜帶一個環指結構域，具有泛素化下游靶因子(轉錄因子)的功能，調控植物發育的多個過程(Yuetal.，2008;Kangetal.，2009)。在多個物種的研究中發現，COP1能夠與調控花青素苷合成的MYB轉錄因子直接互作，參與調控花青素苷響應光照的生物合成過程。在蘋果中還發現另一類E3泛素化連接酶BT2(Bricbrac/tramtrack/broadprotein，BTB)參與調控響應光照合成花青素苷的過程。

　　2光質調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影響，如光合作用、細胞分化以及影響植物生長和發育的其他生命過程(Zorattietal.，2014)。雖然輻射強度每天都在變化，但是同一地區的光譜組成非常穩定，這就導致生長在不同地區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;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境因子(馬朝峰和戴思蘭，2019)。光周期除了對植物生長發育有多方面的影響，也會影響次生代謝產物的生物合成。對于大多數植物來說，長日照能夠促進花青素苷的積累。在對歐洲越橘(Vacciniummyrtillus)的研究中發現，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構基因的表達量更高，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

　　光照既可直接調控花青素苷合成途徑中的結構基因，也可間接調控相關調節基因的表達豐度，從而決定最終的花青素苷含量，進而調控園藝作物的色澤。迄今的研究表明，光信號轉導途徑的關鍵因子往往與調控花青素苷生物合成的轉錄因子MYB和bHLH存在互作，從而在轉錄和轉錄后水平調控MYB和bHLH。光信號轉導途徑調控花青素苷生物合成的分子機制在擬南芥和蘋果中已經解析得比較清楚，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，在以往的研究中發現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，探究環境和激素信號調控其呈色的分子機制，將其呈色研究提供新的證據。目前已有研究表明，環境因子對花青素苷的生物合成調控不是單一作用的。在蘋果中，糖反應途徑的關鍵因子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轉錄因子激活花青素苷生物合成途徑，最終誘導花青素苷和原花青素苷的積累(Liuetal.，2017)。

　　在血橙的研究中發現，CsRuby1(R2R3MYB)是同時響應低溫和光照誘導激活花青素苷合成的關鍵轉錄因子(Huangetal.，2019)。因此，解析不同環境因子和激素協同調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。光照調控花青素苷的過程還存在與木質素、黃酮、黃酮醇和原花青素等其他次生代謝途徑的平衡調控機制。最近對蘋果的研究發現，分子調控模塊MdMYB16/MdMYB1miR7125MdCCR調控了蘋果在光誘導下花青素苷與木質素的動態平衡(Huetal.，2021)�？梢姡瑔我画h境因子調控不同次生代謝途徑的交聯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

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