全 文 :林业科学研究 2015,28(4):570 576
ForestResearch
文章编号:10011498(2015)04057007
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:20140113
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.Email: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
SHIQianqian,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 MYBbHLH复合物或者 MYBbHLH
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/C1
VvMYBA2 葡萄 ANS [5]
VlMYBA11 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(basichelixloophelix,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(Ebox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UVB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,RTPCR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 R2R3MYB、bHLH和 WD40蛋白组成
R2R3MYBbHLHWD40(MBW)复合物调控[6],例
如拟南芥的 TT2TT8TTG1形成的 MBW复合物促
进拟南芥种子原花青素合成,PAP1GL3TTG1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
(R2R3MYB),在 AN4功能缺失的叶片和花药中
AN2(R2R3MYB)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R2R3MYB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
AN2AN11调控花瓣着色,AN1AN4AN11调控花筒
和花药着色,AN1DPLAN11调控花筒脉络着色,
AN1PHZAN11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(R2R3MYB)基因和
PhMYBx(R3MYB)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 MYCRP
和MYCGP,能够与 MYBP1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 R2R3MYB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 CHSJ、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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