谷类作物中植物激素调控花青素合成的研究进展

李鲁华,王忠妮,任明见,徐如宏*

(1.贵州大学 农学院,贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 国家小麦改良中心贵州分中心,贵州 贵阳 550025；3.贵州省农业科学院 水稻研究所,贵州 贵阳 550006)

花青素广泛存在于高等植物如谷物、水果和蔬菜中使其呈现紫、蓝和红等颜色，是一种水溶性的天然色素。植物天然花青素有抗氧化的作用，研究发现花青素在预防心血管疾病、降低癌症的发病率、改善视觉健康、预防肥胖以及抗炎等与人类健康息息相关的疾病预防方面起着重要的潜在作用。因此，解析花青素合成通路并借助分子生物学手段指导选育富含花青素的品种具有重要的实际意义。

植物激素如生长素、细胞分裂素、乙烯、脱落酸等以及环境因子如光照、温度和干旱等都能够影响花青素的积累，在植物花青素信号途径中起调控作用。与水果类和模式植物拟南芥中植物激素调控花青素信号途径广泛深入的研究相比，谷类作物中的研究相对较少。本综述对近年来报道的谷类作物中不同植物激素调控花青素信号途径的研究进行了梳理和归纳。

1 生长素和乙烯调控花青素信号途径的研究进展

早在1968年，Vince通过研究光诱导的高粱离体节间花青素合成时发现，外源添加生理浓度3×10～3×10mol/L的IAA和2,4-D能够抑制该过程中花青素的合成，并表现出随着生长素浓度升高其对花青素合成的抑制效果越显著的趋势。对水稻中生长素上调小RNA(small auxin-up RNA,SAUR)基因进行研究发现，过表达转基因株系具有较低的生长素水平，进一步研究发现通过负调控生长素的合成和转运，从而促进花青素合成相关基因的表达，进而促进花青素的积累。而荞麦中研究表明，用不同浓度生长素0.45×10～5.71×10mol/L对苦荞麦的毛状根进行处理，发现大部分生长素浓度能够促进矢车菊素3-O-葡萄糖苷和矢车菊素-3-O-芸香糖苷两种花青素的积累，且低浓度生长素对花青素含量的促进作用高于高浓度的促进作用。对紫粒小麦进行研究发现，籽粒发育过程内源生长素含量的变化趋势与花青素积累的变化趋势一致，且生长素信号途径相关基因和花青素相关基因的表达水平趋势一致，表明内源生长素的含量与籽粒发育过程中花青素的积累呈正相关关系。由此可知，生长素对花青素信号途径具有正负调控的生物学作用，表现为低浓度促进而高浓度抑制花青素积累的现象。Fu等通过对玉米中茉莉酸的重要调控因子基因进行研究发现，在拟南芥突变体中过表达能够恢复JA处理对花青素的诱导作用，ChIP-Seq分析表明ZmMYC2转录因子可以结合和等生长素信号调节基因，表明通过调控生长素信号途径参与花青素合成的生物学调控过程。早在1971年，Craker等研究高粱中乙烯处理对光诱导下花青素合成的作用时，发现在早期滞后阶段乙烯能够促进花青素积累，而在晚期滞后阶段乙烯能够抑制花青素积累。黑暗条件下，乙烯能够抑制米皮中花青素的积累；采用乙烯合成抑制剂(S)-反-2-氨基-4-(2-氨基乙氧基)-3-丁烯酸(aviglycine，AVG)进行处理，发现花青素合成相关基因如、、等的表达水平显著上调。以上结果说明，乙烯在花青素信号途径中起着正负调控的作用；生长素和乙烯在调控谷类作物花青素生物信号途径中均具有正负调控的作用，但两者的作用机制并未阐明，大多数研究仍缺乏深入的分子机制解析。

2 脱落酸、细胞分裂素、水杨酸和茉莉酸调控花青素信号途径的研究进展

对玉米中(-1)基因突变体进行研究发现，突变体胚对脱落酸(abscisic acid,ABA)的敏感性降低并导致糊粉层和胚中花青素合成受阻，且花青素合成调控基因的表达水平在突变体中选择性的降低；进一步研究发现过表达和ABA能够激活启动子驱动的报告基因的表达。对玉米中茉莉酸缺陷突变体进行研究，发现其支撑根中ABA的含量水平和花青素含量显著降低。水稻中研究发现，ABA处理能够使得水稻幼苗叶片中花青素的积累量显著升高。亚精胺处理水稻能够促进水稻中花青素、脯氨酸等的积累进而减轻长期氟胁迫造成的氧化损伤，进一步研究发现亚精胺处理通过上调ABA合成基因和下调ABA降解基因的表达使得ABA积累进而调控胁迫响应的生物学过程。此外，研究表明水分/养分胁迫能够诱导小麦积累更多的ABA和花青素，表明ABA和花青素密切相关。最近的研究发现，ABA处理使得苦荞麦中的花青素显著积累以及碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZIP)转录因子基因的上调表达，表明外源ABA可能通过影响ABA信号通路调控花青素的合成进而参与苦荞麦对胁迫的响应。

Piazza等对玉米中光照和细胞分裂素在R，SN，C1和PL转录因子调控花青素合成的作用进行研究，发现含有等位基因的植株在光照下其下胚轴中具有较高的花青素积累，而细胞分裂素能够增强光照的诱导作用；光照能够促进糊粉层中花青素的积累和基因的表达，同样的细胞分裂素能够增强光照的诱导作用，表明光照和细胞分裂素能够通过影响和参与调控花青素的合成。研究发现细胞分裂素能够诱导水稻应答调控蛋白(Response regulator,RR)基因的表达，而在拟南芥中过表达能够增强种子中花青素的积累量。研究发现水杨酸能够诱导水稻泛素结合酶(Ubiquitin conjugating enzyme,UBC)基因的表达，而在拟南芥中过表达导致转基因株系中积累更多的花青素并提高了其对紫外线和病菌的抗性。根据上述研究结果推测，细胞分裂素和水杨酸在玉米和水稻中正调控花青素的合成。

对玉米中茉莉酸缺陷突变体进行研究，发现其支撑根中花青素含量显著降低，而外源茉莉酸处理能够恢复其表现。粉虱影响玉米的防御和生理调节，研究发现粉虱侵扰能够引起植株中内源茉莉酸水平的提高以及茉莉酸和花青素合成及信号相关基因的显著上调表达。对玉米中茉莉酸的重要调控因子ZmMYC2进行研究发现，在拟南芥突变体中过表达能够恢复JA处理对花青素积累的诱导作用，ChIP-Seq分析表明能够靶向茉莉酸合成基因并上调其表达。研究发现在拟南芥中过表达的转基因株系在盐胁迫条件下具有更高水平的花青素积累和茉莉酸合成基因，从而使得转基因株系比野生型对盐胁迫具有更好的耐受性。Akhter等对水稻紫叶突变体(purple leaf,)进行研究，发现突变体中花青素合成相关基因的表达和茉莉酸的含量都显著高于野生型。此外，对过表达转基因株系进行研究发现，能够通过提高抗氧化物质如花青素的含量增强转基因水稻对渗透胁迫的耐受性，进一步研究发现过表达能够激活茉莉酸信号传导。可知，茉莉酸与谷类作物中花青素信号途径密切相关，依据现有的研究结果推测茉莉酸在花青素合成过程中起正调控作用。

现有的研究结果表明，脱落酸、细胞分裂素、水杨酸和茉莉酸在谷物作物的花青素合成中起正调控作用，并参与作物对氟胁迫、病菌及渗透胁迫等逆境的响应。自然生长环境中的逆境胁迫会直接影响谷物作物的产量和品质，深入阐明上述植物激素的功能和分子调控网络，对借助分子育种手段获得抗逆性好的作物品种具有较好的指导意义。

3 赤霉素调控花青素信号途径的研究进展

研究发现，外源添加赤霉素(GA)能够显著抑制玉米胚发育第四时期花青素的积累；而抑制赤霉素的合成能够使得成熟胚中花青素的含量升高。通过研究玉米对冷春的适应机制发现，赤霉素参与调控低温诱导的花青素积累的调控过程。Wang等获得的敲除突变体，研究发现低氮处理突变体中花青素的含量显著高于野生型，外源赤霉素(GA)处理能够抑制花青素的积累；进一步研究发现低氮处理能够抑制赤霉素(GA、GA和GA)的产生进而促进花青素的积累。同样的，外源赤霉素处理能够引起大麦中原花青素浓度的降低。赤霉素2-氧化酶(Gibberellin 2-oxidase,GA2ox)在赤霉素代谢途径中起着重要的作用，Wang等发现过表达能够通过提高抗氧化物质的含量，增强转基因水稻对渗透胁迫的耐受性，进一步研究发现能够通过间接调控花青素基因参与花青素合成的调控过程。可知，赤霉素在谷物作物中负调控花青素的合成。

综上可知，植物激素在调控谷物作物中花青素信号途径中起着不完全相同的生物学作用，生长素和乙烯具有正负调控的作用，脱落酸、细胞分裂素、水杨酸和茉莉酸具有正调控的作用，而赤霉素具有负调控的作用。但对其调控途径及调控网络的解析仍需要大量的深入研究。

4 展望

植物天然花青素具有抗氧化作用，在与人类息息相关的疾病如心血管、癌症、肥胖等的预防中起着重要的潜在作用。近年来，伴随着人类对健康的重视，富含花青素的谷类品种受到越来越多的关注。因此，深入阐明谷类作物中的花青素分子调控网络，进而为采用分子育种指导选育富含花青素的谷类品种具有重要的意义。目前，研究者已经对植物激素调控谷物作物中花青素的合成途径进行了一些研究，然而大多停留在外源处理能够影响花青素的含量，缺乏深入的分子调控网络途径的解析。对于植物激素调控谷物作物中花青素信号途径的研究仍需要大量、深入的探究，为最终应用于分子育种提供指导性的理论基础。