花 揚 呂昕羽 張 瑜 巨一閎 汪茜瑋 吳欣欣

（淮陰工學院生命科學與食品工程學院，江蘇淮安 223003）

花青素又稱花青素苷，是植物界中常見的水溶性色素物質，屬于類黃酮化合物[1]。在植物中，花青素常以更加穩(wěn)定的糖苷形式分布于植物表皮細胞的液泡中，并賦予植物豐富多彩的顏色，起到吸引昆蟲傳粉、提高植物抵御不良環(huán)境能力等作用?；ㄇ嗨氐幕窘Y構是C6-C3-C6，在此基礎上與不同取代基結合生成天竺葵素、矢車菊素、芍藥花素、矮牽牛素、飛燕草素和錦葵花素等六大類花色苷，這些花色苷決定了植物的花色、果色、葉色等色彩表型[2]。此外，花青素的營養(yǎng)保健作用也越來越受到人們的重視，被廣泛應用在醫(yī)療、保健、食品加工、美容等領域[3-4]。

目前，針對植物花青素生物合成與代謝途徑的研究較多，在擬南芥等模式植物中的花青素生物合成與代謝途徑已經(jīng)較為清楚。已有研究表明，影響花青素合成的因素復雜，如結構基因（早期生物合成基因CHS、CHI、F3H和F3'H，晚期生物合成基因F3'5'H、DFR、ANS/LDOX 和 UFGT 等）、調節(jié)基因（MYB轉錄因子家族、WD40轉錄因子家族和bHLH轉錄因子家族等）以及環(huán)境因素（光照[5]、溫度[6]等）都有可能會影響花青素的種類、含量和分布[4]，最終導致植物在色彩上的不同表現(xiàn)。

桃是一種常見的落葉小喬木，屬于薔薇科李屬桃亞屬，原產于中國，已有超過3 000年的栽培歷史，具有豐富的文化內涵和經(jīng)濟價值，是我國重要的經(jīng)濟果樹和觀賞樹種，已被許多國家引進、栽培和利用[7]。桃通常分為果桃和觀賞桃兩類，在水果產業(yè)、園林綠化等方面占有重要地位[8]。桃花青素生物合成與代謝途徑?jīng)Q定了桃的觀賞性和商品性。本文旨在對桃花青素生物合成調控關鍵轉錄因子家族MYB進行綜述，以期為今后的花青素生物合成以及育種研究等方面提供理論基礎。

1 植物中花青素生物合成及轉運途徑

1.1 花青素生物合成的結構基因

植物色素主要包括類黃酮、類胡蘿卜素和生物堿三類。類黃酮是桃樹最重要的色素群之一，分為紅色系（顏色范圍包括粉紅色至藍紫色）和純黃系（顏色范圍包括近似無色至淡黃色），其中紅色系主要由花青素調控。目前，植物花青素的生物合成途徑研究比較透徹，整個途徑以苯丙氨酸作為初始合成底物在細胞質中逐步合成，經(jīng)內質網(wǎng)進一步修飾形成穩(wěn)定的花青素苷，最后經(jīng)過轉運蛋白和轉運囊泡作用運輸至液泡中積累。這些過程需要一系列的酶促反應才能完成[9]，可分為3個階段（圖1）。

第一階段由苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羥化酶（C4H）和4-香豆酰輔酶A連接酶（4CL）參與，催化初始合成底物苯丙氨酸轉化為香豆酰輔酶A。

第二階段由查爾酮合酶（CHS）、查爾酮異構酶（CHI）、黃烷酮-3-羥化酶（F3H）、類黃酮 3'-羥化酶（F3'H）和類黃酮 3'5'-羥化酶（F3'5'H）參與，將 1個香豆酰輔酶A分子和3個丙二酰輔酶A分子催化形成二氫黃酮醇，其中CHS是植物花青素生物合成的第一個關鍵酶。Liu等[10]通過對湖景蜜露和玉露果實進行不同顏色套袋處理，結果發(fā)現(xiàn)，白色套袋的果實最紅，花青素含量最高，并且CHS基因在紅色更深果實中的表達更高。

第三階段首先由二氫黃酮醇4-還原酶（DFR）和花青素合成酶（ANS）催化二氫黃酮醇合成各種類型的花青素，之后在類黃酮葡萄糖基轉移酶（UFGT）和甲基轉移酶（MT）的作用下進行糖基化和甲基化修飾，與UDP-葡萄糖結合形成穩(wěn)定的花色苷。何 平等[11]通過對桃晚熟品種秋甜進行二氫茉莉酸甲酯和茉莉酸甲酯處理，結果發(fā)現(xiàn)，處理后果實著色和花青素積累得到了顯著提高，花青素合成相關基因DFR、LDOX和UFGT的表達更高。

1.2 花青素的轉運

花青素在植物細胞的內質網(wǎng)中合成，最終積累在液泡中，這就需要花青素能夠從內質網(wǎng)轉運至液泡中。目前，花青素轉運方式主要分為2種：第一種是囊泡轉運方式，即花青素在內質網(wǎng)中合成后由膜包被成的囊泡轉運至液泡表面，再由液泡表面的轉運蛋白送至液泡內；第二種是連接蛋白運輸方式，即花青素在內質網(wǎng)中合成后與運輸?shù)鞍捉Y合并運輸?shù)揭号荼砻?，再通過液泡表面的轉運蛋白進入液泡[12]。2種方式都需要有液泡表面的轉運蛋白參與，可見轉運蛋白在花青素轉運中的重要作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的植物轉運蛋白主要包括谷胱甘肽S-轉移酶（GST）、ATP-結合框轉運蛋白（ABC）、多藥和毒性化合物排出轉運蛋白（MATE）以及膽紅素異位酶（BTL）等。在紅白花桃中發(fā)現(xiàn)一個編碼GST的基因Riant只在紅色花中表達，而在間色花中幾乎檢測不到表達，表明Riant參與花青素積累過程[13]。

2 桃MYB轉錄因子家族

2.1 植物MYB轉錄因子概述

植物中花青素的生物合成過程除了受到結構基因的影響外，還會受到轉錄因子的調控。調控花青素合成的轉錄因子主要包括MYB、bHLH和WD40三類。其中，MYB是植物中最大的轉錄因子家族之一，各成員在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用，包括調控植物生長發(fā)育、物質合成代謝、信號轉導等諸多方面[14]，并且與植物花青素生物合成關系密切[15]。已有研究表明，MYB轉錄因子可以獨立或者與其他轉錄因子組成蛋白復合體協(xié)作調控花青素的合成[16]。

MYB轉錄因子廣泛存在于真核生物中，最早是在動物中發(fā)現(xiàn)的，玉米中分離鑒定的ZmMYBC1基因是植物中首先發(fā)現(xiàn)的MYB轉錄因子，其作用是調控玉米糊粉層花青素合成[17]。MYB轉錄因子是一類DNA結合蛋白，包括一個N端保守的MYB DNA結合結構域，長度約為52個氨基酸殘基，另一個是不同的C末端調節(jié)區(qū)域，負責調節(jié)蛋白的活性。MYB轉錄因子根據(jù)其結構域的個數(shù)可以分為1R-MYB、2R-MYB（如 R2R3-MYB）、3R-MYB（如 R1R2R3-MYB）和 4R-MYB 這 4類（圖 2）。 其中，R2R3-MYB類轉錄因子是數(shù)目最多的一類，以N端含2個MYB結構域構成的DNA結合功能域為共同特征。研究發(fā)現(xiàn)，MYB轉錄因子中參與植物花青素生物合成最多的是R2R3-MYB型。R1R2R3-MYB主要參與細胞周期控制和細胞分化調節(jié)。4R-MYB類蛋白是植物中最少的一類。通過分析被子植物6個不同亞群的MYB蛋白發(fā)現(xiàn)，盡管其表達強度和作用強度不同，但是都保留著激活花青素生物合成能力。

2.2 桃MYB家族轉錄因子及其分類

桃MYB轉錄因子家族的鑒定工作已經(jīng)開展。Liu等[18]鑒定發(fā)現(xiàn)了桃中共有121個R2R3-MYB基因。Zhang等[19]根據(jù)桃基因組數(shù)據(jù)分析共鑒定出256個MYB轉錄因子家族成員不均勻地分布在8條染色體上（圖 3），包括128個 R2R3-MYB型轉錄因子（2R-MYB）、4 個 R1R2R3-MYB（3R-MYB 型轉錄因子）、109個 MYB-related（1R-MYB 型轉錄因子）、1個4R-MYB型轉錄因子以及14個Atypical-MYB subfamilies。這些MYB轉錄因子中有48個為桃特異的MYB基因，另外208個為保守的MYB基因，并且與198個擬南芥MYB基因對應。在擬南芥中已經(jīng)發(fā)現(xiàn) AtMYB11[20]、AtMYB75[21]、AtMYB90[22]等 均 能 與 花青素合成的結構基因互作，進而調控花青素生物合成，桃相關同源基因可能也具有相應的功能。

3 桃MYB轉錄因子對花青素合成的調控作用

3.1 MYB轉錄因子對果桃花青素合成的調控作用

果桃品種豐富，白肉和黃肉品種較多，紅色果肉的桃品種相對較少，桃果肉的紅色主要由花青素呈現(xiàn)。孫志偉[23]通過對比紅色果肉品種烏桃和白肉品種清水白桃發(fā)現(xiàn)，在花后140 d時，烏桃果肉花青素含量達到661 μg/g，而清水白桃花青素含量較低；并且在烏桃中克隆出一個R2R3-MYB成員，與膠州血桃MYB10基因相似性高達99%，且在果實發(fā)育的S2階段烏桃是清水白桃表達量的7倍。何 平等[24]通過對紅桃品種秋雪和黃桃品種肥桃的轉錄組分析發(fā)現(xiàn)，差異表達基因顯著富集在類黃酮合成路徑（Ko00941）中，并有153個差異表達基因屬于轉錄因子，其中12個MYB類（11個上調表達，1個下調表達）以及14個bHLH類（5個上調表達，9個下調表達）可能與花青素合成有關。在油桃品種Stark Red Gold中發(fā)現(xiàn)，UFGT的表達與花青素濃度一致，而FLS1的表達與黃酮醇水平一致，UFGT的表達模式很可能是受到MYB轉錄因子的調控[25]。Zhou等[26]從白鳳桃中分離得到一個R2R3-MYB成員PpMYB7，它可以激活PpLAR1的轉錄，從而調控原花青素的生物合成過程。Zhao等[27]研究深色果肉品種湖景蜜露和淺色果肉品種玉露對紫外光的響應時發(fā)現(xiàn)，UVA和UVB都能誘發(fā)湖景蜜露果實著色加深，而玉露果實著色只受UVB刺激加深，轉錄組分析發(fā)現(xiàn)有8個差異表達基因屬于MYB轉錄因子家族。其中：ppa026640m（PpMYB10.1）、ppa016711m（PpMYB-10.2）、ppa020385m（PpMYB10.3）與 AtMYB113 同源，PpMYB10.2和PpMYB10.3只響應 UVB；ppa004560m與AtMYB12同源，且只響應UVA。

3.2 MYB轉錄因子對觀賞桃花青素合成的調控作用

觀賞桃是重要的園林植物，品種多樣，花色豐富。其中，紅花品種和灑紅品種深受人們喜愛，而桃花瓣的紅色主要是由花青素呈現(xiàn)。Chen等[28]發(fā)現(xiàn)，在觀賞桃跳枝品種中CHS、CHI和F3H在紅色花中表達量顯著高于白色花，ppa010069m（myb domain protein 113）、ppa011751m（myb domain protein 24）、ppa0102-77m（myb domain protein 4）在紅花中高表達，而ppa-007222m（myb-like transcription factor family protein）在白色花中高表達。Zhou等[29]通過對比灑紅桃紅色和間色花蕾的蛋白質組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，LDOX蛋白質豐度在紅色樣品中顯著高于間色樣品，LDOX是參與無色花青素形成有色花青素的關鍵酶。灑紅桃LDOX啟動子區(qū)域存在多個與MYB相關的順式作用元件，并且這些順式元件存在甲基化水平的動態(tài)變化，這可能會導致MYB轉錄因子對LDOX轉錄調控作用受到影響[30]。Zhou等[31]通過分析大紅袍的肉質果實、紅白花的紅花和紅葉桃的紅葉轉錄組數(shù)據(jù)鑒定了8個與類黃酮相關的R2R3-MYB轉錄因子，其中PpMYB10.2和PpMYB9能夠激活花青素合成基因轉錄，PpMYBPA1和Peace對原花青素合成基因的啟動子有強活化作用。Zhou等[32]發(fā)現(xiàn)，2個R2R3-MYB基因PpMYB10.1和PpMYB10.2具有誘導花青素積累的作用。

4 展望

花青素對植物果實、葉片、花器官等部位著色起著重要作用，而MYB轉錄因子家族參與調控植物花青素生物合成方面的作用已經(jīng)被研究者重視，部分MYB成員已被確定為花青素生物合成中的主要調控因子。但是，調控花青素生物合成的因素眾多，機制復雜，不僅受內部基因影響，而且與外界環(huán)境的變化密切相關。桃花青素合成中MYB轉錄因子的研究相對較少，針對究竟哪一個或哪幾個桃MYB轉錄因子成員參與花青素生物合成的調控、桃MYB轉錄因子調控哪些花青素合成結構基因等，目前還不是很明確。此外，對于一些特殊性狀如彩斑、跳枝等性狀方面的研究需要加強。隨著生物技術和生物信息學技術的不斷發(fā)展，桃MYB轉錄因子調控花青素生物合成的網(wǎng)絡以及調控機理將會越來越清晰。