赵海菲，王天娅，余坤江，晏 伟，王显亚，田恩堂

(贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025)

花青素(Anthocyanin)是绝大多数植物自身合成的水溶性天然色素，能使其叶、花、茎、果实和种皮等呈现出丰富的色彩，具有重要的商业价值。花青素在植物生长发育中行使多种重要的生理功能：作为媒介吸引昆虫传粉和散播种子；在营养组织中，病原体侵袭、强光、低温和磷酸盐缺乏等可引起花青素的聚集，可能与相关的防御机制有关；花青素可抵御紫外辐射，发挥UV屏障的功能，保护植物DNA不受破坏、维持细胞分化和其它生命过程正常进行；作为有效的抗氧化剂，花青素能有效清除自由基和活性氧(ROS)；花青素也可在保护人体健康，预防心血管疾病、抗癌和抵抗其它一些慢性疾病中发挥重要作用；此外，富含花青素的食品、化妆品及医疗保健品等拥有广阔的消费市场。因此，全面了解花青素生物合成及调控对于开发富含花青素相关产品具有重要意义。

大多数植物的花、叶、茎等组织器官的颜色极大程度上受花青素生物合成途径的遗传与调控机制的影响。在植物中，花青素合成结构基因和调节基因共同调控完成花青素的生物合成途径。该调控主要作用于结构基因的转录过程中，且由MYB、bHLH和WD40等多种转录因子的协同完成，其中以MYB转录因子研究的最多也最为重要。

1 花青素合成途径

植物花青素合成途径隶属于类黄酮途径的一条重要分支，主要在细胞质和内质网上合成花青素再运输到液泡中固定和储存。结构基因编码了一系列与花青素紧密相关的生物合成酶，通过各类转录因子的催化作用合成花青素。植物中花青素生物合成途径是黄酮类代谢途径中的一个分支，它的前体是从苯丙氨酸开始。苯丙氨酸途径包含三个主要基因，分别是(苯丙氨酸氨解酶)、(肉桂酸酯-4-羟化酶)和(4-香豆酸酯：CoA连接酶)。植物花青素生物合成途径可分为两种类型的相关结构基因：早期生物合成基因(EBGs)和晚期生物合成基因(LBGs)。EBG包括(查尔酮合酶)、(查尔酮异构酶)、(黄酮3-羟化酶)、′(类黄酮3′-羟化酶)和(类黄酮合成酶)，协同导致类黄酮和其他类黄酮化合物的生成；而LBG则包括(二氢类黄酮4-还原酶)、(原花青素合成酶)和(UDP-葡萄糖：类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶)，最终导致花青素的生成。以模式植物—拟南芥花青素生物合成代谢途径为例，第I阶段，以苯丙氨酸为直接前体，经、和的三步酶促反应作用下合成4-香豆酰CoA；第II阶段是4-香豆酰CoA通过、、和′基因活性的调控产生二氢黄酮醇的过程；第III阶段是二氢黄酮醇在、、、、和的催化作用下生成花青素的过程。上述结构基因的表达在转录水平上均受多种转录因子调控。

2 MYB转录因子

植物中花青素生物合成代谢途径主要受到由R2R3-MYB、bHLH和WD40蛋白组成的MBW转录复合物的控制。其中，MYB转录因子是MBW复合物的主要决定性调节因子。植物界的MYB类转录因子中数量最多的是R2R3-MYB。拟南芥共发现300多个MYB转录因子，其中有137个属于R2R3-MYB。R2R3-MYB转录因子通过N端与靶序列的DNA结合域特异性结合实现在植物花青素生物合成的转录调控过程中对靶基因的精确调控。此外，MYB转录因子的C端存在与DNA结合的转录激活或抑制功能域，例如蔷薇科植物与花青素生物合成相关的MYB蛋白的C端包含一段特定的基序。根据它们的C末端的氨基酸基序，Stracke等将它们分为22个亚组。其中参与黄酮类化合物生物合成的MYB蛋白属于1～7个亚组，可为相同亚组未知蛋白的功能预测提供参考。可以通过系统进化分析确定在植物花青素合成过程中起激活或抑制作用的MYB类型。

在拟南芥全部组织中，Stracke等发现、和对参与花青素生物合成的EBGs基因进行调控。、、和转录因子基因对参与花青素生物合成的基因进行调控。此外，拟南芥的R2R3-MYB家族基因还检测到、、和等转录因子，它们的时间和空间表达模式决定了花青素的模式和定位。Wang等在苹果中克隆了、和基因，并通过苹果愈伤组织过表达和拟南芥突变体异位表达确认它们在花青素生物合成途径中的作用，为选育高含量花青素的优质苹果提供了科学依据。Xu等和Xu等利用异位表达和敲除试验从紫色胡萝卜品种中分离并验证了和(R2R3-MYB类转录因子)，并证实它们是决定胡萝卜中花青素合成的关键基因。

3 MYB转录因子转录调控

3.1 MYB正调控因子研究

在类黄酮生物合成代谢过程中生成了黄酮醇，花青素和原花青素等多种化合物。研究表明，这些类黄酮途径受到MYB转录因子的微调和严格控制。在玉米花青素生物合成过程中，R和C1两类转录因子均能正调控其相关合成酶基因的表达。深入研究表明，在水稻中转入玉米和同时进行过量表达后，水稻中基因的转录效率相应得到迅速提升，由此可知其极有可能通过对基因的表达量进行上调，来促进植物组织中花青素的生物合成。另外，研究发现通过过表达的方式，拟南芥转录因子对花青素合成途径中多个基因的表达量和表达强度进行上调，能达到明显增加花青素的积累量的效果。其他研究也发现，隶属于MYB家族的基因过表达同样能够提高拟南芥组织中的花青素含量。刘轶等将过表达基因转入野生型烟草，发现花青素调控基因基因通过异源过量表达的方式可达到显著促进转基因烟草植株花青素生物合成的目的，结果导致转基因烟草的叶片、茎段和花器官等呈现出不同程度的紫红色。大量研究也表明，()及其同源物可通过激活结构基因的表达来正调节花青素的产生。调控基因、、和均属于拟南芥MYB家族的第6亚组，通过在转录过程中对结构基因的表达强度进行上调，以促进植物组织中的花青素含量的积累。

对被子植物不同物种中MYB基因家族第6亚组的研究显示，它们通常通过表达的方式以及改变激活强度的程度来调控花青素积累量。Su等研究发现MYB转录因子的高水平表达导致莴苣叶中花青素的高水平积累。在花椰菜、橘子和水稻中也报道了类似的结果。在苹果MYB转录因子的研究中，在其原花青素合成途径中发挥正向调控功能，在杨树中转录作用与正调控因子的功能类同，均能对花青生成途径的还原酶(ANR)启动子产生激活效应，从而对苹果和杨树中花青素含量变化进行正向调控。R2R3-MYB转录因子中第4家族的基因和第6家族基因，二者协同调控可增加月季中花青素的合成。在黄酮类化合物的生物合成过程中，激活型转录因子如和具有正调控功能，在山楂中克隆的与这两类转录因子同源关系较近，其具有高度保守的R2R3功能域，由此推测山楂可能具有相似的正调控功能特征。在小麦花青素合成途径中，、、和基因的启动子与正调控因子结合共同促进花青素含量的积累。紫粒小麦高原115中MYB转录因子被克隆，并正式与花青素积累有关。在高粱中，MYB基因、基因缺失可导致其种子呈现黄色。Matus等发现在葡萄花青素合成途径中，R2R3-MYB转录因子、和基因，均可通过对关键酶基因和产生激活效应，正向调控其花青素生物合成。

3.2 MYB负调控因子研究

MYB转录因子除了花青素生物合成的激活因子外，还发现两种转录抑制花青素生成的MYB：R2R3-MYB和R3-MYB。

R2R3-MYB可减少植物花、茎、叶等组织器官中花青素生物合成与积累，该类转录因子先后在金鱼草()、矮牵牛()、草莓(和)、葡萄(和)、杨树(和)、桃()、苹果(和)和中国水仙()等植物中被检测到。分析发现这些转录抑制因子都属于R2R3-MYB的亚组4，其在烟草中的异位表达造成花青素生物合成受到阻抑而导致花朵颜色的丧失。同样，在杨树中的过表达抑制了花青素含量的积累。相比之下，CRISPR/Cas9系统产生的突变体中花青素含量增加。因此，遗传、生化和细胞生物学证据表明，这些抑制因子是多维调节网络的一部分，可负调节与环境刺激或发育过程相关的花青素生物合成。

除了R2R3-MYB转录因子能抑制植物花青素合成积累外， R3-MYB转录因子也是在植物花青素生物合成过程中表现出负调控功能的转录抑制因子。在拟南芥花青素合成中在和负调控因子作用下，导致拟南芥体内花青素的积累量减少；通过与R2R3-MYBs竞争来与mbw复合物的bHLH组分相互用来负调控mbw复合物。随后，矮牵牛中、龙胆中和、杨树中以及番茄中和也被确定为负调控因子。最近有报道称，一种新型的R3-MYB转录抑制因子参与了中花朵颜色的丧失。与之相比，Song等认为紫甘蓝变种是由于启动子的替换或基因的缺失导致表达的缺失引起的。大量证据揭示，R3-MYB与R2R3-MYB两类抑制因子对花青素的生物合成的负调节作用呈平行关系。

3.3 MYB转录因子的调控途径机制

MYB激活因子和抑制因子按层次结构运行

花青素调节网络是分层组织的。正负MYB调节子之间表达水平的相互控制形成一个复杂的调节环，转录调节环由、和组成，三者调节拟南芥中的花青素生物合成，激活的正调节剂，是的激活因子，而则负调节的表达，以调控花青素的生物合成。之前的研究，提出了MYB激活因子和抑制因子之间的三个作用水平：激活因子诱导抑制因子；抑制因子抑制抑制因子；抑制因子阻遏激活因子。Albert等在矮牵牛叶片中发现过表达花青素激活因子和后，诱导了和抑制因子。同样，在过表达激活因子的毛状根中发现了抑制因子的诱导。值得注意的是，MYB抑制因子的作用会受到自动抑制或MYB抑制因子其他成员的抑制。和本身被鉴定为矮牵牛中的靶基因，表明它们都被MBW复合物激活和抑制。在转基因葡萄的毛状根中也观察到的下调。这种作用水平是有待阐明的间接调节或直接抑制。因此，MYB抑制因子似乎被MBW复合物转录激活，并同时在反馈机制自身的阻遏下被激活。关于抑制子在激活子上的转录层次，Matsui等发现拟南芥除对花青素生物合成基因进行负调控之外还抑制的表达。抑制作用还可以通过MYB激活因子的下调来发挥作用。MYB抑制因子可能间接起到抑制编码bHLH和MYB激活子的基因表达的作用，从而破坏MBW转录激活复合物。

花青素调节的综合模型

近年来，花青素生物合成的调控机制等方面的研究在模式植物和园艺作物中取得突破性进展。以是否促进植物花青素含量积累为区分依据，可将花青素合成途径的转录调控作用分为正调控和负调控两类。MYB和bHLH两种转录因子相互结合组成的MYB-bHLH的复合体或MYB、bHLH和WD40三种转录因子形成的MBW复合体，通过与花青素合成相关的结构基因特定部位相结合，同时改变结构基因的活性，达到促进花青素合成的为正调控过程，起到抑制或减少花青素积累的是负调控过程。Albert等建立了一个模型来描述MBW复合物的激活因子和阻遏因子对花青素生物合成的作用。在非诱导条件下，MYB抑制因子高度表达，bHLH1和WDR则组成型表达。MYB抑制因子可以直接抑制花青素生物合成基因，或通过结合游离的bHLHs来破坏MBW复合物的形成，从而达到抑制花青素的生物合成的目的(图1-a)。

在诱导条件下，通过激活R2R3-MYB激活因子的表达花青素的生物合成开始。R2R3-MYB激活因子与bHLH1(/同源物)和WDR相互作用，形成MBW激活复合物，可激活bHLH2的表达(/同源物)。然后，bHLH2能够与R2R3-MYB激活因子和WDR形成核心MBW激活复合物，激活花青素生物合成基因(例如)的表达，进而促进花青素含量的积累。核心MBW激活复合物还激活bHLH2的表达以提供增强作用，而R2R3-MYB抑制因子和R3-MYB抑制因子的表达则提供反馈抑制作用(图1-b)。

图1 植物花青素在非诱导条件(a)及诱导条件(b)下的调控网络模型[50,54]Fig.1 Modeling of gene regulatory networks under inductive conditions and uninductive conditions[50,54]

4 总结与展望

激活和抑制两类因子协同表达使其花青素生物合成在植物生长发育和抵抗生理胁迫过程中发挥重要调控作用。在小麦作物中、、和基因的启动子与因子相结合，从而对花青素合成进行正向调控；而因子在花青素合成过程中发挥负调控作用，同时增强了植物的抗旱能力以及抵御氧化等环境胁迫。在杨树的瞬时转录激活试验中，作为类黄酮合成通路酶基因启动子的激活因子，而和则通过抑制的表达以达到降低花青素含量的目的，杨树中的、和三者过表达均能大幅度减少花青素和原花青素等化合物的生成量。而研究表明桃子中的与都对蛋白的转录过程起到激活作用，使抑制因子与MYB激活因子形成相互竞争，并与bHLH转录因子bHLH3和bHLH33相结合，激活花青素合成调控途径的反馈调节环，从而使花青素和原花青素的合成量达到平衡状态。在番茄中，R3-MYB抑制因子被核心MBW激活复合物靶向，同时其自身也被自动调节以提供反馈抑制作用。因此，结合了MBW活化复合物和多个负调节剂的拮抗机制可以促进对花青素生物合成的微调，并保护植物免受过量花青素的积累。

综上所述，导致花青素生物合成的任何基因的功能丧失和突变都有可能减弱植物中花青素含量的积累。例如，研究发现基因突变阻止了无色类黄酮花青素向下游有色产物的转化。此外，功能缺失的等位基因可能来自不同类型的突变，例如引起移码的插入缺失(InDel)。因此，在自然界中可能会经常发生减弱花青素含量积累的突变。相反，花青素积累的突变相对较少。此外，如果功能获得突变影响途径中的限速步骤，则单个基因中的功能获得突变将会影响特定生物合成途径最终产物的积累(例如花青素生物合成途径)。而 R2R3-MYB转录因子可以调节花青素生物合成的整个途径，其功能获得突变比编码生物合成酶的基因突变更可能普遍地促进最终产物的高水平积累。