环境因子调控植物花青素苷合成及呈色的机理

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花青素苷(anthocyanin)是决定被子植物花、果实 和种皮等颜色的重要色素之一。它是一类水溶性的色 素，存在于植物表皮细胞的液泡中，呈现橙色、红色 至蓝色(Martin and Gerats，1993)。在花瓣中，花青素 苷伴随着花的发育而逐渐积累。在花瓣发育的晚期。 花青素苷大量生成(Martin and Gerats。1 993；Ben． Nissan and Weiss，1 996)。 研究发现，外界环境信号激活了花青素苷合成途 径中相关基因的表达。并促使植物开始积累花青素苷 (Mol et a1．，1996；David，2000)。目前，已有大量的文 献报道了花青素苷的生物合成途径，其中催化各步反 应的酶和编码这些酶的基因已经被鉴定出来(黄金霞 等，2006；Tanaka and Ohmiya，2008；胡可等， 2009)。同时，调控这些结构基因表达的主要转录因 子也已被分离。对植物花色进行分子改良成为研究焦 点(韩科厅等，2008；Tanaka and Ohmiya，2008)。花 青素苷的合成是内因和外因共同作用的结果。基因编 码的酶决定了花青素苷合成的种类，而环境因子不仅 能影响花青素苷生物合成的速率。而且可以对其积累 量和稳定性产生作用。通常。环境因子既可调控花青 素苷合成途径中的结构基因，也可调控调节基因，从 而决定最终的花青素苷种类。当植物细胞中积累花青 素苷后，环境因子又对其稳定性产生作用，进而加速 或减缓花青素苷的降解。植物生长在自然条件下。其 生长发育必然受到环境因子的诱导，植物花色和叶色 表现得尤为明显。在不同的环境条件下，花色或叶色 会随之改变，这主要是由于花青素苷的呈色易受环境 因子的调节。利用环境因子调控花色将会极大地提高 花卉的观赏价值。影响花青素苷合成及呈色的外界环 境因子主要包括光、温度和糖等(David，2000)。本文 综述了主要的环境因子在花青素苷合成及呈色过程 中的作用，以期为利用环境条件改变花色和叶色，开 展花青素苷代谢工程研究奠定理论基础。 1 光对花青素苷合成的调控作用 光是影响花青素苷合成最重要的环境因子之一。在绿 色组织(如叶片、花芽和茎等)以及组织培养的细胞中。 光通过激活花青素苷代谢途径中相关基因的表达来 促进花青素苷的积累(Biran and Halevy。1 974；Mol et aI．，1 996)。花青素苷的合成与否及其合成量与光受 体和光信号转导因子密切相关(Sheehan et a1．， 2004)。在花青素苷合成的前期，不同的光强、光质 可以对相关基因的表达进行调控，且在不同物种中， 这种表达模式不尽相同(Albert et a1．，2009)。 1．1 光对花青素苷合成相关基因的调控机理 决定花青素苷合成的内因是结构基因和调节基因。调 节基因编码的转录因子可以决定结构基因表达与否 及其强弱，而结构基因可以决定花青素苷合成的种 类。对许多物种的研究发现，强光可以同时诱导结构 基因和调节基因的表达。使花青素苷的积累量增加： 而黑暗或弱光则可以抑制或下调基因的表达。从而抑 制花青素苷的合成。表现出白花或浅色花(表1)(Gri． esbach，1 992；Mol et a1．，1 996)。 在结构基因的启动子序列中，常含有响应光信号 的顺式作用元件，而转录因子在接受光信号后，会与 这些顺式作用元件结合，从而进一步调控结构基因的 表达。对欧芹(Petroselinum crispum)CHS基因启动 子的详细功能分析揭示出，启动子上的光响应单元带 有1个G-box和1个MYB识别元件(Schulze．Lefert et aI．，1989；Feldbrugge et a1．，1997)。在拟南芥 (Arabidopsis thaliana)CHS、F3H和FLS基因的启动 子序列中，同样含有1个MYB识别元件，这个元件对 于响应光信号起着重要的作用(Hartmann et a1．， 1998，2005)。 编码转录因子的调节基因的表达模式受到光的调 控。强光诱导后，玉米(Zea mays)MYB基因与结构基因 的表达丰度均明显增加，且MyB基因与结构基因的表 达密切相关，这是由于MYB转录因子与结构基因启动 子结合的缘故。除了My8基因外，bHLH(如玉米rl／b1) 基因的转录本在不同光质的诱导下，也参与调控花青 素苷的合成。但是，相比之下，MYB类转录因子起着更 重要的作用(Petroni et a1．。2000；Piazza et a1．，2002)。 光信号调控转录因子与启动子结合的强弱，会在 一定程度上影响结构基因的表达。其表达量也会随之 发生相应的变化。表1显示。花青素苷合成途径中的 表1 不同的光照处理方式对花青素苷合成相关基因表达的影响 处理方式 物种 结构基因 调节基因 基因表达情况参考文献 万方数据 结构基因几乎都可以受光调控。在强光下表达量上 调，在弱光或黑暗条件下不表达或表达量下降。 1．2叶片在光调控花瓣色素呈色过程中的重要作用 目前，光对花青素苷合成代谢的调控方式已经在矮牵 牛(Petunia hybrida)花冠中被阐明(Weiss and Halevy，1 991：Moscovici et a1．。1 996)。在黑暗条件 下离体培养矮牵牛的花冠发现。花冠的生长、花青素 苷的积累及CHS基因的表达都被强烈地抑制。然而。 当把幼嫩的花冠嫁接到生长在光下的植株上。并对花 芽进行遮光，花冠的发育及CHS的转录本水平仅轻 微下调。这说明，叶片是接受光信号的器官。其感受 到光信号以后，再将信号传递到花冠组织中，激活花 青素苷的合成通路，从而使花器官呈色(图 1)(Moscovici et a1．，1996)。然而，在自然条件下的光 信号传递模式尚不清晰。但可以认为。光是花冠发育 晚期诱导花青素苷合成的重要信号(David，2000)。 此外，研究还发现，启动矮牵牛花冠中花青素苷 的积累和CHS基因的表达依赖于光量子通量。使用相 对高能量的光量子通量长时间照射矮牵牛，可以使基 因表达量和色素积累量达到最高水平。说明在此过程 中，高辐射反应参与其中(Weiss and Halevy，1991 o 胡可等：环境因子调控植物花青素苷合成及呈色的机理309 对其它物种的研究也发现。叶片在光调控花瓣色 素呈色及生长过程中起着重要的作用。Biran和 Halevy(1974)研究发现，将月季(Rosa hybrida)的花 朵遮挡起来，并不能阻止花瓣的生长和着色，而遮盖 或摘除叶片，却可以减少花朵的鲜重和花青素苷的含 量。直接照射草原龙胆(Eustoma grandiflorum)的花 朵，并不能激活CHS的表达，使花青素苷得以积累 (Kawabata et a1．，1995；Moscovici et a1．，1996)。 1．3不同光质对花青素苷合成的调控 生长在不同光照条件下的植物的花色、叶色和果色等 常常不同。如蓝色花大多集中分布于高山地区，而在平 原地带，蓝紫色的花却较罕见。这可能与高山地区紫外 线强度较大有关(白新祥和戴思兰，2004)。与其它光照条 件相比，光质对花青素苷的合成起着关键的作用。 在花青素苷的合成和积累过程中。不同的光质对 花青素苷呈色的调控作用效果不同。对于大多数植物 而言，UV-B是花朵花青素苷呈色所必需的(Dong et aI．。1998)，同时，它还可以诱导叶片合成花青素苷 (Chalker-Scott。1 999)。UV-A和UV-B均通过刺激花青 素苷合成途径中关键基因的表达来增加花青素苷的 积累量(表2)(Guo et a1．，2008)；在矮牵牛中，蓝光和 光 圈1 光、糖和赤霉素调控矮牵牛花冠发育和呈色的模式 不同光质对花青素苷合成相关基因表达模式的影响  红光诱导基因表达的效果相似，而在照射绿光后，基 因的表达量稍弱(Moscovici et a1．，1996)。 进一步的研究表明，红光的光受体是光敏色素， 而蓝光和绿光则通过蓝光，UV-A的光受体——隐花色 素起作用(刘明等，2005；马月萍和戴思兰，2007)。拟 南芥中的隐花色素1(cryl)是蓝光诱导花青素苷积累 的主要光受体。且cryl介导蓝光诱导的CHS基因的表 达。Chatterjee等(2006)发现，欧洲油菜(Brassica napus)BnCRYl基因的转录受蓝光调控，反义导入 B门C尺y7基因后。花青素苷的积累量明显下降。 色素苷分支途径上基因的调控(Stiles et a1．，2007)。 如在菊花(Chrysanthemum x morifolium)，下游基 因DFR和A～S对温度的响应敏感，高温处理后表达 量均急剧下降(Huh et a1．，2008)。 同时。随着转录因子对温度的响应，花青素苷的 最终积累量也会发生不同程度的变化。苹果(Ma／us domestica)MdMYBA转录因子特异性地与ANS的启 动子结合，在受到低温诱导后，会促使果皮花青素苷 含量增}Jl：l(Ban et a1．，2007)。在拟南芥中，高温会降 低丌8、丁7IG7和EGL3基因的表达量，从而抑制花青 素苷的合成，减少其积累(Rowan et a1．，2009)。 2 温度对花青素苷合成及稳定性的调控 2．2温度对花青素苷稳定性的影响 2．1 温度对花青素苷合成相关基因表达的调控 温度是影响植物组织中花青素苷积累的另一个主要 的环境因子。在对很多物种，如玉米(Christie et a1．， 1 994)、拟南芥(Leyva et a1．，1 995)、矮牵牛(Shvarts et a1．，1 997)和葡萄(Vitis vinifera)(Mori et a1．，2005)等的 研究中发现。温度对花青素苷合成相关基因的表达起着 至关重要的作用。低温会诱导花青素苷合成相关基因的 表达，使花青素苷含量升高，如可使PAL、C，-fs、CHI 和DF尺基因的转录水平升高几倍；而高温却能抑制基因 的表达，使花青素苷含量降低(Islam et a1．，2005)。 温度对花青素苷合成的调控发生在其合成途径 的多步反应中，在上游途径中，温度主要对PAL、 CHS和CH『基因进行调控(Shvarts et a1．，1997； Shaked．Sachray et a1．。2002；Stiles et a1．。2007)；而 对下游的调控主要表现在对矢车菊色素苷和飞燕草 Shaked．Sachray等(2002)推测温度在影响花青素苷 合成的同时，也影响着花青素苷的稳定性。即当温度 升高时。花青素苷合成的速率减慢，而此时花青素苷 降解的速率却增加。其结果导致花青素苷的积累量降 低。如对长叶车前(Plantago lanceolata)的研究发现， 种植在较低的温度条件下(15。C，164,时，白天门0。C， 84-,时，夜晚)，长叶车前的花瓣中能积累更多花青素 苷。而在较高的温度下(27。C，164,时，白天／22。C， 84,时，夜晚)，其花青素苷含量则明显减少(Stiles et a1．．2007)。同样，高温也会影响葡萄中的花青素苷含 量。种植在30。C或35。C条件下的葡萄中的总花青素 苷含量明显降低，仅为25。C条件下花青素苷含量的 一半(Mori et a1．，2007；Poudel et a1．，2009)。类似地， 菊花的花色也易受温度影响，在较高的温度下(> 30。C)，菊花会表现出褪色或较难着色但不同品种舌状花中的花青素苷对高温的响 应不尽相同，高温(35。C，白天／20。C，夜晚)处理红色 品种Relance后，花青素苷含量比常温(25。C，白天 ／20。C，夜晚)条件下降低了43．4％：而同样处理下的 另一个红色品种Wembley的花青素苷含量却仅下降 了10％(Huh et a1．。2008)。 Mori等(2007)认为温度主要是通过影响酶的稳 定性来影响花青素苷的合成。对紫菀Sungal(Aster tataricus'Sungal’)的研究发现，在29。C／21。C(白天， 黑夜)条件下，其花瓣中花青素苷的含量仅为仃。C， 9。C条件下的一半，而且在较高的温度下，PAL和CHI 的活性均有所降低(Shaked．Sachray et a1．，2002)。 3糖对花青素苷合成及呈色的调控 大多数植物的花器官都是异养的，因此，在花发育的 过程中。需要糖类物质提供营养。在适宜的环境条件 下，花芽是一个主要的同化物库，需要消耗大量的营 养物质。当缺乏糖类物质时，会使花发育停滞 (Halevy，1 987)。 3．1糖对花青素苷合成的调控机理 糖调控花瓣呈色的现象早在1989年就已经在矮牵牛 中得到阐述(图1 o Weiss和Halevy发现，离体培养的 矮牵牛花冠只有在蔗糖和赤霉素(gibberellin，GA)存 在时，并且在光照的条件下才会伸长和着色。研究发 现，GA3和蔗糖是CHS基因转录所必需的物质(Weiss and Halevy，1 989；Weiss et a1．，1 992)。 随后的研究表明，花青素苷的积累受糖的诱导， 这是由于糖作为一种信号分子，其信号转导途径可以 激活或抑制一些基因的表达。例如。蔗糖处理可以强 烈上调花青素苷合成途径。并在促进mRNA积累后， 提高花青素苷的含量(Solfanelli et a1．，2006)。 大部分结构基因和调节基因的表达都受到糖的 调控．如黝￡．、C4H、CHS、CHI、F3H、F3'1-1、FLS、 DFR、LD0烁UFGL MYB75和PAPl(Teng et a1．． 2005；Solfanelli et a1．，2006)。在拟南芥、大豆 (Glycine max)叶片以及葡萄的悬浮细胞中，糖能诱 导cHS和肖～S的表达：拟南芥的DFR和F3H基因同 样受到糖的诱导而表达量上升(Solfanelli et a1．， 2006)；萝卜(Raphanus sathus)下胚轴dg CHS和ANS 胡可等：环境因子调控植物花青素苷合成及呈色的机理311 基因的表达可以被蔗糖诱导(Hara et a1．，2003)。对 CHS的序列分析还发现，在矮牵牛和拟南芥CHS的5’ 侧翼序列中，包含“Sucrose boxes”，因此，c『了S基因 的表达可以受到蔗糖的诱导(Tsukaya et a1．，1991)。 3．2不同糖类物质对花青素苷呈色的影响 对草原龙胆(Kawabata et a1．，1995)、风信子 (Hyacinthus orienta／is)(Hosokawa et a1．，1996)、蛇 鞭菊(Liatris spicata)(Han，1 992)、月季(Kuiper et a1．。 1 991)和香石竹(Dianthus caryophyllus)(Minakuchi et a1．，2008)的研究发现，增加蔗糖的含量可以促使 花瓣伸长并使离体的花朵呈色。在对切花香石竹的研 究中发现。保鲜液中糖的浓度不同，花瓣呈现的颜色 也不同。这是由于随着保鲜液中糖浓度的升高，花瓣 中会积累较多的可溶性糖，这就为花青素苷最后的生 成提供了更多的底物，从而加速了花青素苷的合成速 度。使花瓣的颜色加深(Minakuchi et a1．。2008)。因 此，在大部分切花保鲜液中都会添加蔗糖(Halevy and Mayak，1 981)，以防止切花花瓣褪色。 糖除了通过提供营养物质来促进花青素苷的合 成和积累以外，还可通过对植物细胞产生渗透胁迫诱 导植物合成花青素苷。如在植物细胞培养中发现：一 定浓度的葡萄糖、蔗糖和甘露醇的渗透胁迫均可以促 进花青素苷的积累(ThoIakaIabavi et a1．，1997)。但不 同的糖类物质对不同物种花青素苷的呈色影响不同， 其中，蔗糖是刺激花青素苷呈色的最主要的糖类物 质。在拟南芥中，蔗糖特异性地增加花青素苷的积累， 而果糖和葡萄糖的影响甚微(Solfanelli et a1．，2006)； 在喜树(Camptotheca acuminata)悬浮细胞的培养过程 中，高浓度的蔗糖会增加花青素苷的含量(Pasqua et a1．，2005)；使用175 mmol·L-。蔗糖可以使萝卜下胚轴 积累大量的花青素苷，果糖和葡萄糖的处理次之，甘 露糖和3-0．甲基．D葡萄糖几乎不能促进花青素苷的生 成(Hara et a1．，2003)；在葡萄中，由于甘露糖、2一脱氧 葡萄糖和葡萄糖类似物会被己糖激酶磷酸化，因此均 能够显著诱导花青素苷的积累(Zheng et a1．，2009)。 4其它因素对花青素苷合成及稳定性的 影响 除了光、温度和糖以外。激素、水分、氮或磷的含量 万方数据 312植物学报45(3)2010 以及金属离子等因子也可以调控花青素苷的合成。在 矮牵牛花冠中，GA可以通过诱导CHS、CH／、DFR、 ANS和尺礴因的表达。促进花青素苷的合成(Weiss et a1．，1992)。相反的结果FhRonchi等(1997)发现。GA 能抑制玉米中花青素苷的积累。David(2000)认为。在 矮牵牛花青素苷合成途径中。GA首先启动 bHLH(anl)和MYB(an2)基因的表达，使转录因子作 用于启动子上的顺式作用元件，随后激活花青素苷合 成通路上结构基因的表达，促进花青素苷的合成。此 外，激素和糖也可以相互作用，协同调控花青素苷的 合成。如使用激素和糖处理拟南芥种子发现。施加GA 后，糖诱导的花青素苷合成途径被抑制：而茉莉酮酯 酸(jasmonic acid，JA)和脱落酸(abscisic acid，ABA) 却能与糖协同作用于花青素苷合成途径(Loreti et a1．。 2008)。 金属离子可以单独或与辅助色素一起同花青素 苷形成络合物，延长花青素苷的半衰期，影响花青素 苷呈色(Toyama-Kato et a1．，2003；徐清烯和戴思兰， 2004)，并且能够缓解高温对花青素苷合成的影响 (Shaked-Sachray et a1．，2002)。缺氮、缺磷或二者同 时缺少时，可以导致花青素苷增力[1(Rajendran et a1．。 1992；孙明霞等，2003)。如当缺乏氮素时，拟南芥叶 片中黄酮醇衍生物和矢车菊色素苷的含量均有所升 高(Lillo et a1．，2008)；外源NH4+可以抑制非洲菊 (Gerbera hybrida)花瓣色素的积累，CHS和DFR基因 的表达量也有所降l"E(Huang et a1．，2008)。施加外源 腐胺能够有效地促进苹果果皮花青素苷的积累，并对 相关结构基因和调节基因的表达有显著的调控作用 (田义等，2009)。此外，低pH值、甲基茉莉酸、病原 体感染、真菌诱变以及使用各种除草剂处理均会导致 植物花青素苷含量的变化(Dixon et a1．，1994；AIla and Younis，1995；孙明霞等，2003)。 5问题及展望 5．1 环境因子和花发育过程对花朵呈色的影响 激活花瓣中花青素苷的合成通路。诱导花青素苷的积 累是环境因子和花发育信号共同作用的结果(Mol et aI．，1996)。大量研究表明，花青素苷的合成和花瓣的 发育受到相同的环境因子和内部信号的调控(David。 2000)。但在众多的环境因子中。哪～个因子起主导 作用，这些因子通过什么途径作用于花青素苷的合成 通路。目前尚不清晰。因此，环境因子在细胞中的信 号转导方式是值得研究的内容之一。同时，环境因子 与转录因子、结构基因这三者的互作关系也需要更多 的实验证据来加以阐述。 此外。在花朵开放的过程中，环境因子也可能通 过影响花瓣的发育而间接影响花青素苷的积累。 Martin和Gerats(1993)将花瓣的发育分为2个时期： 慢速生长期，花瓣的发育是细胞分裂的结果：快速生 长期，细胞伸长引起花瓣的伸长。通常，在第2个阶 段，花瓣细胞内开始迅速积累花青素苷，此时，花瓣 的呈色和花瓣的伸长同步进行。在很多植物中，花青 素苷的呈色与花发育的过程密切相关。伴随着花朵的 开放。花青素苷合成相关基因的表达模式会有所改 变，同时，花青素苷的积累量也发生一定程度的变化 (Nakatsuka et a1．，2005；胡可等，2009)，而花发育 又受到光信号或光周期的调控。对非洲菊的花序进行 黑暗处理后。花发育和花青素苷的积累均被抑制，且 这种抑制是不可逆的：相似的结果在离体培养的花序 中也被观察到，这表明在非洲菊活体及离体培养过程 中，花青素苷的积累均与其花发育过程密切相关 (Meng and Wang，2004)。但目前对于花发育相关基 因如何调控花青素苷的代谢和积累的研究开展得较 少，二者的生物合成途径是否存在交叉点。位于交叉 点上的基因能否被环境因子所调控从而改变花色。是 今后的研究方向之一。 5．2环境因子对观赏植物花色的影响 环境因子影响花青素苷呈色的研究目前多集中在模 式植物、作物和葡萄、草莓(Fragaia ananassa)等浆 果植物中，以及食品保鲜、酿酒工业等方面。对观赏 植物花瓣着色的机理研究较少。Toyama．Kato等 (2003)指出，AI计可能与八仙花(帅ngea panicu． 1ata)的蓝色花呈色有关。白新祥(2007)对菊花花青素 苷提取液进行理化性质分析发现。光照、温度、pH值 和金属离子均能引起颜色的变化，从而推断菊花花色 可能会受环境因子的影响而发生变化。但已有的研究 大多是对体外花青素苷的稳定性进行分析。如对植物 花瓣或花冠进行离体培养，或提取花瓣中的花青素 苷，而对植物体内花青素苷的稳定性则研究较少。观 赏植物能创造较高的经济效益和生态效益，而花瓣的 万方数据 呈色与外界环境因子是密不可分的。因此，研究观赏 植物体内花青素苷的稳定性，探讨如何避免花色的减 退具有重要意义。 5．3花青素苷抵御逆境的方式 当植物遭遇低温、干旱等环境胁迫时，植物体内会迅 速积累花青素苷。来帮助植物体抵御逆境。在绿色组 织中，花青素苷作为吸收紫外线的色素对植物体起着 保护作用(Jenkins et a1．。1995)。花青素苷抗逆的机制 目前还不十分清晰。但有证据表明，逆境可能会对植 物细胞产生渗透胁迫，而花青素苷是存在于植物表皮 细胞液泡中的水溶性色素，它可以降低冰点和细胞渗 透势，防止细胞受到冻害并抵御由于冰冻引发的脱水 胁迫，从而提高植物的耐旱能力(孙明霞等，2003)。但 也有人认为，花青素苷与植物的抗逆性没有必然联系 (Singh et a1．，1995)。因此，花青素苷保护植物体的机 制还有待进一步研究。