光照调控园艺作物花青素苷生物合成的分子机制

　　摘要：综述了近30年来有关光强、光质和光周期等光照因素调控园艺作物花青素苷生物合成的研究进展，并侧重总结了该生物学过程中关键转录因子及其作用机制，梳理其分子调控网络。

　　关键词：园艺作物;光照;花青素苷;生物合成

　　花青素苷(nthocyanin)是广泛存在于被子植物中的一类重要的色素物质，其被糖苷修饰后形成稳定的水溶性物质存在于植物细胞的液泡中，使园艺作物的花朵和果实等器官呈现丰富的色彩。因其合成量直接影响植物器官呈色，近年来成为园艺作物呈色机理研究领域的热点。花青素苷生物合成途径是迄今为止研究得最为清楚的植物次生代谢产物途径，由于该代谢途径的终产物和中间产物可以被测得，其结构基因和调节基因的作用机制已经得到较好的阐述(戴思兰和洪艳，2016;庄维兵等，2018)，其中转录因子单独或协同调控花青素苷生物合成的分子机制不断被完善(宋雪薇等，2019)。

　　园艺师论文范例： 园艺管理养护中的细节控制

　　同时，花青素苷作为具有抗氧化功能的次生代谢产物，也是植物抵御环境胁迫系统的重要组成物质，其合成受到多种环境因子的影响(胡可等，2010;王华等，015)，如当植物遇到强光、UV照射、低温和氮亏缺等逆境时会大量合成花青素苷以增强自身抗性(Liuetal.，2018;王鸿雪等，2019)。此外，花青素苷的生物合成也受到植物体自身生长发育过程的影响，还响应生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯和茉莉酸等激素的刺激(Guetal.，2019)。研究其合成过程响应环境信号的机制，可以为高等植物信号转导机制的解析提供新见解。光照是调控花青素苷积累的最重要的环境因子之一。

　　光照不仅为植物的生长提供能量，同时作为生长发育信号影响植物生长发育的多个过程和整个生长周期。光照对植物的影响体现在个方面：光照强度、光质、光周期)以及光照方向。目前的研究表明，光照强度、光质和光周期均对花青素苷的生物合成产生影响。随着分子生物学的发展，近年来光照调控花青素苷生物合成的分子机制在不断被解析。本文中围绕近年来光照调控花青素苷生物合成分子机制的研究进展进行了系统的梳理和综述，以期为深入研究环境因子调控园艺作物呈色机理提供借鉴。

　　1光照调控花青素苷生物合成的分子机制

　　1.1光照调节花青素苷生物合成途径的结构基因表达

　　1.1.1响应光照诱导表达的结构基因决定花青素苷合成的直接原因是其生物合成途径上结构基因的表达。对许多物种的研究发现，强光可以诱导结构基因的上调表达，使花青素苷的积累量增加;而黑暗或弱光使这些基因的表达丰度下降，从而抑制花青素苷的合成，表现出白色或浅色表型。对于模式植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)，光照可以诱导结构基因CHS(Chalconesynthase)、DF(Dihydroflavonol4reductase)和LDOX/ANS(Leucoanthocyanidindioxygenase/Anthocyanidinsynthase)的表达(Cominellietal.，2008)。一些水果在生产上需要进行套袋(遮光)和摘袋(光照)处理，因此相关研究较多。

　　例如，对非转色期的荔枝(Litchichinensis)果实进行套袋，其果皮中花青素苷的积累被显著抑制，并且花青素苷生物合成相关基因LcCHS、LcCHI(Chalconeisomerase)、LcF3H(Flavanone3hydroxylase)、LcDFR(Dihydroflavonolreductase)、LcANS和LcUFGT(UDPflavonoidglucosyltransferase)的表达量在去除套袋、重新见光后明显上调(Weietal.，2011)。强光显著诱导葡萄(Vitisvinifera)果皮中总花青素苷的积累，并同时诱导CHS、CHI、F3H、F3′5′H(Flavanone3′5′hydroxylase)、DFR、MT(Methyltransferases)和GT(Glycosyltransferases)的高丰度表达，并且这种光诱导作用与温度无关(Azumaetal.，2012)。

　　光照强度对花青素苷生物合成途径结构基因表达的影响在杨梅(Niuetal.，2010)、越橘属(ZhouandSingh，2004;Ulebergetal.，2012)、悬钩子(Wangetal.，2009)、番茄(Løvdaletal.，2010)和茄子(Lietal.，2018)等植物中也有相似的研究结果。在蔷薇科(Rosaceae)植物中，光照对于草莓(Anttonenetal.，2006;KadomuraIshikawaetal.，2013)、桃(Ravagliaetal.，2013)、梨(Fengetal.，2010;Sunetal.，2014)、苹果(Takosetal.，2006a，2006;Fengetal.，2013)和海棠(Luetal.，2017)果实中花青素苷生物合成的影响也十分明显。

　　在一些梨品种中，强光甚至会促进花青素苷的降解(Zhangetal.，2011)。与上述研究相反，部分园艺植物中花青素苷的生物合成几乎不受光照强度的诱导，山竹(Garciniamangostana)就是典型的例子(Palapoletal.，2009)。部分植物中花青素苷的高效积累并不需要很强的光照，如喜欢弱光条件的越橘属植物的果实中就含有丰富的花青素苷(Jaakolaetal.，2004)，这类植物中花青素苷生物合成基因直接决定不同果实发育阶段的花青素苷和其他类黄酮含量，环境因子对花青素苷和其他类黄酮的生物合成仅具有微调作用。

　　与果实着色机理类似，观赏植物的花朵也会由于花青素苷生物合成途径结构基因的依光表达表现依光呈色的现象。Nakatsuka等(2009)发现百合的花朵在遮光后花色变浅，花青素苷含量降低，DFR基因表达量下调。Hong等(2015)对依光呈色的菊花品种‘丽金’进行转录组学分析发现，舌状花中花青素苷生物合成途径上几乎全部结构基因(除CHI基因)在遮光后均下调表达。对于营养器官叶片，一些研究发现强光会诱导其花青素苷的合成而呈现非绿色的表型，其直接原因也是花青素苷生物合成途径结构基因在强光下上调表达(Albertetal.，2009;hangetal.，2018b)，这也为绿色器官的色泽改良提供了重要的基因资源。

　　1.1.2结构基因上的光响应元件研究表明，花青素苷生物合成途径结构基因启动子序列包含响应光照的顺式作用元件(Lightregulatoryunit，LRU)是基因响应光照表达的必要条件。在拟南芥中MRE(MY转录因子结合位点，MYBrecognitionelement)和ACE(ZIP转录因子结合位点，ACGTcontainingelement)是LRU上的重要元件(Hartmannetal.，2005)。后续在苹果MdDFR和MdUFGT的启动子序列(Takosetal.，2006a)、葡萄VvFLS1的启动子序列(Czemmeletal.，2009)以及桃的花青素苷生物合成途径结构基因启动子序列上，均发现并鉴定了LRU(Zhouetal.，2013)。可见，LRU是花青素苷合成途径结构基因能否具有光响应特性的一个重要标志。对于上述响应光照表达的结构基因上的光响应元件尚需开展深入研究。

　　1.2光照诱导花青素苷合成的转录调控机制结构基因上光响应标志元件LRU包含的重要顺式作用元件之一MRE是MYB转录因子的结合位点，暗示MYB转录因子在光响应呈色的调控中发挥重要作用。另一个重要顺式作用元件CE是ZIP(Basicleucinezipper)转录因子结合位点，暗示ZIP转录因子在植物响应光照呈色中也起重要作用。bZIP是植物中一大类转录因子家族，由个亮氨酸拉链二聚体和个DNA结合结构域构成，参与调控诸多生物学过程(BanerjeeRoychoudhury，2017)，如植物生长发育(Gibalováetal.，2017)、环境胁迫应答(Wangetal.，2017)和光信号转导(Ang&Deng，1994)。拟南芥中影响植物光形态建成的HY5(longatedhypocotyl5)是第个被报道参与花青素苷合成调控途径的bZIP型转录因子。此外，被报道较多的参与花青素苷依光合成转录调控的转录因子还有乙烯信号转导途径的ERF(Ethyleneresponsefactor)，以及参与光形态建成的PIF(Phytochromeinteractionfactors)。

　　1.2.1MYB转录因子MYB转录因子作为植物中最大的转录因子家族之一，几乎参与了植物发育(Songetal.，2011)、次生代谢(Borevitzetal.，2000)、激素信号转导(Abeetal.，2003)和胁迫应答(Zhangetal.，2012)等植物生长过程的各个方面，在植物的各种生命活动中有着不可替代的作用。MYB转录因子有两个截然不同的区域：端具有一段保守的、可结合DNA的结构域，称为MYB结构域;端则是一个多样的负责蛋白质活性调控的调节区域。根据MYB结构域的数量可将MYB转录因子分为类：1RMYB、R2R3MYB、3RMYB和4RMYB。其中R2R3MYB是数量最多的一类(Dubosetal.，2010)，也是调控类黄酮途径的重要转录因子，广泛参与调控花青素苷的生物合成。

　　目前，已经在许多植物中鉴定了调控花青素苷生物合成的R2R3MYB转录因子，其中很多编码基因具有响应光照表达的特性，当光照强度改变时，这些MYB类转录因子的表达量也随之变化，并调控结构基因的表达。在模式植物拟南芥中鉴定的调控花青素苷合成的MBW复合体中的PAP1和TT8都具有光响应特性(Shinetal.，2013)。

　　另外，拟南芥中由MYBL2编码的R3MYBrelated蛋白与bHLH蛋白直接相互作用，破坏MBW复合物的形成，是花青素苷合成的抑制子;而其在强光下表达被抑制(Dubosetal.，2008)。后来发现的响应光照表达的MYB转录因子可以直接结合在MYBL2编码基因的启动子上抑制其表达(Nguyenetal.，2015)，进一步完善了拟南芥花青素苷响应光照合成的分子机理。

　　1.2.2HY5转录因子

　　HY5被证明是参与植物光形态建成的重要转录因子。研究表明拟南芥中大部分花青素苷生物合成的结构基因和调节基因都能够被HY5调控。Shin等(2007)发现HY5与PIF3(Phytochromeinteractingfactor3)共同作用，能够直接结合在拟南芥花青素苷生物合成途径结构基因启动子的ACEbox区域。此外，HY5还可以结合到调节基因PAP1(Shinetal.，2013)和MYBD(Nguyenetal.，2015)启动子的box和ACEbox元件上，调控花青素苷的生物合成。最近的研究表明，HY5还能与拟南芥负调控MBW复合体的MYBL2转录因子编码基因的启动子直接结合，通过组氨酸修饰作用抑制其表达;或激活MIR858a的表达，而miR858a可以抑制MYBL2的翻译过程。总之，HY5MIR858aMYBL2基因环通过转录和转录后水平的调控减少MYBL2蛋白含量，从而增强MBW复合体的稳定性，最终调节花青素苷的响应光照诱导合成。

　　此外，STH2(Salttolerancehomolog)是一种box蛋白，通过与HY5互作增强花青素苷的积累(Dattaetal.，2007);LZP(Lightregulatedzincfingerprotein1)是一种锌指蛋白，在HY5的下游起作用，能够诱导PAP1的表达(Changetal.，2008)。

　　园艺作物中这一作用机理更为复杂。An等(2017)通过同源克隆的方法获得了苹果MdHY5基因，其能够结合MdMYB10启动子box元件，诱导苹果花青素苷的积累。MdHY5还能直接作用于MdMYBDL1启动子，上调该基因的表达;MdHY5和MdMYBDL1可以抑制MdMYB16/308(MdMYB16/308转录因子与bHLH/33形成的复合体，抑制果的花青素苷生物合成途径)的表达，从而使dMYB1和bHLH/33复合体(促进苹果的花青素苷生物合成途径)更稳定，最终诱导苹果中花青素苷的积累(Liuetal.，2019)。在梨的研究中发现，PpHY5虽然能够与PpMYB10互作，但不能激活其转录活性，需要与BBX16结合成复合体调控PpMYB10的表达(Baietal.，2019)。

　　1.光信号转导调控花青素苷合成的机制

　　在模式植物拟南芥中，COP1同时与上游光受体蛋白和下游靶蛋白互作，因此被认为是光信号转导的“中央调节器”(Maetal.，2002)。与COP1互作的光受体主要有类，分别为蓝光受体CRY1和CRY2、红光/远红光受体PHYA和PHYB以及UV受体UVR8，COP1通过其端的WD40结构域与这些光受体蛋白进行物理互作(Jangetal.，2010;Liuetal.，2011;Christieetal.，2012;Wuetal.，2012)。除了WD40结构域外，COP1还携带一个环指结构域，具有泛素化下游靶因子(转录因子)的功能，调控植物发育的多个过程(Yuetal.，2008;Kangetal.，2009)。在多个物种的研究中发现，COP1能够与调控花青素苷合成的MYB转录因子直接互作，参与调控花青素苷响应光照的生物合成过程。在苹果中还发现另一类E3泛素化连接酶BT2(Bricbrac/tramtrack/broadprotein，BTB)参与调控响应光照合成花青素苷的过程。

　　2光质调控花青素苷生物合成的分子机制

　　植物花青素苷的积累对接受的光谱成分是十分敏感的。自然界中具有生物活性辐射的光谱在300~800nm之间。阳光中大多数和全部(280nm)被臭氧层吸收，地球表面接受的紫外光仅为和部分。在过去的几十年中，由于臭氧层的破坏，辐射到地球表面的越来越多，现今大约有5%的光照来自(HeijdeUlm，2012)。虽然只占太阳光谱的一小部分，却对植物有很广泛的光生物学影响，如光合作用、细胞分化以及影响植物生长和发育的其他生命过程(Zorattietal.，2014)。虽然辐射强度每天都在变化，但是同一地区的光谱组成非常稳定，这就导致生长在不同地区不同光照条件下的植物的花色、叶色和果色等常常不同，如蓝色花大多集中分布于高山地区;而在平原地带，蓝紫色的花却较罕见(胡可等，2010)。

　　3光周期对花青素苷生物合成的影响

　　光周期是影响植物开花的重要环境因子(马朝峰和戴思兰，2019)。光周期除了对植物生长发育有多方面的影响，也会影响次生代谢产物的生物合成。对于大多数植物来说，长日照能够促进花青素苷的积累。在对欧洲越橘(Vacciniummyrtillus)的研究中发现，与12日照时长相比，24h日照时长处理的果实花青素苷显著增加(Ulebergetal.，2012);田间试验也表明，生长在较长日照条件下的欧洲越橘浆果中的花青素苷含量更高(Lättietal.，2008，2010;Åkerströmetal.，2010)。与每天8h光照条件相比，16h长光照下生长30d的甘薯(Ipomoeabatatas)叶片类黄酮合成途径中结构基因的表达量更高，并积累相对更多的花青素苷和黄酮醇苷(Carvalhoetal.，2010)。关于光周期影响花青素苷积累的机理还需要更多研究积累。

　　4展望

　　光照既可直接调控花青素苷合成途径中的结构基因，也可间接调控相关调节基因的表达丰度，从而决定最终的花青素苷含量，进而调控园艺作物的色泽。迄今的研究表明，光信号转导途径的关键因子往往与调控花青素苷生物合成的转录因子MYB和bHLH存在互作，从而在转录和转录后水平调控MYB和bHLH。光信号转导途径调控花青素苷生物合成的分子机制在拟南芥和苹果中已经解析得比较清楚，但是在其他园艺作物中的研究还比较少。

　　在拟南芥的研究中多使用幼苗或叶片，在果树中则为果实，在以往的研究中发现由于基因功能和分子机制的物种特异性，在模式植物研究中获得的试验结果不能完全解释其他园艺作物不同器官的呈色机制。因此，以园艺作物重要器官为研究对象，探究环境和激素信号调控其呈色的分子机制，将其呈色研究提供新的证据。目前已有研究表明，环境因子对花青素苷的生物合成调控不是单一作用的。在苹果中，糖反应途径的关键因子MdSnRK1.1与茉莉酸(JA)信号通路中的阻遏物MdJAZ18相互作用并使之磷酸化，以促进MdJAZ18的降解，释放MdbHLH3转录因子激活花青素苷生物合成途径，最终诱导花青素苷和原花青素苷的积累(Liuetal.，2017)。

　　在血橙的研究中发现，CsRuby1(R2R3MYB)是同时响应低温和光照诱导激活花青素苷合成的关键转录因子(Huangetal.，2019)。因此，解析不同环境因子和激素协同调控花青素苷生物合成途径的分子机制将成为今后的研究热点。光照调控花青素苷的过程还存在与木质素、黄酮、黄酮醇和原花青素等其他次生代谢途径的平衡调控机制。最近对苹果的研究发现，分子调控模块MdMYB16/MdMYB1miR7125MdCCR调控了苹果在光诱导下花青素苷与木质素的动态平衡(Huetal.，2021)。可见，单一环境因子调控不同次生代谢途径的交联机制也将是未来的研究方向。

　　作者：洪艳，武宇薇，宋想，李梦灵，戴思兰

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