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Transcriptional Regulation Involved in Anthocyanin Biosynthesis in Plants

植物花色素合成的转录调控研究进展



全 文 :林业科学研究 2015,28(4):570 576
ForestResearch
  文章编号:10011498(2015)04057007
植物花色素合成的转录调控研究进展
史倩倩,周 琳,李 奎,王 雁
(中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京 100091)
收稿日期:20140113
项目基金:“863”计划(SQ2010AA1000687008);国家自然科学基金项目(31201654)
作者简介:史倩倩(1987—),女,在读博士.主要研究方向:花卉遗传改良.Email:shiqianqian2005@163.com
 通讯作者
摘要:花色素是由植物类黄酮代谢途径产生的次生代谢产物,决定了花、果实和种子的颜色。随着类黄酮代谢途径
的研究不断地深入,多种植物编码合成花色素的结构基因也已得到克隆,并研究证明花色素合成结构基因与转录因
子(MYB、bHLH和WD40)有着极其复杂的相互作用模式。本文主要对花青素合成相关的MYB、bHLH和WD40转
录因子及其在调节结构基因表达和花青素合成中的作用进行了综述。
关键词:花色素;MYB;bHLH;WD40;转录因子
中图分类号:S718.46 文献标识码:A
TranscriptionalRegulationInvolvedinAnthocyaninBiosynthesisinPlants
SHIQianqian,ZHOULin,LIKui,WANGYan
(KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivation,StateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestry,
ChineseAcademyofForestry,Beijing 100091,China)
Abstract:Anthocyaninisakindofsecondaryproductsduringtheprocessofflavonoidmetabolizinganddetermine
thecolorsofflowers,fruitsandseeds.Withtheresearchonflavonoidsbiosynthesis,manystructuralgenessynthe
sizedanthocyaninsofvariousplantshavebeencloned,andthepreviousstudiesshowedthatthestructuralgenes
wereactivatedbytranscriptionfactors(MYB,bHLHandWD40)withcomplexinteractionpaterns.Inthispaper,
MYBtranscriptionfactors,bHLHtranscriptionfactorsandWD40repeatproteininvolvedinanthocyaninbiosynthesis
andtheirrolesintheregulationofstructuralgeneexpressionandanthocyaninsynthesisarereviewed.
Keywords:anthocyanin;MYB;bHLH;WD40;transcriptionfactor
花色素是由类黄酮代谢通路产生的。随着对拟
南芥(ArabidopsisthaianaL.)等模式植物类黄酮分
子调控研究的不断深入,人们发现除结构基因外,还
有一类调节基因可通过调控结构基因的表达,在转
录水平上参与花色的形成[1]。转录调节是植物花色
素苷生物合成途径中调节其结构基因表达的重要环
节之一。转录因子通过与结构基因启动子中含有的
能被其识别的顺式作用元件发生特异性结合,单独
或协同调节花色素苷生物合成途径中一个或多个结
构基因的表达,从而有效控制植物体内花色素苷的
合成。因此,研究植物花色素苷生物合成途径的转
录调控,是揭示花色形成分子调控机制的根本,具有
重要意义。
1 花色素
花色素又称花青素,是一类水溶性类黄酮色素,
使植物的花、果实、种子和根呈现红色、蓝色和紫色
等不同颜色,还能保护植物免受紫外线损伤,抵御各
种环境胁迫及微生物病原体的侵害[2]。
花色素在细胞质中合成,在液泡中累积。花色
素生物合成主要受两类基因的共同控制,一类是结
构基因,另一类是转录因子。花色素生物合成酶由
第4期 史倩倩等:植物花色素合成的转录调控研究进展
一系列结构基因编码而成,主要包括 PAL、CHS、
CHI、F3H、F3’H、F3’5’H、DFR、LDOX/ANS、UFGT
和AOMT[3、4]。这些花色素生物合成基因的表达水
平随着花色素的积累不断地提高,且它们的 mRNAs
水平也随着花色素含量的变化不断变化,如一些葡
萄品种中的 CHS3的表达缺失导致花青素无法合
成[5]。转录因子能够通过特异的 DNA蛋白质和蛋
白质-蛋白质相互作用激活或者抑制结构基因的表
达,从而调节花色素的合成。大多数植物花色素的
合成是通过 MYBbHLH复合物或者 MYBbHLH
WD40复合物(MBW复合物)进行调节[6]。
2 调控花色素合成基因的转录因子
2.1 MYB转录因子
MYB蛋白是植物转录因子中最大的家族之一,
也是花色素生物合成中涉及最广泛的调节因子。
MYB类转录因子编码的蛋白具有一个碱性 N端,含
有1 3个保守的 DNA结合区域(Myb结构域)。
根据蛋白质中Myb结构域的个数,MYB转录因子可
以分为3类:单一结构域(R3)蛋白、2个重复结构域
(R2R3)蛋白和3个重复结构域(R1R2R3)蛋白,其
中,R2R3MYB家族主要参与类黄酮和花色素苷生物
合成途径调控作用。如玉米(ZeamaysL.)的C1是
植物中第1个被分离鉴定的与花色素合成相关的
MYB转录因子[7],与玉米中 bHLH蛋白类的 R或 B
基因互作,激活花青素合成途径的 DFR启动子和
3GT基因[8]。随后,从矮牵牛[9]、非洲菊(Gerbera
jamesoniBolus)[10]、番茄 (Lycopersiconesculentum
Mil)[11]、葡 萄[12]、金 鱼 草 (Antinhinum majus
L.)[13]、 番 薯 (Dioscorea esculenta (Lour.)
Burkil)[14]、苹果 (MaluspumilaMil.)[15]、龙胆
(GentianscabraBunge)[16]、杨 梅 (Myricarubra
(Lour.)S.etZucc)[17]、百合(Lilium browniF.
E.)[18]等多种植物中都分离到参与调控类黄酮生物
的合成,进而影响植物花器官或果实着色的MYB基
因(表1)。
表1 部分已被克隆的与花青素合成相关的MYB转录因子
MYB转录因子 植物 被调节的基因 文献来源
C1/P1 玉米 CHS、DFR、3GT [7]
PAP1 CHS
t3 DFR
t5 拟南芥 CHI [19]
t6 F3H
t7 F3’H
MYB12 CHS、FLS [20]
An2
矮牵牛
未报道
[21]
An4 未报道
PH4 未报道 [9]
NtMYBS1 烟草 PAL [22]
Ant1 番茄 CHS、DFR [11]
Rpsea1/2 金鱼草 F3H、DFR、ANS、3GT [13]
MYB305、MYB340 PAL、CHI、F3H [23]
PlMYB 紫苏 DFR [24]
LhMYB12 百合 未报道 [18]
IbMYB1 番薯 ANS、F3’H [14]
IpMYB1 牵牛 CHS、CHI、F3H [25]
IpMYB/C1
VvMYBA2 葡萄 ANS [5]
VlMYBA11 3GT [26]
MdMYBA 苹果 ANS [27]
MdMYB10 DFR [15]
GtMYB2a 龙胆 CHS、CHI、FNS2、F3H [16]
GtMYB2b F3’H、F3’5’H、DFR
GtMYB3 ANS、3GT、5AT
MrMYB1 杨梅 DFR [17]
PcMYB10 西洋梨 DFR [28]
PpMYB10 红色沙梨 未报道 [29]
  注:西洋梨(Pyruscommunis(Roxb.exWild.)DC.),红色沙梨(Pyruspyrifolia(Burm.f.))。
175
林 业 科 学 研 究 第28卷
2.2 bHLH转录因子
bHLH(basichelixloophelix,碱性螺旋环螺
旋)转录因子编码的蛋白结构中含有保守的 bHLH
基序,每个 bHLH基序约由60个氨基酸残基组成,
含有2个亚功能区,即位于C末端的HLH区域和N
末端的碱性氨基酸区域。HLH区域之间可依赖疏
水氨基酸的相互作用形成同型或异型二聚体,碱性
区域负责与 DNA顺式元件(Ebox等)结合[30]。在
植物的花青素合成、花器官发育、光形态建成、激素
应答、金属离子体内平衡等方面发挥重要作用。目
前,拟南芥TT8、玉米(Lc、B、R/B)、水稻(Oryzasativa
L.)OSB1、矮牵牛(AN1、AN4、AN11)、金鱼草 Delila、
牵 牛 (Ipomoea purpurea L.)(InDEL 、InIVS、
InbHLH3)、非洲菊 gmyc1、龙胆 GtbHLH1、亚洲杂交
百合LhbHLH2、苹果(MdbHLH3、MdbHLH33)等多种
植物的调控花色素合成相关基因的 bHLH转录因子
已被克隆并进行功能鉴定[15-16、18、28、32-34]。
2.3 WD40蛋白
WD40蛋白非常保守,通常含有4 16个串联
重复的WD基元,核心区域由40个氨基酸残基组成
(色氨酸和天冬氨酸重复单一序列),序列N末端11
24个残基处以 GH开始,C末端结尾为 WD[35]。
矮牵牛的AN11是第1个在植物中发现的 WD40蛋
白,在矮牵牛AN11突变体中发现,DFR的表达量受
到影响并下降,进而对花青素的合成起到调控作
用[36]。随后在拟南芥TTG1、玉米PAC、紫苏 PfWD、
牵牛(IpWDR1、IpWDR2)、紫花苜蓿(Medicagosativa
L.)MtWD40等植物的 WD40蛋白也都相继被发现
与花青苷的合成有关[25,37-41]。
3 花色素合成的相关调控研究
3.1 转录因子独立调控作用
在MBW复合体对花色素生物合成调控的研究
中,MYB转录因子的作用最重要,已在拟南芥、苹
果、葡萄、梨及其他蔷薇科植物中得到证实[17]。一
些MYB蛋白也可以不依靠其他因子的辅助,独立起
转录调控作用,如拟南芥 AtPAP1和 AtPAP2、矮牵牛
PhAN2、番茄 LeANT1、非洲菊 GMYB10以及葡萄
VvMYBF1等能够直接活化花色素苷代谢途径上的
某个(些)基因,并且将它们单独转化多种植物,都
能得到结构基因表达增强或花色素大量积累[1]。葡
萄的VvMYBA1由于转座子的插入而无法表达,产生
白色品种[26];MrMYB1的突变产生白色杨梅和 MYB
的超表达提高了苹果和橙子果肉的花色素含量[42]。
MYB转录因子可以通过影响结构基因的表达
间接调控花青素的合成。Schwinn等[13]从金鱼草花
瓣中分离到 3个 R2R3MYB转录因子 Rosea1、
Rosea2和Venosa,并发现它们可以通过激活花青素
合成过程中不同关键酶基因的表达影响花色素的积
累,如Rosea1高度调节F3H、F3’H、FLS、DFR和UF
GT的表达;Rosea2仅对F3’H进行表达诱导;Venosa
对F3H、F3’H和 UFGT表达有强诱导,对 ANS和
CHI表达也有作用,对DFR表达无作用。
近年来,通过超表达MYB基因促使花器官或果
实中花青素积累的报道不断增多。Ban等[27]和 Es
pley等[15]几乎同时分离出2个分别与苹果果皮和
果肉着红色紧密相关的MYB类转录因子 MdMYB10
和MdMYBA,其中,MdMYBA受低温和UVB的诱导,
在不同组织和不同品种中表达水平差异明显。Ban
等[27]将MdMYBA引入到苹果幼苗中瞬时表达能产
生红斑,转入烟草中能增加花色素苷的积累[27]。
Espley[15]等发现 MdMYB10也能在烟草叶片中诱导
出红斑。番茄中的 ANT1能激活调控 CHS、CHI、
DFR、UFGT、GST等 5个结构基因控制花青苷的
合成[11]。
在花色素合成过程中,MYB基因的表达体现组
织特异性和时空差异。同一合成途径在不同的发育
阶段,花色素合成受控于不同的转录因子。如葡萄
浆果发育的早期阶段,由VvMYB5a调节体内的CHI、
CHS和 F3H酶活性,而在浆果成熟过程中,则是由
VvMYB5b和VvMYBA1、VvMYBA2共同作用调控果皮
内花青素的合成[43]。Patanaik等[44]采用同源克隆
的方法从烟草中分离了 1个 R2R3MYB基因 Nt
An2,RTPCR分析发现其表达量在花朵发育早期达
到最高,随后迅速下降;除在花冠中大量表达外,Nt
An2在花冠筒、雄蕊和子房中仅有少量表达,在叶
片、萼片中均检测不到其转录本。紫色番薯的 Ib
MYB1特异地调控紫色番薯的地下块根果肉的结构
基因CHS、F3H、DFR、ANS的表达导致了花色素的形
成[14]。另外,一些研究证明,植物体内 MYB蛋白除
了具有正调控作用以外,还存在负调控作用,如 Luo
等[45]将拟南芥 AtMYB12转入烟草中会抑制花瓣中
花青素和黄酮类物质的积累;苹果 MdMYB6在拟南
芥中超表达可抑制植株中 CHS、CHI和 DFR等基因
的表达,进而减少花青素的合成[46]。
bHLH转录因子对植物花色素合成基因的表达
275
第4期 史倩倩等:植物花色素合成的转录调控研究进展
也有调控作用,同样具有组织特异性,如金鱼草的
bHLH转录因子 DELILA的表达具有较强的组织特
异性,主要在花冠、萼片、子叶和茎中起作用[13]。大
丽花 (Dahliavariabilis)纯黄色突变体是由于 Tdv1
插入导致部分 DvIVS正常表达,使花色素合成结构
基因无法正常表达,不能合成花色素而只能合成黄
酮和紫柳花素[47]。
3.2 MBW复合物的调控作用
在花色素的转录调控中,转录因子之间相互作
用,存在着共表达效应。对模式植物的研究表明,花
色素合成由 R2R3MYB、bHLH和 WD40蛋白组成
R2R3MYBbHLHWD40(MBW)复合物调控[6],例
如拟南芥的 TT2TT8TTG1形成的 MBW复合物促
进拟南芥种子原花青素合成,PAP1GL3TTG1形成
的MBW复合物共同调控结构基因 PAL、CHS、DFR
和 GST[37]。Zimmermann等[48]用烟草 (Nicotiana
tabacumL.)作材料,验证了从苹果、梨、桃等蔷薇科
植物中分离得到的 11个 MYB10与 bHLH(At
bHLH2、AtbHLH42、MdbHLH3、MdbHLH33)对色素形
成的协同调控,发现MYB10与AtbHLH2或AtbHLH42
组合效果最好。Wang等[43]也表明,苹果的 MYB10
与MdbHLH3或 MdbHLH33协同调控的效果非常明
显[28]。在番茄中,只有当 MYB和 bHLH同时超表
达时,果实的花色素含量才达到较高水平。35S:
MrMYB1转基因拟南芥和烟草分析结果表明,植物
组织中花青素合成需要内源 bHLH较高水平的表
达[49]。矮牵牛花药中 AN1的表达依赖于 AN4
(R2R3MYB),在 AN4功能缺失的叶片和花药中
AN2(R2R3MYB)能够重新激活 AN1的表达,表明
AN2和 AN4均是 AN1表达的激活因子[34]。由于组
成的R2R3MYB蛋白不同,矮牵牛的 MBW复合物
能调节不同组织的花青素合成,即在光照下,AN1
AN2AN11调控花瓣着色,AN1AN4AN11调控花筒
和花药着色,AN1DPLAN11调控花筒脉络着色,
AN1PHZAN11调控发育中的花芽表面着色[50]。矮
牵牛中也存在着正负调节机制,在暗处时MBW复合
物表达受抑制而 PhMYB27(R2R3MYB)基因和
PhMYBx(R3MYB)基因表达量大大增加[7,50]。
Yamazaki等[40]通过酵母双杂交推测紫苏(Perilafru
tescens)转录因子的作用是2个 bHLH蛋白 MYCRP
和MYCGP,能够与 MYBP1和 PfWD相互作用形成
MBW复合物,从而激活花色素合成结构基因表达。
MYB转录因子与 bHLH转录因子在不依赖于
WD40蛋白的条件下或 bHLH转录因子和 WD40蛋
白共同协作调控花色素合成基因的表达,进而起到
影响花色素的合成。非洲菊的 R2R3MYB蛋白
GMYB10与bHLH蛋白 GMYC1相互作用共同激活
DFR表达,且GMYC1具有较强的器官、组织和花类
表2 花青素合成相关的MBW转录复合物及其调控的结构基因
植物 MYB转录因子 bHLH转录因子 WD40转录因子 受调控的基因 文献来源
拟南芥
PAP1、PAP2、MYB113、MYB114、
TT2、MYB12、MYB111、MYB4
TT8、GL3、EGL3、MYC1 TTG1
PAL、CHS、F3’H、DFR、ANS、
UFGT、GST
[37]
玉米
C1
PL1
R1
B1、SN1
PAC1
PAC1
CHS、CHI、F3H
DFR、ANS、UFGT
[38]
矮牵牛 AN2、AN4、DPL、PHZ、PhMYBx AN1、JAF13 AN11 CHSJ、DFR、AN13、RT、AOMT [34、50]
葡萄
VvMYB5a、 VvMYB5b、 VvMY
BA1、VvMYBA2、VvMYBPA1
VvMYC1、VvMYCA1 VvWDR1、VvWDR2 CHI、ANR、UFGT [51]
紫苏 P1 RP/GP、F3G1 PfWD DFR [40]
圆叶牵牛 MYB1 bHLH2 WDR1 CHS、CHI、F3H、DFR、ANS、UFGT [33]
花菜 PURPLE BobHLH1 BoWD40 F3’H、DFR、ANS [53]
烟草 NtAn2 NtAn1 CHS、DFR [58]
苹果 MdMYB10 MdbHLH3、MdbHLH33 CHS、CHI、ANS、UFGT [28、43、54]
山竹 GmMYB10 AtbHLH2 DFR [8,56]
非洲菊 GMYB10 GMYC1 DFR [32]
龙胆 GtbHLH1 GtMYB3 F3’5’H、5AT [16]
百合 LhMYB6、LhMYB12 LhbHLH1、LhbHLH2 CHSa、CHSb、DFR [18]
红叶卷心菜 BoMYB2 BoTT8 CHS、F3H、F3’H、DFR、ANS、GST [52]
紫背天葵 GbMYB1 GbMYC1 DFR、ANS [57]
杨梅 MrMYB1 MrbHLH1 CHI、F3’H、DFR1、ANS、UFGT [17]
金鱼草 Rosea1、Venosa Delia、Mutabil F3H、DFR、ANS、UFGT [13]
375
林 业 科 学 研 究 第28卷
型特异性,如其调节花冠和心皮中的 DFR表达,对
冠毛和雄蕊中的却不调节[32]。在龙胆中 GtbHLH1
与GtMYB3相互作用能增强 F3’5’H和5AT启动子
活性,却不能影响CHS的活性[16]。亚洲杂交百合的
LhbHLH2与LhMYB6、LhMYB12相互作用,能够激活
DFR、CHSa、CHSb的表达[18]。Matus等[51]通过亚细
胞定位试验证明,VvMYCA1和VvWDR1(WD40)能够
共定位于细胞质和细胞核内,且它们的表达模式与
葡萄浆果中的花色素积累,高盐胁迫下幼苗花色素
积累以及 VvMYBA1/A2、UFGT、ANR的表达模式一
致。MBW复合物对植物花色素合成的调控还在圆
叶牵牛[33]、红心卷心菜(BrasicaoleraceaL.var.
capitata)[52]、花菜(BrasicaoleraceaL.var.botry
tis)[53]、苹果[54]、梨(Pyruspyrifolia(Burm.f.))[55]、
山竹(GarciniamangostanaL.)[56]、杨梅[17]、紫背天
葵(Gynurabicolor(Roxb.exWild.)DC.)[57]、烟
草[58]等植物研究中得到证实。
4 展望
MYB、bHLH转录因子和WDR蛋白在植物花青
素生物合成中起重要调控作用,但以往研究大多集
中在拟南芥、玉米和金鱼草等模式植物及果实、蔬菜
中,对其他花色繁多、遗传背景更加复杂的观赏植
物,如牡丹、芍药、月季等及其一些具有奇异花色植
物的转录因子的分离及转录因子间的互作,以及对
花色素合成基因的调控作用的研究仍处于初期阶
段。因此,需要借助基因组测序技术和蛋白组学技
术,对木本和具有奇异花色观赏植物的转录因子进
行鉴定,并利用瞬时表达方法、酵母双杂交及转基因
技术对转录因子间以及转录因子与结构基因间的调
控模式进行研究,并对其遗传功能进行验证,为实现
人工调控花色素合成,进而定向改变观赏植物的花
色、叶色,提高观赏价值提供科学依据和理论基础。
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