花青素代谢途径与植物颜色变异-祝志欣

植物学报ChineseBulletinofBotany2016,51(1):107–119,——————————————————收稿日期:2015-03-26;接受日期:2015-07-17基金项目:国家自然科学基金(No.91331116,No.31070263)*通讯作者。E-mail:[e-mail]花青素代谢途径与植物颜色变异祝志欣1,2,鲁迎青1*1中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室,北京1000932海南大学园艺园林学院,海口570228摘要花青素是种子植物呈色的重要色素,由一系列结构基因编码的酶(CHS、CHI、F3H、F3'H、F3'5'H、DFR、ANS和3GT)催化而成,随后经过各种修饰被转运至液泡等部位储存。各类器官中差异表达的MYB、bHLH和WDR三种调控因子通过形成MBW复合体直接正调控以上结构基因的表达。这个过程涉及的基因变异常会导致植物的各种颜色变异。在生活中人们广泛利用这些变异品种,取其丰富色味。造成颜色变异的具体分子机制在很多情况下还不清楚,但日益积累的个例研究为其中的规律性提供了基础数据。该文概述了花青素的合成、转运过程及其转录调控机制,探讨了研究颜色变异品种的常用思路及方法。在总结近年工作的基础上,对生活中常见蔬菜、水果和花卉的颜色变异品种的分子机制进行了综述。关键词花青素,MYB,bHLH,WDR,MBW复合体,颜色变异品种祝志欣,鲁迎青(2016).花青素代谢途径与植物颜色变异.植物学报51,107–119.绿色是植物最主要的颜色,由叶绿素产生。除叶绿素外,植物界还存在类胡萝卜素(carotenoid)、类黄酮(flavonoid)和甜菜碱(betalain)三大类色素,它们与叶绿素配合,使植物呈现出五彩斑斓的颜色模式(Ta-nakaetal.,2008;Milleretal.,2011)。其中隶属于类黄酮的花青素(anthocyanin)为天然水溶性色素,决定了大部分被子植物的花色,可以使花朵呈现出粉、红、紫和蓝等系列颜色(Winkel-Shirley,2001;Tanakaetal.,2008)。对于植物而言,花青素具有广泛的生物学功能。花青素在花朵和果实中积累,可使它们表现出丰富的色彩,吸引传粉者和果实传播者(Milleretal.,2011)。花青素在营养器官中积累,可以保护植物抵抗紫外、病虫害以及食草动物进食等非生物和生物胁迫(Dixonetal.,2002)。花青素在种子中积累,可以作为内源抗氧化剂保护种子内部的化学成分,并有助于种子的休眠(Lepiniecetal.,2006)。对人类而言,花青素的抗氧化性使其成为一种天然强效的自由基清除剂,具有抗氧化、抗突变、预防心脑血管疾病、保护肝脏和抑制肿瘤细胞发生等多种保健功能(Tapasetal.,2008)。在心血管疾病和癌症频发的现代社会,花青素因其具有保健作用而受到重视,各种富含花青素的食品也受到人们的青睐。花青素由一系列结构基因编码的酶催化合成,随后经过各种修饰被转运至液泡等部位储存。这其中一系列的结构基因、修饰和转运相关基因又被MYB、bHLH(basichelix-loop-helix)和WDR(WD-repeat)3种调控因子组成的复合体(简称MBW复合体)直接正调控(Daviesetal.,2012;Zhuetal.,2015)。这些结构基因或调控基因的变异可以导致各种颜色变异品种的形成。本文概述了花青素的合成和转运过程及其转录调控机制,探讨了颜色变异品种的研究思路与方法。最后在总结近年工作的基础上,对生活中常见蔬菜、水果和花卉的颜色变异品种的分子机制进行了综述。1花青素苷的合成及转运自20世纪80年代开始,遗传学家通过对各种颜色变异品种的研究,在玉米(Zeamays)、金鱼草(Antirrhinummajus)、矮牵牛(Petuniahybrida)和拟南芥(Arabi-dopsisthaliana)模式植物中逐步解析了花青素的代谢途径。相关研究成果被不断扩展到其它物种,进一步加深了我们对于整个类黄酮网络的认识(Milleretal.,2011;Daviesetal.,2012)。·专题论坛·108植物学报51(1)2016一般来说,花青素是由丙二酰辅酶A和香豆酰辅酶A在细胞质中经过一系列酶的催化而成(图1),之后再经不同的糖基化、甲基化和酰基化等修饰形成稳定的花青素苷,并在转运蛋白或转运囊泡的协助下进入液泡内汇集(Tanakaetal.,2008;ZhaoandDixon,2010;Gomezetal.,2011)。花青素的合成主要在内质网表面进行,推测由一系列结构酶集中形成的多酶复合体来催化这些连续的反应(ZhaoandDixon,2010)。途径的中间底物也可被导向类黄酮代谢的其它分支(图1),这些分支的产物也常常参与植物的呈色。例如,橙酮(aurone)为一类黄色物质,是金鱼草花上黄斑的呈色物质(Daviesetal.,2012);黄酮(flavone)和黄酮醇(flavonol)在可见光下颜色很淡,但因可以吸收紫外光而在紫外光下呈深色,如酢浆草(Oxalisfontana)的黄花在紫外光下显示出黑色的蜜导(Milleretal.,2011);原花青素(proantho-cyanin,PA)的颜色较深,常以不可溶的多聚体形式存在,经常参与种皮的着色,如野生型拟南芥种子呈深褐色(Appelhagenetal.,2015)。花青素苷的颜色多样且可溶,是使花朵着色的最常见色素,如参与了圆叶牵牛(Ipomoeapurpurea)的花色形成(Saitoetal.,1995;Luetal.,2009)。花青素合成途径中各个步骤能否顺利完成以及最后合成的花青素苷元种类是植物最终呈色的关键因素。花青素苷有6种常见的基本苷元形式(图1)。它们的主要区别在于其类黄酮骨架R1和R2位的羟基化和甲基化程度。羟基化程度增加,会使花青素苷元的色调向蓝色方向有大的偏移;而甲基化又会使其色调向红色方向小幅度回移(Moletal.,1998)。6种基本苷元有着各自的色彩范围,形成了从橙黄到蓝色一系列颜色。花青素苷合成后,一旦滞留在细胞质中,其较高的生物化学反应活性一方面对细胞可能造成毒害,另一方面会使花青素苷自身在反应中被氧化变性(ZhaoandDixon,2010)。花青素苷需要有效地向液泡中转运并贮藏,这一过程的异常也直接影响植物的着色。研究表明,花青素苷的液泡转运方式主要有3种(ZhaoandDixon,2010;王璐等,2014)。(1)在GST的协助下被靶向定位到液泡附近,液泡膜上的MRP类转运蛋白识别后将其跨膜转运至液泡;(2)由液泡膜上的MATE类转运蛋白将其跨膜转运到液泡中,这个过程需要如H+-ATPase质子泵产生的H+浓度梯度;(3)由囊泡包裹,通过膜融合的方式进入液泡(图1)。这几种转运机制可能同时存在并发生作用,但它们的相互关系和相对重要性目前还不太清楚(Poustkaetal.,2007;Gomezetal.,2011)。一些研究表明,GST或H+-ATPase相应的单基因突变可导致花青素不能积累(ZhaoandDixon,2010;Appelhagenetal.,2015)。________________________________________________________________________________________________图1类黄酮代谢途径中花青素的合成示意图花青素合成途径的中间底物也可被导向类黄酮途径的其它分支(灰色箭头所示)。方框中为主要的类黄酮类型,以其代表的色彩标示(它们的呈色与细胞环境相关)。橙酮是金鱼草花上黄斑的呈色物质(Daviesetal.,2012)。黄酮醇使酢浆草的黄花在紫外光下显出黑色的蜜导(Milleretal.,2011)。原花青素参与了拟南芥种皮的着色(Appelhagenetal.,2015)。花青素苷是各色圆叶牵牛的呈色物质(Luetal.,2009)。CHS:查尔酮合酶;CHI:查尔酮异构酶;F3H:黄烷酮-3β-羟化酶;F3'H:二氢黄酮醇-3'-羟化酶;F3'5'H:二氢黄酮醇-3',5'-羟化酶;DFR:二氢黄酮醇还原酶;ANS:花青素合成酶;3GT:尿苷二磷酸-葡萄糖-类黄酮-3-葡糖基转移酶;OMT:甲基转移酶;GST:谷胱甘肽转移酶;MRP:多药抗性相关蛋白;MATE:多药和有毒化合物排出家族蛋白;AVIs:花青素苷液泡内涵体Figure1TheflavonoidbiosyntheticpathwayleadingtotheproductionofanthocyaninTheintermediatesubstratescanbecanalizedtootherbranchesoftheflavonoidpathway,whichwereindicatedwithgreyarrows.Themajorflavonoidswereshowninboxes,withtheirrepresentativecolorsindicated(whichmayvaryunderdifferentcircum-stances).Auronesareresponsiblefortheyellowspotinsnapdragon(Daviesetal.,2012).FlavonolsintheyellowsorrelrendertheblackhoneyguidesinUVlight(Milleretal.,2011).PAsareresponsibleforthebrowncolorofArabidopsisseeds(Appelhagenetal.,2015).Anthocyaninsarethepigmentscoloringmostflowers,asinthecaseofthecommonmorningglory(Luetal.,2009).CHS:Chalconesynthase;CHI:Chalconeisomerase;F3H:Flavanone-3β-hydroxylase;F3'H:Flavonoid-3'-hydroxylase;F3'5'H:Flavonoid-3',5'-hydroxylase;DFR:Dihydroflavonolreductase;ANS:Anthocyaninsynthase;3GT:UDP-glucoseflavonoid3-glucosyltransferase;OMT:O-methyltransferases;GST:GlutathioneS-transferase;MRP:Multidrugresistance-associatedprotein;MATE:Multidrugandtoxiccompoundextrusion;AVIs:Anthocyanicvacuolarinclusions祝志欣等:花青素代谢途径与植物颜色变异109但野生型拟南芥幼苗中GST和MATE系统的抑制反而可以促进囊泡系统的转运,故不影响其花青素积累的总量(Poustkaetal.,2007)。花青素苷的最后呈色与其所处的液泡环境有较强的相关性,如碱性环境会使其颜色蓝移,酸性环境会使其颜色红移(Yoshidaetal.,1995)。液泡中共存的金属离子以及其它类黄酮也会影响呈色(Moletal.,1998;黄金霞等,2006)。对于积累高浓度花青素苷的图1Figure1110植物学报51(1)2016组织细胞(如花瓣表皮细胞),花青素苷常在液泡内聚集成内涵体(anthocyanicvacuolarinclusions,AVIs)(ZhaoandDixon,2010)。2花青素合成途径的调控花青素合成和转运包括了多个结构基因,可以被众多的环境因素诱导表达(Luetal.,20