植物花青素合成的環境調控研究進展

王鳳華，郭 佳，吳正景，張菊平

（1.河南科技大學 園藝與植物保護學院，河南 洛陽 471000；2.南京國環有機產品認證中心有限公司，江蘇 南京 210042）

花青素是一種重要的天然植物色素，自然條件下，大多以糖苷的形式存在，稱為花青苷?；ㄇ嗨睾突ㄇ嘬諒V泛存在于植物的組織和器官中，使植物呈現五彩繽紛的顏色?；ㄇ嗨匾彩怯绊憟@藝產品外觀品質的重要因素，一般花青素含量高的產品，市場價格也較高?；ㄇ嗨剡€具有抗腫瘤、抗氧化、抗生物和非生物脅迫等作用。植物以苯丙氨酸為前體，按照圖1 的途徑合成花青素［1］。苯丙氨酸裂解酶（Phenylalanine ammonialyase，PAL）、查爾酮合成酶（Chalcone synthase，CHS）、查耳酮異構酶（Chalcone isomerase，CHI）、黃烷酮-3- 羥化酶（Flavanone 3-hydroxylase，F3H）、二氫黃酮醇還原酶（Dihydroflavonol 4-reductase，DFR）、花青素合成酶（Anthocyanidin synthase，ANS）、類黃酮-葡萄糖基轉移酶（UDP-glucose flavonoid 3-O-glucosyl transferase，UFGT）等是催化花青素合成的主要酶類。編碼這些酶的基因稱為結構基因，在花青素生物合成中起主導作用。結構基因的表達受調節基因即轉錄因子的影響，bHLH（basic helix-loop-helix）、MYB和WD40等轉錄因子參與了植物花青素的合成。結構基因與轉錄因子共同形成了植物花青素合成代謝的分子調控網絡。

圖1 植物花青素合成途徑Fig. 1 Synthesis of plant anthocyanin

在植物花青素生物合成代謝中，環境因素也發揮著重要調控作用。例如，同株月季（Rosa chinen-sisJacq.）花經常隨年份、月份呈現不同的顏色，這主要就是受環境的影響。環境因素通過影響結構基因和轉錄因子的表達而影響植物花青素的合成，并導致花青素含量、分布、穩定性等發生改變，從而顏色也發生相應改變［2］。

1 光照對花青素代謝的調控

1.1 光照對花青素結構基因表達的影響

花青素積累受光照強度的影響，隨光照強度增加而增加［3］。調控植物花青素合成的酶類大都是光調節酶，光照可以提高這些酶的活性，促進花青素合成［4］。強光上調花青素合成相關基因CHS、CHI、DFR等的表達［5］。光質是影響植物花青素合成的另一重要因子，紫外光能誘導蕪青（Brassica rapaL.）花青素合成［6］。不同部位對光質的反應存在差異，蕪青中藍光主要在下胚軸上部，紫外光UV-B 在中部和上部，UV-A 在下部到上部［7］。在一定范圍內，光照時間越長，花青素積累越多［8］。葉片是光信號的感受器官，將離體矮牽牛（Petunia×hybridahort. ex Vilm.）置于黑暗中生長，最終花冠長度、花青素含量、CHS基因的表達被顯著抑制。然而，將其花冠嫁接到其他植株上，遮住花冠，再進行照光，結果對花冠生長和CHS基因表達的影響甚微［9］。將月季花冠遮光，花瓣能正常顯色，但將葉片遮光，顯色受到抑制［10］。目前研究已經分離鑒定了一大批光受體，如光敏色素（Phytochrome，PHY）：PHYA、PHYB、PHYC、PHYD、PHYE（吸收紅光和遠紅光）；隱花色素（Cryptochrome，CRY）：CRY1、CRY2、CRY3（吸收藍光和UV-A）；向光素（Phototropic pigment，PHOT）：PHOT1、PHOT2 及UVR8（UV-B 敏感光受體）等［11］。

1.2 光照對花青素合成轉錄因子的影響

光照對花青素的調控主要是影響其轉錄因子。光誘導轉錄因子MYB10、WD40和HY5的表達，會激活花青素生物合成途徑中關鍵基因，促進花青素的合成和積累。HY5是誘導花青素生物合成的關鍵調控因子，MYB10與HY5相互作用，通過與G-box 基序結合，正向調節植物花青素生物合成［12］。光照增強果皮顏色，上調PyMYB10和PybHLH基因表達。MYB-bHLH-WD40轉錄復合體在光照下形成，參與調控果皮花青素積累。PyMYB10、PybHLH和Py-WD40轉錄因子組成的三元復合物調控云南紅梨［Pyrus pyrifolia（Burm. F.）Nakai.］花青素的合成和積累［13］。光照誘導梨果實和愈傷組織中轉錄因子PpbHLH64的表達和花青素的積累［14］。

照光后，植物光受體將光信號傳遞給轉錄因子，轉錄因子接受光信號后與結構基因中的順式作用元件相互作用調控花青素合成［15］。擬南芥（Arabidopsis thalianaL. Heynh.）CHS、FLS、F3H基因的啟動子中均含有MYB識別元件［16］。HY5轉錄因子也是COP1 的靶基因，光照條件下，COP1 從細胞核中轉移出來，與HY5結合，啟動相關結構基因表達，促進花青素合成；黑暗條件下，COP1 在細胞核中與SPA 形成復合物COP1/SPA，使HY5泛素化，HY5降解，最終無法啟動結構基因表達，花青素合成受抑［11］。擬南芥中，HY5通過影響轉錄因子MYB75/PAP1的活性而影響花青素合成［17］。MdCOP1與MdMYB1互作調控蘋果花青素合成［18］。Ni 等［19］將突變體“紅早酥”梨暴露在藍光下，顯著誘導花青素積累，同時Pp4ERF24和Pp12ERF96基因表達上調，說明光照可能引起乙烯表達量變化從而導致花青素積累。并不是所有植物的花青素合成都受光調控，例如葡萄（Vitis viniferaL.）的某些品種，光照對其花青素合成并沒有顯著影響［20］。

2 溫度對花青素合成的調控

溫度也是影響花青素積累的主要因素。低溫促進花青素積累，高溫抑制花青素合成。牡丹（Paeonia × suffruticosaAndr.）花青素合成相關基因受低溫促進［21］。低溫下，柑橘（Citrus reticulataBlanco.）PAL、CHS、DFR等基因的表達上調，果肉花青素含量增加［22］。低溫更多是通過影響轉錄因子的表達而影響花青素的合成。低溫下蘋果（Malus pumilaMill.）果皮中的轉錄因子MdMYBA表達量明顯增加，花青素含量增加［23］；MdMYB73介導了植物的耐寒性，過量表達MdMYB23的轉基因蘋果愈傷組織和擬南芥花青素含量增加，耐寒性增強［24］。相反，高溫則抑制植物花青素合成。擬南芥轉錄因子TT8、TTG1及EGL3等的表達受高溫抑制，花青素積累減少［25］。參與花青素生物合成的AmCHS1、Am-CHI、AmF3H、AmDFR、AmANS和AmUFGT轉錄本水平在高溫下明顯降低［26］。高溫誘導了HY5降解，抑制了MYBL2的表達，花青素減少，在cop1 和hy5突變植株中，花青素的生物合成和積累不受溫度變化的影響［27］。溫度還通過影響相關酶的穩定性而影響花青素積累，紫菀（Aster tataricusvL. f.）PAL、CHI 酶的活性受溫度影響，溫度高活性低。29℃/21℃（晝/夜）條件下，花瓣中的花青素含量只有17℃/ 9℃（晝/夜）時的一半。鎂處理紫菀植物，在高溫下，花青素濃度提高了80%，可以部分防止顏色褪色［28］。溫度還影響花青素的穩定性，當環境溫度大于30℃時，花青素不穩定，菊花花瓣較難著色或褪色［29］。

3 糖對花青素合成的調控

糖是構成花青素碳骨架的基礎，也是一種信號分子，研究證明糖參與了植物花青素合成。蘿卜（Raphanus sativusL.）可溶性糖含量與根肉色呈顯著相關［30］。紫薯（Solanum tuberosumL.）花青素合成也受糖調控［31］。擬南芥CHS、CHI、DFR、F3H、PAL、DFR、UFGT和MYB75等基因的表達受蔗糖調控。蔗糖對擬南芥花青素合成相關基因的調控力度存在差異，一般來說對結構基因的影響最大，其次是正調控因子GL3、TT8和PAP1等，最后是負調控因子，如MYBL2［32］。蔗糖處理增加了金魚草（Antirrhinum majusL.）切花花青素的積累，提高了花瓣在高溫下的糖含量，AmCHS1、AmF3H、AmDFR、AmANS和AmUFGT轉錄水平也提高［26］。糖的種類不同其調控效果也不同。蔗糖增加花青素積累，果糖和葡萄糖效果甚微［33］。糖對花青素合成代謝的影響可能與糖的磷酸化作用相關，可以被磷酸化的糖能顯著促進花青素積累，不能被磷酸化的則不能誘導花青素積累［34］。研究發現，在牽?；ê蛿M南芥的CHS基因5’端有個“蔗糖盒”［35］，這似乎解釋了蔗糖誘導花青素合成的原因。

4 激素對花青素合成的調控

激素主要通過2 種方式調控植物花青素合成，即正調控和負調控。

4.1 激素對花青素合成的正調控

生長素（Indole-3-acetic acid，IAA）、細胞分裂素（Cytokinin，CTK）、脫落酸（Abscisic acid，ABA）、茉莉酸（Jasmonate，JA）等能激活花青素合成。用IAA 處理擬南芥幼苗后，CHS、CHI、F3H、TTG1、PAP1、MYB12等基因表達上調［36］。CTK 受體AHK2、AHK3和AHK4（組蛋白激酶）以及ARR1、ARR10和ARR12（B 型響應調節因子）等參與了植物花青素合成，其中AHK2、AHK3和AHK4是正調控因子，CTK 顯著抑制擬南芥突變體ahk2/3 和ahk3/4的花青素合成［37］，這也證明CTK 正調控擬南芥花青素合成。擬南芥中有7 種B 型響應調節因子ARRs參與了CTK 信號的傳遞［38］。CTK 對植物花青素合成的調控可能還需要光的參與［11］，其調控作用通過光電子傳遞信號途徑進行［39］。ABA 誘導葡萄花青素合成［40］，但是ABA對花青素合成的調控可能需要糖，因為單獨采用ABA 處理擬南芥植株，只有PAP2和ATT的表達受影響，對其它相關基因的影響不大；但采用糖和ABA同時處理，則促進了大部分相關基因的表達［41］。ABA 的調控作用可能通過轉錄因子介導，在玉米中存在一個MYB轉錄因子，其活性受ABA 調控［42］。JA 也對植物花青素合成起正調控作用。茉莉酸甲酯（Methyl jasmonate，MeJA）通過上調相關基因的轉錄促進花青素的積累。MeJA 處理蘿卜可以顯著增加蘿卜花青素含量［3］。Wang 等［43］發現轉錄因子MdMYB24L與JA 信號因子（Md-JAZ8，MdJAZ11和MdMYC2）存在相互作用，Md-MYC2 蛋白也是MdJAZ8和MdJAZ11的靶向蛋白，它們在MeJA 處理下迅速降解。MdMYB24L過表達導致轉基因蘋果愈傷組織中花青素含量高于對照，MdUFGT和MdDFR的表達上調。與ABA 類似，JA發揮作用也需要糖。因為僅用JA處理擬南芥，花青素合成不受影響；但是JA 和糖同時存在時，卻顯著促進了CHI、PAP1、PAP2基因的表達［11］。COI1 介導了JA 調控的植物花青素合成。JAZ 是茉莉酸信號途徑的一類調控蛋白，JAZ 通過調控轉錄因子bHLHs和R2R3-MYBs而影響植物花青素合成［44］。

4.2 激素對花青素合成的負調控

赤霉素（Gibberellic acid，GA）和乙烯（Ethylene receptor，ETR）對花青素合成起負調控作用。外源GA3 處理顯著降低蘿卜花青素含量［45］。GA3 顯著降低了結構基因DFR和轉錄因子PAP1和PAP2的表達水平［41］。缺乏赤霉素應答的擬南芥突變植株ga1，GA 前體無法生成，內源赤霉素含量較低，抑制作用降低，進而觸發了參與花青素合成途徑基因PAP1等表達上調，植株花青素含量增加［41］。ETR也是植物花青素合成的負調控因子，過量表達突變基因ETR1H69A（ETR 受體基因）的轉基因煙草（Nicotiana tabacumL.）中，花青素含量顯著增加［42］。植物體中存在乙烯受體，這些受體也影響花青素合成。已知的乙烯受體有ETR1、ETR2、ERS1、ERS2、EIN4等，其中EIN2、EIN3/EILs起正調控作用，ETRs和ERSs 起負調控作用［11］。在擬南芥乙烯突變體etr1-1、ein2-1、ein3和eil1中，花青素含量顯著增加［13，39］。關于ETR 的作用機制，Kim 等［40］認為ETR通過下調bHLHs和MYB以及上調MYBL2的表達而抑制玉米（Zea maysL.）花青素合成。ETR抑制植物花青素合成可能與ETR三重反應有關［32］。

5 其他環境因子

鹽、干旱、低氮脅迫等也對植物花青素合成存在顯著影響。NaCl 脅迫下蘿卜花青素含量顯著增加［3］。轉入花青素合成相關基因可以顯著提高植物的抗鹽能力，在轉Del基因的煙草中，NtCHS、Nt-CHI、NtF3H、NtDFR和NtANS表達上調，花青素含量顯著增加，抗鹽能力顯著提高［46］。過量表達AtDFR的甘藍型油菜（Brassica napusL.）DFR基因的轉錄水平顯著升高，花青素含量提高，抗鹽力提高［47］；而缺失花青素合成相關基因抗鹽能力則降低［48］。干旱脅迫也影響植物花青素合成。干旱脅迫下，花青素合成相關的結構基因和調節基因表達上調，花青素含量上升［49-50］。轉Del基因和R2R3-MYB基因的植物，花青素含量提高，抗旱能力提高［46，49］。缺氮條件下，植物花青素含量升高，這也許是植物適應逆境脅迫的一種方式，轉基因蘋果花青素積累量增多，抗低氮脅迫的能力提高［51-52］。在低氮脅迫下，擬南芥tt3突變體（DFR缺失），DFR合成受阻，抗低氮脅迫能力減弱［52］。海拔、pH值等也與植物花青素合成有關［53］，這些因素主要通過影響光、溫度、水等的再分配影響花青素的合成，植物花青素的合成可能還與Ca2+信號途徑有關［54］。

5 問題與展望

環境因子主要通過調控結構基因和轉錄因子的表達影響植物花青素合成，這也是植物為了生存自我調節適應逆境的一種應激反應。盡管已經從擬南芥、蘋果和矮牽牛等植物中獲得了參與花青素合成代謝的轉錄因子，但是環境因子對這些轉錄因子的作用機制以及轉錄因子與結構基因的相互作用機制仍不清楚。實際生產中，環境因子不會單獨存在，常常是多因素協同作用。例如，藍光誘導擬南芥CHS基因的表達受蔗糖的影響；低溫誘導擬南芥花青素合成需要光的參與；蔗糖誘導花青素合成，但會被赤霉素抑制；光呼吸和溫度共同調控桃花青素代謝［55］，那么各因素之間是如何協同作用共同調控植物花青素代謝的呢？相關機制有待闡明。另外，植物花青素的抗氧化功能，不僅表現在非生物脅迫中，也表現在生物脅迫中。

今后的研究可以著力解決以下問題：環境因子與轉錄因子的作用機制，轉錄因子與結構基因的相互作用機制，多因子如何相互作用，各因子調控的共同點和不同點等。由于花青素的抗氧化功能，花青苷已經成為一個重要的植物育種性狀，如何將理論研究用于植物育種中也是廣大育種學家面臨的重要問題。相信隨著分子生物學相關技術的發展，這些問題會逐步得到闡明。