全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (4): 333~342 333
收稿 2012-01-04 　　修定 2012-01-21
资助 教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-08-0796)。
* 通讯作者(E-mail: fanggg@njau.edu.cn; Tel: 025-84399069)。
葡萄浆果着色分子机理的重要研究进展
孙欣, 韩键, 房经贵*, 上官凌飞, 王西成, 宋长年, 李晓颖
南京农业大学园艺学院, 南京210095
摘要: 葡萄浆果的颜色主要是由花色苷的量决定的, 花色苷的生物合成受结构基因和调节基因的控制。葡萄浆果着色是一
个非常复杂的过程, 不同种葡萄乃至同品种群不同品种的着色机制特性不同。近些年来, Myb调控葡萄花色苷生物合成机
理的发现使人们对花色苷生物合成有了更进一步的了解。
关键词: 葡萄; 着色; 花色苷
Important Research Progress of Coloring Molecular Mechanisms in Grape Berry
SUN Xin, HAN Jian, FANG Jing-Gui*, SHANGGUAN Ling-fei, WANG Xi-Cheng, SONG Chang-Nian, LI Xiao-Ying
College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: The color of grape berry is determined by the quantity of anthocyanins, and the biosynthesis of these
anthocyanins is controlled both by structural genes and regulatory genes. Grape berry coloring is a complex
system in that different grape species and even different cultivars of same grape cultivar group are different in
coloring mechanism. In recent years, with the discovery of Myb-related genes, an important regulatory gene
family, the anthocyanin biosynthesis was much better understood.
Key words: grape; coloring; anthocyanins
葡萄为落叶藤本植物, 是全球性重要果树之
一, 分布十分广泛, 其产量和栽培面积仅次于柑桔,
居世界第二位。随不同葡萄品种间的杂交以及人
工选择, 如今葡萄浆果果皮颜色的种类变得越来
越丰富。果皮颜色是葡萄的一个重要经济性状,
也是葡萄育种中的一个重要选择指标。花色苷的
总量以及不同花色苷的组成比例对浆果与葡萄酒
的颜色至关重要, 能够提高两者的感官品质(Age-
orges等2006; Bogs等2006)。花色苷是植物次生代
谢过程中产生的一类黄酮类物质, 它是花色素与
糖基以糖苷键结合形成的一类化合物。花色苷是
自然界中一类水溶性色素 , 广泛存在于植物的
花、果实、茎、叶和根等器官。花色苷还具有极
强的抗氧化能力和消除自由基的作用, 并能预防
心血管疾病(王晨等2009)。花色苷的生物合成需
要两类基因的参与, 一类是结构基因, 编码直接参
与花色苷的合成与积累的酶; 另一类是调节基因,
调控结构基因的时空表达(Ageorges等2006; Holton
和Cornish 1995)。对玉米、金鱼草和矮牵牛花色
苷的生物合成和调控机理的研究使人们对植物花
色苷生物合成及其调控有了很好的认识, 人们借
助于这些研究成果对葡萄的花色苷的相关合成研
究取得了很大的进展, 尤其是葡萄基因组测序的
完成更是给在分子水平上进一步研究和阐明葡萄
花色苷的代谢机理奠定了有利条件与工作基础。
1 花色苷的生物合成途径
花色苷主要在葡萄浆果的表皮细胞的细胞质
中合成, 然后再运输到液泡中积累(Castellarin等
2007), 葡萄中的花色苷主要有甲基化的花青素葡
萄苷(红色)和甲基化的花翠素葡萄糖苷(蓝紫色)
(Castellarin等2006)。各种花色苷的比例以及积累
水平的不同而使不同葡萄浆果呈现出红色、紫色或
黑色(Castellarin等2006; Jeong等2006; Pomar等2005)。
花色苷的生物合成可以分为2个阶段, 首先由苯丙
氨酸先转化为4-香豆酰CoA, 这一阶段称为苯丙烷
类代谢途径; 第二阶段为类黄酮途径, 由4-香豆酰
CoA转化为各种黄酮类化合物。花色苷生物合成
涉及到多种结构基因和调节基因。根据已经克隆
与分析的葡萄花色苷生物合成相关的多个基因(表
1)可以推测葡萄花色苷的生物合成途径(图1)与已
植物生理学报334
报道的花色苷的生物合成途径基本相一致。
苯丙氨酸解氨酶(PAL)和查尓酮合成酶(CHS)
分别是葡萄花色苷生物合成过程中苯丙烷类代谢
途径和类黄酮途径的第一个关键酶。葡萄中PAL
基因在大多数有色品种表达强, 但在白色品种中
表达弱或不表达(Azuma等2009)。另外有的研究
发现在前体(苯丙氨酸)充足的情况下花色苷的积
累与PAL的活性无关(王惠聪等2004)。CHS在果实
的发育过程中无论是否积累花色苷都保持较高的
活性。目前从‘赤霞珠’ (‘Cabernet Sauvignon’)葡萄
品种中分离得到3个CHS的cDNA克隆 , 分别是
CHS1、CHS2和CHS3。系统发育学的研究显示
CHS1和CHS2的进化关系较近, 而均与CHS3进化
表1 葡萄花色苷生物合成途径的结构基因
Table 1 Structure genes of anthocyanin biosynthesis in grape
结构基因 GenBank登录号 所在染色体
PAL EF192469 Chr 16
CHS1 AB015872 Chr 14
CHS2 AB066275 Chr 14
CHS3 AB066274 Chr 5
CHI X75963 Chr 13
F3H X75965 Chr 4
F3′H AB213605 Chr 17
F3′,5′H DQ786631 Chr 6
DFR X75964 Chr 18
LDOX X75966 Chr 2
UFGT DQ513314 Chr 16
OMT FJ460168 Chr 1
GST AF501625 Chr 19
图1 花色苷的生物合成途径
Fig.1 The biosynthetic pathways of anthocyanins
参考Azuma等(2009)文献并作修改。PAL: 苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase); C4H: 肉桂酸4-羟化酶(cinnamate-4-hydrox-
ylase); 4CL: 4-香豆酰CoA连接酶(4-coumarate:CoA ligase); CHS: 查尓酮合酶(chalcone synthase); CHI: 查尓酮异构酶(chalcone isomerase);
F3H: 黄烷酮3-羟化酶(flavanone 3-hydroxylase); F3′H: 类黄酮3′-羟化酶(flavanone 3′-hydroxylase); F3′,5′H: 类黄酮3′,5′-羟化酶(flavanone
3′,5′-hydroxylase); DFR: 黄烷酮醇4-还原酶(dihydroflavonol 4-reductase); LDOX: 无色花色素双加氧酶(leucoanthocyanidin dioxygenase);
UFGT: UDP葡萄糖-类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶(UDP glucose-flavonoid 3-O-glucosyltransferase); OMT: O-甲基转移酶(O-methyltrans-
ferase)。圆圈所示虚线箭头处表示葡萄花色苷生物合成途径中有别于其他物种而不具有的代谢过程。
孙欣等: 葡萄浆果着色分子机理的重要研究进展 335
关系较远(Goto-Yamamoto等2002)。CHS3主要在
红色品种着色期间的果皮表达, 而CHS1和CHS2主
要在白色品种果皮、幼叶和红色品种的果皮中积
累(Castellarin等2006; Goto-Yamamoto等2002)。
CHS1和CHS2在没有花色苷合成的器官也能表达,
这一现象说明其主要参与黄酮醇(flavonols)和原花
青素(phenylpropanoids)的合成(Ageorges等2006)。
通过基因芯片和抑制消减杂交(suppressive subtrac-
tive hybridization, SSH)对不同发育时期不同颜色
葡萄品种分析发现只有CHS3与果实颜色紧密相关
(Ageorges等2006; Goto-Yamamoto等2002)。
查尔酮异构酶(CHI)催化查尔酮环的异构化
形成无色黄酮烷。研究发现即使没有CHI的催化,
查尔酮也可以以极低的速率自发形成三羟基黄烷
酮(Holton和Cornish 1995)。CHI基因不是花色苷
生物合成所必须的, 但当其完全缺失的情况下会
使突变体产生其他特殊颜色, 如缺少CHI的玉米,
其籽粒呈现古铜色(Dooner和Robbins 1991), 缺少
CHI的洋葱导致鳞茎产生金色突变(Kim等2004)。
可以说, CHI的参与可以确保花色苷正常水平的合
成与相关器官正常颜色的形成。
黄烷酮3-羟化酶(F3H)是花色苷的生物合成途
径中的关键酶之一。其催化产物二氢山奈酚是花
色苷2个代谢支路的前体物质, F3H可能是花色苷
生物合成途径的中枢。葡萄F3H基因有2个拷贝
(Boss和Davies 2009), 位于4号染色体上。葡萄F3H
主要在花后2~4周的果皮中表达, 然后, 随着果实
的发育表达随之减弱。在果实着色期又出现表达
上调, 并且在红色品种成熟的果皮中表达强于白
色品种(Goto-Yamamoto等2002)。F3H分别和F3′H
(类黄酮3′-羟化酶)、F3′,5′H (类黄酮3′,5′-羟化酶)
共同参与调控葡萄花色苷生物合成的2个支路(花
青素支路和花翠素支路), F3′H和F3′,5′H分别属于
P450家族的CYP75B家族和CYP75A家族, F3′H控
制的途径合成红色的花青素, 而F3′,5′H控制蓝紫
色的花翠素的合成。通过F3′H和F3′,5′H在矮牵牛
花的异位表达分析发现, 转F3′H能提高3′-二甲花
青素含量, 转F3′,5′H能提高二甲花翠素的含量(Bogs
等2006)。F3′H和F3′,5′H分别调控花色苷生物合成
的2个支路的代谢水平与强度决定着葡萄果皮中
的花色苷的组成和果皮的颜色。缺乏F3′,5′H的植
物, 如玫瑰、郁金香和香石竹等, 不能形成蓝色花,
因而F3′,5′H被称为“蓝色基因”。葡萄中F3′H在不
同颜色品种中都有表达, 但在红色品种中表达相
对较强, F3′,5′H只在红色品种中表达, 白色品种中
几乎不表达(Bogs等2006; Castellarin等2007)。这
说明在葡萄中调控F3′H与F3′,5′H表达的机制不
同。尽管F3′,5′H只在有色品种中表达的特点与
UFGT (UDP葡萄糖-类黄酮-3-O-葡萄糖基转移酶
基因)一样, 但UFGT的表达是发生在转色期后, 而
F3′,5′H在转色期前已经开始表达, 这表明在葡萄浆
果着色过程中F3′,5′H和UFGT表达与作用的机制以
及参与代谢的途径存在不同(Bogs等2006)。
很多植物中的DFR (黄烷酮醇4-还原酶)能够
以二氢山萘酚为底物合成天竺葵色素类花色苷。
DFR基因缺失突变体的花色呈现象牙色或白色(于
晓南和张启翔2002)。但葡萄DFR的立体结构特点
使其不能以二氢山萘酚为作用底物, 因此葡萄中
不能合成天竺葵色素类花色苷。这是葡萄花色苷
生物合成途径与其他很多植物的主要差异之处(图
1)。DFR在红色成熟葡萄果皮中的表达水平高, 但
在白色品种中表达弱(Bogs等2006), 这说明DFR在
红色和白色葡萄浆果中表达的调控机制有异。
无色花色素双加氧酶(LDOX)和UFGT依次催
化无色的原花色素氧化生成有色的花翠素/花青素
(Jeong等2006)和催化不稳定的花色素糖苷化形成
各种稳定花色苷。LDOX在红色葡萄品种成熟的
果皮中表达强, 而在白色品种上表达弱或不表达
(Boss等1996a; Kobayashi等2001)。LDOX曾被认
为是葡萄花色苷合成中的关键酶。UFGT在白色
品种和果肉中不表达, 只在有色葡萄品种转色期
后的果皮中表达, 转色期为上调表达。UFGT的表
达不仅呈现出红白品种特异性, 而且还表现出时
空特异性。Boss等(1996a)和Kobayashi等(2001,
2002)根据UFGT表达的时空特点推断, UFGT是葡
萄花色苷合成的关键酶。调节基因能够对UFGT
表达的时空特异性和组织特异性进行调控, 从而
在葡萄花色苷生物合成途径中起关键作用。据报
道, 葡萄果皮中可能存在两类调节基因, 它们的表
达方式有2种推测。第1种推测情况为一类调节基
因是在浆果发育早期表达, 促使除UFGT以外的结
构基因的转录, 另一类则在浆果发育晚期表达, 能
植物生理学报336
够促使所有结构基因的转录; 第2种情况则是一类
调节基因控制除UFGT以外的结构基因转录, 另一
类在转色期后控制UFGT的表达(Deluc等2006;
Boss等1996b)。Kobayashi等(2002)通过从‘巨峰’
(‘Kyoho’)葡萄中获得能够特异调控UFGT基因表
达的一些Myb类基因, 证明了葡萄中第2种调节基
因的存在。
O-甲基转移酶(OMT)催化花青素-3-葡萄糖苷
和花翠素-3-葡萄糖苷甲基化生成甲基花翠素、二
甲花翠素和甲基花青素葡萄糖苷, OMT能够稍微
增加花色苷的红色效果和增强花色苷的稳定性
(Hugueney等2009), O-甲基化还能够改变受体物质
的生理特性、降低物质极性, 从而影响在其细胞
中的间隔化(刘闯萍和王军2008)。葡萄OMT在转
色期前基本不表达, 在转色期为上调表达, 而且在
着色果皮中的表达量明显高于未着色的果皮(Age-
orges等2006; Castellarin等2007)。花色苷与谷胱甘
肽在谷胱甘肽S-转移酶(GST)的作用下形成谷胱甘
肽-S-偶联物, 然后通过液泡膜上的谷胱甘肽S偶联
结合泵(GSH-S-conjugate pump)由细胞质运输到液
泡中积累(Alfenito等1998)。葡萄GST在果实转色
期前表达量很低, 进入转色期后大量表达, 而且主
要在有色品种中表达。葡萄GST和OMT的表达都
存在时空特异性和红白品种特异性, 造成这种特
异性的原因可能是由于G S T和O M T的表达和
UFGT一样都受MybA1基因的调控所致(Cutanda-
Perez等2009)。
2 Myb相关基因与花色苷的生物合成
已有的研究报道植物花色苷的生物合成还受
调节基因的调控。调节基因编码生成转录因子,
通过控制结构基因的时空表达而影响花色苷的生
物合成。Myb相关基因已被证实能够通过调节
UFGT的表达而参与到葡萄花色苷的生物合成
(Kobayashi等2002)。人们对Myb相关基因调节
UFGT作用的认识是葡萄分子生物学研究领域的
重大突破之一(Kobayashi等2004)。Myb蛋白是植
物花色苷合成涉及的最为广泛也是最为重要的调
节因子。Myb蛋白是一类DNA结合蛋白, 具有一
段保守的MYB结构域, 其中N端具有高度保守的
序列。根据蛋白质中Myb结构域的个数, Myb蛋白
被分为3类: (1)单一Myb结构域(R1)蛋白; (2) 2个重
复Myb结构域(R2R3)蛋白; (3) 3个重复Myb结构域
(R1R2R3)蛋白。与花色苷合成相关的是R2R3-
Myb转录因子, 它有2个Myb结构域, 每个结构域具
有大约由50个氨基酸形成的螺旋-螺旋-转角-螺旋
(helix-helix-turn-helix, HHTH)结构, 其中第3个螺
旋是识别并结合短的DNA序列的关键(刘仕云等
2006)。
2.1 VvmybA1基因型与葡萄果皮颜色
在很多欧洲葡萄(Vitis vinifera)中存在一个能
够调节UFGT表达从而参与欧洲葡萄花色苷生物
合成的调控VvmybA1基因(Kobayashi等2004)。此
外, 研究还发现VvmybA1在白色欧洲葡萄品种的果
皮中不表达, 在所有有色葡萄品种的果皮中表达
(Kobayashi等2004, 2005)。这说明VvmybA1的表达
对于葡萄果皮着色是必要的。Azuma等(2007)和
Lijavetzky等(2006)都分别通过杂交试验证明了
VvmybA1的基因型决定葡萄果皮颜色。
Kobayashi等(2004)认为, 古老的野生葡萄品
种的果皮都是有颜色的, 白色葡萄是由于Myb相关
基因发生了突变, 抑制了Myb相关基因的表达, 从
而使葡萄花色苷的生物合成受阻。具体是Vvmy-
bA1的等位基因VvmybA1a由于在其编码序列的上
游存在一个反转座子Gret1而使其表达受阻, 而等
位基因VvmybA1b和VvmybA1c都能够表达。
VvmybA1b具有单拷贝的LTR (solo LTR), VvmybA1c
的反转座子Gret1序列完全缺失, 其序列与原始的
VvmybA1的序列十分相似(Kobayashi等2004, 2005)
(图2)。正是由于VvmybA1的DNA序列中插入了一
个反转座子, 导致了VvmybA1的失活, 从而使欧洲
葡萄等的白色葡萄品种的花色苷生物合成基因
UFGT的转录受到抑制, 从而呈现白色(Kobayashi
等2004)。有研究还发现VvmybA1的其他变化也会
导致葡萄浆果颜色的变化。VvmybA1的缺失则导
致产生白色果实的变化, 如‘黑比诺’ (‘Pinot Noir’)
的VvmybA1基因型是VvmybA1a/VvmybA1c, 当缺失
了具有功能的VvmybA1c的情况下, ‘黑比诺’突变成
‘白比诺’ (‘Pinot Blanc’) (Yakushiji等2006)。有的
白色葡萄品种的VvmybA1基因序列的intra-LTR重
组变成solo-LTR, 从而发生变异产生有色品种, 如
白色品种‘意大利’ (‘Italia’)的芽变有色品种‘奥山
红宝石’ (‘Ruby Okuyama’)以及‘绿宝石’ (‘Sugra-
孙欣等: 葡萄浆果着色分子机理的重要研究进展 337
one’)的2个红色突变体‘超级红’ (‘Super Red’)和‘萝
莉无核’ (‘Ralli Seedless’)都是由于intra-LTR重组的
原因产生的变异品种(Lijavetzky等2006; Azuma等
2009)。还有研究发现新VvmybA1基因的产生导致
颜色变化, 如白色品种‘意大利’的芽变有色品种
‘红高’ (‘Benitaka’)就是由于VvmybA1a和VvmybA3
发生同源重组产生了新的具有功能的VvmybA1BEN,
从而使‘红高’浆果可以产生花色苷而能够着色
(Azuma等2009)。
此外VlmybA1-1基因最早是从‘巨峰’葡萄的
cDNA文库中分离鉴定出的一个Myb相关基因, 它
具有和VvmybA1相似的功能, 能够通过调节UFGT
的表达从而参与欧美杂种葡萄(Vitis×labruscana)
花色苷生物合成的调控(Kobayashi等2002), 但目前
它还没有被定位到染色体上。
但是, 有学者认为由于VvmybA1的突变造成
葡萄果皮颜色发生变化的结论是针对为数不多的
几个品种研究的结果, 并不能说明所有葡萄浆果
着色的机理都如此。白葡萄的产生不仅仅只是由
于MybA1基因突变的结果, 可能还有由几个不同调
控基因的突变所引起。人们还需要对更多的品种
做进一步的研究而明确葡萄果皮颜色的分子遗传
基础。
2.2 MybA基因单倍型与葡萄果皮颜色
Walker等(2007)通过细菌人工染色体(BACs)
技术在‘赤霞珠’中发现了和VvmybA1位于同一染
色体且功能相似的VvmybA2基因, 进一步研究发现
其在所有白色品种中发生突变产生了白色果皮基
因VvMybA2w, 其编码区发生一个核苷酸的变化,
导致R2R3结构域的一个α-螺旋的改变, 从而使
VvMybA2w丧失功能而没有发生突变的VvMybA2
(VvMybA2r)具有功能。如果VvmybA1和VvmybA2
两个基因中只有一个发生突变并丧失功能, 另一
个会继续调控花色苷的合成, 这表明二者均能独
立地参与控制花色苷的生物合成。Fournier-Level
等(2009)通过对性状遗传分析证明, 决定欧洲葡萄
果皮颜色的基因位点是位于2号染色体上的由3个
Myb相关基因组成的基因簇 , 其中VvmybA1和
VvmybA2对花色苷的合成具有调节功能, VvmybA3
的表达在统计分析上与花色苷的合成具有相关性,
但其功能还有待进一步被验证。由于决定颜色的
VvmybA1和VvmybA2两个基因位点是共连锁的, 因
此可以把他们称为一个单倍型(haplotype) (Azuma
等2011)。所谓单倍型是单倍体基因型的简称, 在
遗传学是指同一染色体上可进行共同遗传的多个
基因位点等位基因的组合(Buntjer等2005)。
Azuma等(2008, 2011)通过PCR的方法确定了
决定葡萄果皮颜色基因的单倍型(简写成Hap), 共
有6种单倍型(图3)。HapC包括2种类型: (1) HapC-
N包含2个具有功能的基因VvMybA1c和VvMyb2r;
(2) HapC-Rs包含一个具有功能的VvMybA1c和一
个不具有功能的VvMyb2w (Azuma等2011; Fourni-
er-Level等2010)。VlMybA1-2和VlMybA1-3位于果
皮颜色基因位点的邻近区域, 但Azuma等(2008)仍
然把VlMybA1-2和VlMybA1-3看成一个单倍型HapE
(Azuma等2008)。最近研究发现HapE也包括2种类
型: (1) HapE1包含2个具有功能的基因VlMybA1-2
和VlMYBA1-3; HapE2包含2个具有功能的基因
VlMybA2和VlMybA1-3, 但是VlMybA1-2、VlMy-
bA1-3和VlMybA2在果皮颜色基因位点的具体位置
还未知(Azuma等2011; Fournier-Level等2010)。
Azuma等(2011)分别对欧亚种葡萄(Vitis vinifera)和
欧美杂种葡萄的白色品种和有色品种的单倍型进
行了检测(表2), 发现HapE (HapE1和HapE2)只存在
图2 VvmybA1a、VvmybA1b和VvmybA1c的结构示意
Fig.2 Structures diagrams of VvmybA1a, VvmybA1b and VvmybA1c
参考Azuma等(2007)文献修改。
植物生理学报338
欧美杂种葡萄中存在, 并且HapE起源于美洲葡萄
(Vitis labrusca)。欧洲有色葡萄的染色体单倍体型
的种类明显少于欧美杂种有色葡萄。Azuma等(2011)
和Fournier-Level等(2009, 2010)还发现含有HapA/
HapE1或者HapC-Rs的葡萄果皮颜色趋向于红色,
而含有HapA/HapE2或HapC-N的葡萄果皮颜色趋
向于黑色, 后者的花色苷含量高于前者。对2倍体
和4倍体不同颜色的葡萄的单倍体型特点和花色
苷的含量之间的关系进行研究发现, 有功能基因
的单倍体型越多, 其花色苷的含量越多(Azuma等
2011)。Shimazaki等(2011)最新研究发现, 欧洲葡
萄东方品种群的部分品种具有一个新的源于
VvmybA1但其第2个外显子存在一个33 bp的插入
片段, 从而可能会造成葡萄浆果的颜色变浅的新
等位基因VvMybA1SUB。Azuma等(2008)把VvMybA-
1SUB看成一个独立的单倍体型HapF, VvMybA1SUB目
前只在4个东方品种群品种: ‘无核白’ (‘Sultani-
na’)、‘甲州’ (‘Koshu’)、‘龙眼’ (‘Ryugan’)和‘牛奶’
(‘Niunai’)中被检测到, 而且这4个品种中不存在其
他的具有功能的VvmybA基因和VlmybA基因(Azu-
ma等2008; Lijavetzky等2006)。VvMybA1SUB也有可
能没有参与调控花色苷合成的情况, 因为在白色
品种‘无核白’和‘牛奶’、有色品种‘甲州’和‘龙眼’
都能检测到VvMybA1SUB表达 , 而且这些品种的
VvMybA1SUB序列都相同, 这说明白色品种的VvMy-
bA1SUB启动子上游可能存在一个转座子插入而使
表2 不同种葡萄不同颜色的单倍型
Table 2 Haplotypes of various grape cultivar groups with different skin colors

种群
单倍型
白色品种 有色品种
欧洲种(Vitis vinifera) HapA/HapA HapA/HapC、HapA/HapB
欧美杂种(Vitis×labruscana) HapA/HapA HapA/HapC、HapA/HapE、HapE/HapE、HapC/HapC
图3 葡萄浆果颜色基因位点的单倍型
Fig.3 Grape berry’s haplotypes at color locus
参考Azuma等(2011)文献修改。
孙欣等: 葡萄浆果着色分子机理的重要研究进展 339
其无法表达或者存在第2个调控花色苷合成的基
因位点。
2.3 其他Myb相关基因与花色苷的生物合成
Kobayashi等(2002)从‘巨峰’葡萄分离得到除
了MybA外更多的Myb相关基因(MybB、MybC、
MybD、MybE、MybF、MybG、MybH) (表3), 它
们主要位于葡萄第2条染色体上。进一步研究发现,
MybA只在果肉和果皮中表达, 并且主要在果实开
始着色和软化时期表达; MybB在果实发育的各个
时期都能表达 , 特别是在果实着色期表达最强;
MybC主要在果实发育前期和着色期表达; MybD主
要在果实发育前期表达; MybE~MybH用Northern
在果实各个发育时期都没能检测到, 且瞬时表达
分析发现MybA1-1、MybA1-2和MybA2能够在葡
萄体细胞胚中诱导出紫红色斑点, 但MybB1-1和
MybB1-2不能诱导出紫红色斑点(Kobayashi 2002)。
还有一些基因与MybA1、MybA2有所不同, 虽
然能够调节葡萄花色苷的生物合成, 但其主要功
能是调节原花色素的生物合成, 如VvMybPA1从‘西
拉’的cDNA文库中分离出来的Myb相关基因, 它能
够编码一个由286个氨基酸残基组成的Myb型蛋
白, 在葡萄花、果实、种子中都有表达。Vv-Myb-
PA1能够激活NAR (花色素还原酶)、LAR (无色花
色素还原酶)、F3′5′H、CHI和LDOX的启动子, 但
对UFGT的启动子无影响, 主要参与调节葡萄原花
色素的生物合成过程中的相关结构基因(Bogs等
2007)。VvMyb5a和VvMyb5b是从‘赤霞珠’的cDNA
文库中分离出来的2个Myb相关基因, 它分别编码
由320和311个氨基酸残基组成的R2R3 Myb蛋白
(Deluc等2006, 2008)。VvMyb5a主要在果实的发育
早期表达, 在果实成熟过程中为下调表达, VvMyb5b
主要在果实成熟过程中表达, 在果实发育前期表
达量很低, 在转色期后表达量最高, VvMyb5a和
VvMyb5b都能促进ANS、CHI、F3′5′H、LAR的表
达, VvMyb5b还能促进NAR的表达, 但它们都不能
促进UFGT的表达(Deluc等2006; Castellarin等
2007)。
3 结语
葡萄是世界性的重要果树。有关葡萄分子生
物学的研究进展较快, 并且在有关矮化突变体(Boss
和Thamas 2000)、着色机理(Kobayashi等2004)和
基因组测序(Jaillon等2007)等研究方面取得了重要
的研究成果。由于葡萄的色泽对于葡萄的加工用
途、市场效益、经济价值具有重要的影响, 所以
对葡萄花色苷的生物合成以及浆果着色机理的研
究具有重要的意义。基于对模式植物花色苷代谢
表3 葡萄花色苷生物合成途径的调节基因
Table 3 The regulation genes involved in anthocyanin biosynthesis in grape
品种 基因位点 所在染色体 GenBank登录号 所调节的基因 参考文献
‘巨峰’ VlmybA1-1 Chr 2 AB073010 UFGT Koybayashi等2002
VlmybA1-2 Chr 2 AB073012 UFGT、OMT、GST Koybayashi等2002
VlmybA2 Chr 2 AB073013 UFGT Koybayashi等2002
VlmybB1-1 Chr 2 AB073016 不详 Koybayashi等2002
VlmybB1-2 Chr 2 AB073017 不详 Koybayashi等2002
VlmybC Chr 2 AB073014 不详 Koybayashi等2002
VlmybD Chr 8 AB073015 不详 Koybayashi等2002
‘意大利’ VvmybA1 Chr 2 AB097923 UFGT Koybayashi等2004
‘红亚历山大’ VvmybA2 Chr 2 AB097924 UFGT Koybayashi等2004
‘奥山红宝石’ VvmybA3 Chr 2 AB097925 不详 Koybayashi等2004
‘赤霞珠’ VvMyb5a Chr 8 AY555190 ANS、CHI、F3H、F3’5’H、DFR、 Deluc等2006
LAR
VvMyb5b Chr 6 AY899404 ANS、CHI、F3’5’H、LAR、NAR Deluc等2008
VvMybA1 Chr 2 DQ886417 UFGT Walker等2007
VvMybA2r Chr 2 DQ886419 UFGT Walker等2007
VvMybA2w Chr 2 DQ886420 不详 Walker等2007
‘康可德’ VlmybA1-3 Chr 2 AB427165 UFGT Azuma等2008
‘西拉’ VvMybPA1 Chr 15 AM259485 CHI、F3′5′H、NAR、LAR、LDOX Bogs等2007
植物生理学报340
途径的研究, 人们对葡萄花色苷代谢途径的认识
不断深入, 从分子水平来看葡萄浆果着色机理已
经形成了比较清晰的轮廓。不同葡萄品种浆果着
色机理不是一种简单模式, 是由多个基因组合、
多种作用方式共同作用的结果。葡萄不同品种花
色苷代谢途径以及相关结构基因一致, 但相关结
构基因表达水平不同会造成不同花色苷的比例及
总量的不同, 例如, F3′H和F3′5′H的表达水平决定
花青素花色苷和花翠素花色苷的比率, 进而影响
果皮的颜色, UFGT、OMT和GST (谷胱甘肽S-转移
酶)基因也对花色苷的含量具有影响(Azuma等
2009)。另外, 调节基因对葡萄花色苷形成影响最
大, 研究表明Myb相关基因(MybA1和MybA2)的类
型和数量对花色苷的含量具有决定性的作用, 进
而决定葡萄果皮颜色的深浅(Azuma等2008, 2011)。
葡萄花色苷含量具有一定的数量性状特点(Fourni-
er-Level等2009)其含量的多少不仅受到基因型的
影响, 还受外界环境条件(光照, 温度, 水分等), 自
身糖的含量, 激素等条件的影响, 正是由于这些因
素的共同对花色苷生物合成途径的影响, 从而使
葡萄花色苷含量呈现一定数量性状特点。此外,
Myb相关基因(MybA1和MybA2)也被看作是葡萄驯
化有关基因(Miller和Gross 2011)。
Myb相关基因对葡萄花色苷生物合成的调控
起到至关重要的作用, 在不同品种群与品种中表
现出多种模式。在欧美杂种葡萄中, VlmybA1-2、
VlmybA2和VlmybA3位于果皮颜色基因位点的邻近
区域, 其具体位置未知, 但他们也被看成能够调控
花色苷生物合成的基因簇(图4虚线框)。基因簇只
要有一个基因具有功能, 它就能够编码产生Myb蛋
白从而促使花色苷合成途径中UFGT的表达, 进而
葡萄果皮能够产生花色苷着色。葡萄果皮颜色基
因位点对花色苷生物合成的调控作用主要分为3
种情况(图4), (1) VvmybA1和VvmybA2都能够发生
突变 , V v m y b A 1 a和V v m y b A 2 w不具有功能 ,
VvmybA1b、VvmybA1c和VvmybA2r都具有功能, 此
图 4 葡萄果皮颜色基因位点对花色苷生物合成的调控示意图
Fig.4 The schematic diagrams of the regulation of skin color locus of grape on anthocyanin biosynthesis
孙欣等: 葡萄浆果着色分子机理的重要研究进展 341
外某些红色欧洲葡萄的白色芽变品种中VvmybA1
和VvmybA2丢失, 不能合成花色苷。3个分别由
VvmybA2r和VvmybA1c、Vvmyb2w和VvmybA1b、
VvmybA2w和VvmybA1c组成的基因簇具有功能编
码产生Myb蛋白, 果皮能够产生花色苷。这种情况
在欧洲葡萄和欧美杂种葡萄都存在。(2)欧洲葡萄
东方品种群的4个品种中发现只存在VvmybA1SUB,
不存在VvmybA2、VlmybA1-2、VlmybA2和Vlmy-
bA3, 但其是否能够调控葡萄花色苷的生物合成目
前还未知(图4虚线箭头)。这种情况目前只在欧洲
葡萄的东方品种群中发现。(3) VlmybA1-3分别和
VlmybA1-2、VlmybA2组成的基因簇都能编码产生
Myb蛋白促使UFGT的表达, 果皮能够产生花色
苷。这种情况只在欧美杂种葡萄中存在。此外我
们发现某些欧洲葡萄虽然具有VvmybA1b或Vvmy-
bA1c, 但其果皮颜色仍然为白色(慕茜等2011)。
This等(2007)在一些欧洲葡萄中也发现了这种情
况, 他推测出现这种情况的原因是由于其他与花
色苷生物合成有关的结构基因, 如UFGT、GST等
发生突变导致的。但是造成这种情况的具体原因
还不清楚, 阐明其具体原因将是我们下一步研究
的内容。
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