全 文 ：中国农学通报 第 ! 卷 第 # 期 !$$# 年 # 月
%&&’())*+&,-.%/+01234+05-+6&-.+
类黄酮类化合物为拟南芥种皮的主要成色物质,
其生物合成受到多种基因的影响! 弄清拟南芥种皮中
类黄酮的形成机制对于研究植物体内类黄酮的生物合
成及甘蓝型油菜的种皮成色机理有重要理论和实践意
义! 笔者就拟南芥种皮成色机理的研究进展情况作一
介绍!
! 种皮色素的种类
拟南芥种皮的成色物质主要为类黄酮类化合物[1]!
其中黄酮醇和原花色素积累于种皮中是种皮色素的
主要类型[2]! 拟南芥种皮的颜色具有不均一性合点-
珠孔区的颜色比其它部位要深一些 它们的成色机理
不一样且相互独立的[3]!
种皮的色泽变异
野生型拟南芥种皮显深褐色 而突变株的种皮颜
色从黄色到灰褐色甚至透明无色!研究者们发现是
编码类黄酮生物合成中的一些酶和蛋白质的基因突
变导致植物体内合成不同的类黄酮终产物或者使类
黄酮的积累量发生改变引起种皮颜色变异!这些基因
分为两类#透明种皮基因$ transparenttestagenesTT
gene记作 !!#$%!!%& 和 !!%’& [4-8]和非透明种皮
基因 $ 789%:;< 和 ;=>? [6]等& ’ !!(!!)!!*
!!%+ 的突变导致种皮显黄色(!!&!!,!!- 突变株
种皮也显黄色(!!.!!/!!%, 的突变株种皮呈浅黄
色或赭色(!!0!!+1 的突变株与 !!.!!/!!%, 的
突变株有相同的表型 (!!&&%!!&,%!!&2 和 !!+)
!!+* 的突变株种子都为浅褐色 [4](!!+. 的突变体种
子呈稻草黄色$ strawcolored& 而在合点和珠孔区域
显深褐色原花色素的合成过程下调(!!+0 突变株种
拟南芥种皮色素形成机制的研究进展
万华方梁 颖
$ 西南农业大学农学与生命科学学院重庆北碚 400716&
摘 要#类黄酮为拟南芥种皮的主要成色物质@其生物合成过程受到一系列基因的影响-这些基因中@
一部分为结构基因A!!)%!!*%!!.%!!/%345+!!(4678 和 9:9B编码一些酶类参与到类黄酮的生物
合成C一部分作为调控基因A!!+; !!,; !!-; !!%+; !!%, 和 !!+.D编码一些酶对生物合成途径起调控
作用C另外一些基因$!!+,; !!+0&编码与色素转运%积累相关的蛋白质) 这些基因中的一种或几种发
生变异就能影响到类黄酮的生物合成从而引起拟南芥种皮色泽的变异! 在此就拟南芥种皮的色泽
变异及类黄酮生物合成机理作一介绍!
关键词#拟南芥(透明种皮基因(色素(类黄酮生物合成
#$% &’()’%** (+ ,$% &-).%+,/,-(+ (0 ,$% #%*,/ -+ !#$%&’()%) *+#,%#-#
E0+ F30G0+H@ ;/0+H I/+H
A5<=>>? >@ :AB>C>DE FCG 4H@I 5
2G G50O2+2/PQ /Q /+G536+.6P ,S T0+S &S’6Q 2G H6+6Q- <2T6 2G &%6 H6+6Q 0.& 0Q Q&43.&346 H6+6Q UQ3.% 0Q !!);
!!*; !!.; !!/; 345+; !!(; 4678 0+P 789DC <2T6 2G &%6T 6+.2P6 6+*ST6 0Q 46H350&/+H H6+6Q A!!+;
!!,; !!-; !!%+; !!%, 0+P !!+.DC2&%64Q 6+.2P6 &40+QG64/+H ’42&6/+Q A!!+,; !!+0D- V3&0&/2+ 2G 2+6 24
T246 2G &%6T .0+ /+G536+.6 &%6 ,/2QS+&%6Q/Q 2G G50O2+2/PQ .03Q/+H &%6 O040&/2+ 2G &%6 &6Q&0 2G 840,/P2’Q/Q
&%05/0+0- R%/Q 46O/6W P605Q W/&% &%6 O04/0&/2+ 2G &6Q&0 53Q&64 0Q W655 0Q &%6 T6.%0+/QT 2G G50O2+2/P ,/2QS+!
&%6Q/Q /+ 840,/P2’Q/Q &%05/0+0 -
5%6 7(’8*4 840,/P2’Q/Q &%05/0+0@ R40+Q’046+& &6Q&0 H6+6@ :50O2+2/P ,/2QS+&%6Q/Q@ X/HT6+&
基金项目#重庆市应用基础项目(2002-7274)!第一作者简介#万华方1979年出生湖北建始人西南农业大学农学与生命科学学院在读硕士生从事植物
生理生化及植物蛋白质组研究! E-mail:wanhua05@163.com! 通讯作者 #梁颖 1962年出生 四川邻水人教授 从事植物生理生化研究 ! 收稿日期 #
2004-10-28修回日期#2004-11-21!
植物生理科学 !* *
ChineseAgriculturalScienceBuletinVol.21No.52005May
!#$%%&’()*+,’-./01’-2)34)*3
子为黄褐色!BAN的突变引起种子在未成熟状态就
开始积累花青素而使种子显紫色
! 皮色素形成机制
在上述引起拟南芥种皮色泽变异的基因中# 部分
作为结构基因编码类黄酮代谢途径中的酶! 部分编码
转录因子对那些结构基因的转录进行调控! 另一些则
编码色素转运蛋白参与类黄酮物质的转运与积累
5)6 类黄酮合成的结构基因 双子叶植物类黄酮的合
成至少受类黄酮前期生物合成基因$ earlybiosynthetic
genes,EBGs% 和类黄酮后期生物合成基因(latebiosyn-
theticgenes,LBGs)[9]& 拟南芥中’!#$ 为 %%& (%%’ (
%%(( %%) 和 *+,- 几类& 其中’%%& 编码查尔酮合酶
$ chalconesynthase% [4]!%%. 编码查尔酮异构酶(chal-
coneisomerase)[5]!%%( 编码黄酮醇羟化酶$ flavanone
3-hydroxylase% [10]!%%) 编码类黄酮还原酶$ flavonoid
3’!hydroxylase% [11]!*+,- 编码黄酮醇合酶 [12]& 而
+#$主要有 %%/’+012’34 及 %%-5几类&%%6编码
黄烷酮醇还原酶(dihydroflavonol4-reductase’DFR)[12]!
LDOX编码无色花色素双加氧酶$ leucoanthocyanidin
dioxygenase% [13]!%%75 可能编码一种色素转运蛋白[3]!
BAN可能编码无色花色素还原酶$ leucoanthocyanidin
reductase’LAR% $&’&BAN也可能编码一种与LDOX存
在着竞争的酶&LDOX将无色花色素转变成花青素’而
BAN编码的酶可能将无色花色素还原为单宁&无色花
色素转换到单宁是由LAR催化的& 该酶具有NADPH
依赖性[16]’因此’BAN也可能编码一种LAR&但通过研
究BAN与其它基因的双基因突变株的表型发现[14]’它
也不一定编码LAR& 对于BAN的编码产物及基作用
机理还有待于进一步研究&
5)7 类黄酮合成的调控基因 类黄酮生物合成所涉
及的基因多在转录水平受到调控因子的调节[16]&在拟
南芥中 ’%%-’%%5’%%8’%%#-’%%#5 和 %%-( 都编码
调控因子& 这些调揭控因子分别与含锌指结构域的蛋
白 [17]( 含R2R3-MYBDNA结合结构域的蛋白 [13](含
bHLH结构域的蛋白[9](含有WD重复序列的蛋白[7](
含有WRKY结构域的蛋白质[18]及含MADS结构域的
蛋白[6]具有很高的相似性& 对调控蛋白的结构有比较
深入的研究’但对其具体调控机理研究不多&
5)7)6 %%- 及其表达产物[7] %%- 基因的 cDNA序列
中’转录起始位点位于 ATG密码子上游 41碱基处’
在大约 -40位点处有一 TATA框& %%- 蛋白约含有
303个氨基酸残基& 该蛋白含有两锌指结构域’其 N
端基元$ motif% 属于 C2H2家族 ’且有一保守序列
$ Trp-Ile-Pro’为WIP结构域% ’而C端则为不完整的
C2HC结 构 ’ 但 不 含 有 植 物 其 它 锌 指 结 构 的
QALGGH序列’故可能为植物锌指蛋白一新亚家族&
%%- 蛋白还含有一个 hDLNh基序和一种可能参与到
磷酸化和转录激活或蛋白-蛋白相互作用的基元&因
此’%%- 蛋白可能是以调控因子的形式参与到种皮色
素的沉积过程的&
突变株 %%- mRNA水平与野生株中没有明显的
差异$ 花器官和角果中% ’可能是 %%- 在翻译成蛋白
质的过程的变化引起表型改变’ 有关这方面的研究
未见报道&
5)7)7 %%5 及其表达产物[13] %%5 对于拟南芥种皮色
素的沉积具有瓶颈作用[13]& %%5 基因含3个外显子和
两个内含子’编码蛋白质有258个氨基酸残基& 该蛋
白含有一个与脊椎动物或昆虫的原致癌基因 MYB
蛋白 DNA结合结构域有很高同源性的结构域& 其
N-端含有两不完整的 MYB重复’与人 c-MYB中的
R2和 R3MYB重复相似性很高’ 与其它的 MYB相
关蛋白也有很高的相似性&MYBDNA结合结构域含
有一个参与到转录调控作用中的 helix-helix-turn-he-
lix基序[19]&
拟南芥中发现了 100多个 MYB蛋白’但 %%5 蛋
白与这些蛋白在 C端同源性不高’ 可能为一类新的
MYB蛋白&二级结构分析表明’其C端可以形成具有
转录活性的[20]两性 !8螺旋’这为 %%5 蛋白为调控蛋
白提供了证据&
5)7)5 %%8 及其表达产物[9] %%8 蛋白与玉米 B-Peru
蛋白在 N-端的保守性很强’这说明 %%8 可能与其它
的蛋白协同作用于目标基因& 研究表明’%%8’%%#-
和 %%5 可能协同作用调控拟南芥类黄酮代谢过程&
%%8 蛋白质 C-端含有 bHLH结构 $ 动物 c-MYC相
关蛋白中都存在’ 是转录因子的一个标志性结构% &
在DFR启动子的前 200bp中’ 有两个 bHLH的识别
序列$ CACGTG% [14]’这两个序列与含 bHLH的蛋白
的结合序列$ CANNTG% 相匹配’这为 %%8 蛋白调控
DFR表达提供了新的证据&
在拟南芥中还有两种含有 bHLH的蛋白质)At-
MYC1[21]和AtMYC146[22]& 这两种蛋白在幼苗和角果
中都有表达’ 但有关它们与 TT8蛋白关系的研究还
未见报道&
5)7)9 %%#- 及其表达产物[7] %%#- 基因编码蛋白含
有341氨基酸残基& 该蛋白含有4个WD重复’同大
量含有WD重复基序的蛋白质有较高相似性& %%#-
蛋白与 34--$ 矮牵牛色素合成一调控因子% 具有序
列相似性’但作用机理可能不一样&34-- 调控MYB
植物生理科学!#* *
中国农学通报 第 ! 卷 第 # 期 !$$# 年 # 月
%&&’())*+&,-.%/+01234+05-+6&-.+
转录因子! 而 !!# 蛋白可能调控 MYC转录因子!
且可能是通过与其它的蛋白质结合而促进转录的
也有可能作为 DNA结合复合物的组分来调控转录
还有可能它只位于细胞质中作为信号传导的一部分
对转录的下游起信号传导的作用#
7-!-# !!$ 及其表达产物[8] !!$ 含有 4个外显子!
其基因序列中有一个核定位序列$ SV40型% !其 3!
非翻译区有两个较大的反向重复序列! 但其确切功
能还不清楚& !!$ 蛋白含有一个由65或66个氨基
酸残基组成的重复序列! 与植物 DNA结合蛋白的
WRKY家族一结构域具有很高的相似性& 这种结构
域 含 有 两 个 高 度 保 守 的 序 列 基 元 !N 端 的
WRKYGQK氨基酸序列 [23]和类似于锌指结构的
C-X4-5-C-X22-23-H-X1-H[23,24]序列& !!$ 蛋白含有几个
富含 Ser和 Thr的区域!其中一个靠近 N端!这与转
录因子的激活结构域的特征相吻合&
!!$ 蛋白对于 %&’!!!#(!!!# 的表达都有调
控作用&
7-!-8 !!#) 及其表达产物[6] !!#) 基因含 6个外显
子 & !!#) 蛋白含有植物 MADS-box的典型结构 &
MADS被认为参与到 DNA的结合以及蛋白质之间
的相互作用[25]& !!#) 蛋白 MADS-box的K结构域为
具有两性性的 !9螺旋& 该蛋白的C端还含有大量的
脯氨酸和谷氨酰胺残基$ 约占 20%% !这也与转录激
活子的特征相符&
!!#) 和 !!# 突变株种子的合点及珠孔区域与种
皮上其它部分色素积累存在着差异[19,6],说明无色花
色素的下游可能至少存在着两条调控途径控制着原
花色素的生物合成&
另外!还有一种透明种皮基因 !!#*!其表达产物
可能是酶!也可能是正调控因子!至今无定论[26]&
7-7 种皮色素转运蛋白编码基因 类黄酮为内源有
毒化合物! 合成后需经色素转运蛋白将其转运到液
泡或者是细胞壁[27-31]!减少对细胞的伤害!同时发挥
相应的生理功能& 拟南芥种皮中的类黄酮合成之后
可能由 !!+( 蛋白转运到相应的部位!但对所转运的
类黄酮的具体形式还不清楚[3]&!!#( 的基因含有8个
外显子,7个内含子& !!#( cDNA(1621bp)含有一开
放阅读框! 推测它所编码含有 507个氨基酸残基且
含有 12个跨膜片段$ TMs% 的多肽,与许多原核生物
及真核生物的转运蛋白很相似! 与 MATE家族成员
相似性更高& ! 只有3种蛋白的特征已比较清楚[32]&
!!#( 蛋白与MATE家族中 Erc1!NorM和 DinF的亲
水性很相似$ 除开 !,- 到 !,## 这段% &D1到D5五
个结构域也存在着很高的保守性& 其中!D1和S3分
别位于 I1和 I4两个亲水环内部D3’D4和 D5三个
结构域分别位于 !,.!!,+/ 和 !,## 三个跨膜片段
内#
有报道[33]!用染色体步移的方法分离了 !!#0 基
因 # !!#0 的表达产物属拟南芥谷胱甘肽转运酶
( GST% 家族! 并证明 !!#0 参与到拟南芥原花色素
和花青素的代谢途径& !!#0 的编码产物可能是原花
色素前体物质的转运蛋白&
!!0’!!#/’!!##’!!#1’!!#2’!!+.’!!+-’345+ 和
4678 同样引起种子颜色的改变!但对这些基因还没
有从分子水平研究报道[4,9,26]!也还没有弄清这些基因
的表达产物参与到类黄酮合成的具体机理&
拟南种皮的成色除了受到上述基因突变的影响
外!还受到液泡pH!辅助成色作用以及色素沉积细胞
的形状的影响[34]&
! 结束语
类黄酮对植物的生长没有实质性的作用& 但它
是植物色素之一!对紫外线也有抵抗作用可作为信
号分子参与到繁殖和共生现象中 可以作为植物抗
菌素参与到植物的生理活动中[1]& 另外!它还影响到
植物体内生长素的极性运输[35]& 因此!弄清模式植物
拟南芥类黄酮生物合成的相关机理对于研究类黄酮
合成途径及改变植物花色! 果色及植物营养成分都
有重要指导意义&
甘蓝型油菜与拟南芥同属十字花科芸薹族!二者
基因组编码序列的保守性达86%!许多基因在二者中
表现为相似的功能[36]& 油菜与拟南芥在种皮色素合成
上可能存在相似的机理!弄清拟南芥种皮成色机理有
助于对甘蓝型油菜种皮色素形成机理的研究!特别是
为研究甘蓝型黄籽油菜种皮色泽遗传性提供依据!利
于推动甘蓝型黄籽油菜的育种进程&
参考文献
1 Winkel-ShirleyB.FlavonoidBiosynthesis.AColorfulModelforGenetics,
Biochemistry,CelBiology,andBiothehnology.PlantPhysiol,2000,126:
485-493
2 Chapple,CCS.,Shirley,BW,ZookM.,etal.Secondarymetabolismin
Arabidopsis.InArabidopsis,E.M.MeyerowitzandC.R.Somervile,eds.
ColdSpringHarbor,NY:ColdSpringHarborLaboratoryPress,1994.
989-1030
3 DebeaujonI,PeetersA.JM,L?on-KloosterzielKM,etal.TheTRANS
PARENTTESTA12geneofArabidopsisencodesamultidrugsecondary
transporter-likeproteinrequiredforflavonoidsequestrationinvacuolesof
theseedcoatendothelium.PlantCel,2001,(13):853-872
4 ShirleyBW,KubasekW L,Storz,G.,etal.AnalysisofArabidopsis
植物生理科学 !#) *
ChineseAgriculturalScienceBuletinVol.21No.52005May
!#$%%&’()*+,’-./01’-2)34)*3
mutantsdeficientinflavonoidbiosynthesis.PlantJ.,1995,(8):659-671
5 KoornneefM.MutationsafectingthetestacolourinArabidopsis.
ArabidopsisInf.Serv.,1990,27:1-4
6 NathalieN,IsabeleDebeaujon,ClarisseJond,etal.TheTRANSPARENT
TESTA16LocusEncodestheARABIDOPSISBSISTERMADSDomain
ProteinandIsRequiredforProperDevelopmentandPigmentationofthe
SeedCoat.ThePlantCel,2002,(14):2463-2479
7 AmandaR,WalkerPA.etal.TheTRANSPARENTTESTAGLABRA1
Locus,WhichRegulatesTrichomeDiferentiationandAnthocyanin
BiosynthesisinArabidopsis,EncodesaWD40RepeatProtein.PlantCel,
1999,(11):1337-1350
8 Johnson CS,KolevskiB,SmithDR.TRANSPARENTTESTA
GLABRA2,aTrichomeandSeedCoatDevelopmentGeneofArabidopsis,
EncodesaWRKY TranscriptionFactor.ThePlantCel,2002,14:
1359-1375
9 NesiN,DebeaujonI,JondC,etal.TheTT8geneencodesabasic
helix-loop-helixdomainproteinrequiredforexpressionofDFRandBAN
genesinArabidopsissiliques.PlantCel,2000,12:1863-1878
10WismanE,HartmannU,SagasserM,etal.Knock-outmutantsfroman
En-1mutagenizedArabidopsisthalianapopulationgeneratephenyl
propanoidbiosynthesisphenotypes.Proc.Natl.Acad.Sci.USA1998,95,
12432-12437
11KoornneefM,LuitenW,deVlamingP,etal.Agenecontrolingflavonoid
3hydroxylationinArabidopsis.ArabidopsisInf.Serv.1982,19,113-115.
12PeerWA,BrownDE,BrianW,etal.FlavonoidAccumulationPaterns
ofTransparentTestaMutantsofArabidopsis.PlantPhysiology,2001,126,
536-548
13NesiN,JondC,DebeaujonI,etal.TheArabidopsisTT2GeneEncodesan
R2R3MYBDomainProteinThatActsasaKeyDeterminantforProantho
cyanidinAccumulationinDevelopingSeedThePlantCel,2001,13:2099
-2114
14DevicM,GuileminotJ,DebeaujonI,etal.TheBANYULSgeneencodes
aDFR-likeproteinandisamarkerofearlyseedcoatdevelopment.The
PlantJournal,1999,19(4):387-402
15TannerGJ,KristiansenKN.Synthesisof3,4-cis-3Hleucocyanidinand
enzymaticreductiontocatechin.Anal.Biochem.,1993,209:274-277
16WeisshaarB,JenkinsGI.Phenylpropanoidbiosynthesisanditsregulation.
Cur.Opin.PlantBiol.,1998,1,251-257
17SagasserM,LuGH,HahlbrockK,etal.A.thalianaTRANSPARENT
TESTA1isinvolvedinseedcoatdevelopmentanddefinestheWIPsub
familyofplantzincfingerproteins.GenesDev.,2002,16:138-149
18EulgemT,RushtonPJ,RobatzekS,etal.TheWRKYsuperfamilyof
planttranscriptionfactors.TrendsPlantSci.,2000,(5):199-206
19OgataK,HojoH,AimotoS,etal.SolutionstructureofaDNA-binding
unitofMyb:Ahelix-turn-helix-relatedmotifwithconservedtryptophans
formingahydrophobiccore.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1992,89:
6428-6432
20PtashneM.Howeukaryotictranscriptionalactivatorswork.Nature,1988,
335:683-689
21UraoT,Yamaguchi-ShinozakiK,MitsukawaN,etal.Molecularcloning
andcharacterizationofagenethatencodesaMYC-relatedproteinin
Arabidopsis.PlantMol.Biol,1996,32:571-576
22BateNJ,RothsteinSJ.AnArabidopsisMyc-likegene(MYC-146)with
homologytotheanthocyaninregulatorygeneDelila(accessionno.
AF013465)(PGR97?140).PlantPhysiol.,1997,115:315-331
23RushtonPJ,ToresJT,ParniskeM,etal.Interactionofelicitor-inducing
DNA-bindingproteinswithelicitorresponseelementsinthepromotersof
parsleyPR1genes.EMBOJ.1996,15:5690-5700
24dePaterS,GrecoV,PhamK,etal.Characterizationofazinc-dependent
transcriptionalactivatorfromArabidopsis.NucleicAcidsRes.,1996,24:
4624-4631
25RiechmannJL,MeyerowitzEM.MADSdomainproteinsinplantdevel-
opment.Biol.Chem.,1997,378:1079-1101
26FocksN,SagasserM,WeisshaarB,etal.Characterizationoft15,anovel
transparenttestamutantofArabidopsisthaliana(L.)Heynh.Planta,1999,
208:352-357
27BrownMH,PaulsenIT,SkurayRA.ThemultidrugefluxproteinNorM
isaprototypeofanewfamilyoftransporters.Mol.Microbiol.,1999,31:
393-395
28HrazdinaG.Compartmentationinaromaticmetabolism.InPhenolic
MetabolisminPlants,H.A.StafordandR.K.Ibrahim,eds.NewYork:
PlenumPress,1992.23
29 Ibrahim RK.Immunolocalizationofflavonoidconjugatesandtheir
enzymes.InPhenolicMetabolisminPlants,H.A.StafordandR.K.I
brahim,eds.NewYork:PlenumPress,1992.25-61
30KleinM,WeissenbckG,DufaudA,etal.Diferentenergizationmecha-
nismsdrivethevacuolaruptakeofaflavonoidglucosideandaherbicide
glucoside.J.Biol.Chem.,1996,271:29666-29671
31LuYP,LiZS,ReaP.AtMRP1geneofArabidopsisencodesaglu
tathioneS-conjugatepump:Isolationandfunctionaldefinitionofaplant
ATP-bindingcassetetransportergene.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1997,
94:8243-8248
32SaierM.Afunctional-phylogeneticclassificationsystemfortransmem
branesolutetransporters.Microbiol.Mol.Biol.Rev.,2000,64:354-411
33KitamuraS,ShikazonoN,TanakaA.TRANSPARENTTESTA19isin
volvedintheaccumulationofbothanthocyaninsandproanthocyanidinsin
Arabidopsis.PlantJ.,2004,37(1):104-14
34MolJ,GrotewoldE,KoesR.Howgenespaintflowersandseeds.Trends
PlantSci.,1998,3:212-217
35BrownDE,RashoteAM,MurphyAS,etal.Flavonoidsactasnegative
regulatorsofauxintransportinvivoinArabidopsisthaliana.Plant
Physilolgy,2001,126:524-535
36GaleMD,DevosK.PlantComparaiveGeneticsafter10years.Science,
1998,282:655-659
植物生理科学!#! !