桃MYB转录因子调控花青素合成的研究进展

花 扬 吕昕羽 张 瑜 巨一闳 汪茜玮 吴欣欣

（淮阴工学院生命科学与食品工程学院，江苏淮安 223003）

花青素又称花青素苷，是植物界中常见的水溶性色素物质，属于类黄酮化合物[1]。在植物中，花青素常以更加稳定的糖苷形式分布于植物表皮细胞的液泡中，并赋予植物丰富多彩的颜色，起到吸引昆虫传粉、提高植物抵御不良环境能力等作用。花青素的基本结构是C6-C3-C6，在此基础上与不同取代基结合生成天竺葵素、矢车菊素、芍药花素、矮牵牛素、飞燕草素和锦葵花素等六大类花色苷，这些花色苷决定了植物的花色、果色、叶色等色彩表型[2]。此外，花青素的营养保健作用也越来越受到人们的重视，被广泛应用在医疗、保健、食品加工、美容等领域[3-4]。

目前，针对植物花青素生物合成与代谢途径的研究较多，在拟南芥等模式植物中的花青素生物合成与代谢途径已经较为清楚。已有研究表明，影响花青素合成的因素复杂，如结构基因（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）、调节基因（MYB转录因子家族、WD40转录因子家族和bHLH转录因子家族等）以及环境因素（光照[5]、温度[6]等）都有可能会影响花青素的种类、含量和分布[4]，最终导致植物在色彩上的不同表现。

桃是一种常见的落叶小乔木，属于蔷薇科李属桃亚属，原产于中国，已有超过3 000年的栽培历史，具有丰富的文化内涵和经济价值，是我国重要的经济果树和观赏树种，已被许多国家引进、栽培和利用[7]。桃通常分为果桃和观赏桃两类，在水果产业、园林绿化等方面占有重要地位[8]。桃花青素生物合成与代谢途径决定了桃的观赏性和商品性。本文旨在对桃花青素生物合成调控关键转录因子家族MYB进行综述，以期为今后的花青素生物合成以及育种研究等方面提供理论基础。

1 植物中花青素生物合成及转运途径

1.1 花青素生物合成的结构基因

植物色素主要包括类黄酮、类胡萝卜素和生物碱三类。类黄酮是桃树最重要的色素群之一，分为红色系（颜色范围包括粉红色至蓝紫色）和纯黄系（颜色范围包括近似无色至淡黄色），其中红色系主要由花青素调控。目前，植物花青素的生物合成途径研究比较透彻，整个途径以苯丙氨酸作为初始合成底物在细胞质中逐步合成，经内质网进一步修饰形成稳定的花青素苷，最后经过转运蛋白和转运囊泡作用运输至液泡中积累。这些过程需要一系列的酶促反应才能完成[9]，可分为3个阶段（图1）。

第一阶段由苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羟化酶（C4H）和4-香豆酰辅酶A连接酶（4CL）参与，催化初始合成底物苯丙氨酸转化为香豆酰辅酶A。

第二阶段由查尔酮合酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、黄烷酮-3-羟化酶（F3H）、类黄酮 3'-羟化酶（F3'H）和类黄酮 3'5'-羟化酶（F3'5'H）参与，将 1个香豆酰辅酶A分子和3个丙二酰辅酶A分子催化形成二氢黄酮醇，其中CHS是植物花青素生物合成的第一个关键酶。Liu等[10]通过对湖景蜜露和玉露果实进行不同颜色套袋处理，结果发现，白色套袋的果实最红，花青素含量最高，并且CHS基因在红色更深果实中的表达更高。

第三阶段首先由二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）和花青素合成酶（ANS）催化二氢黄酮醇合成各种类型的花青素，之后在类黄酮葡萄糖基转移酶（UFGT）和甲基转移酶（MT）的作用下进行糖基化和甲基化修饰，与UDP-葡萄糖结合形成稳定的花色苷。何 平等[11]通过对桃晚熟品种秋甜进行二氢茉莉酸甲酯和茉莉酸甲酯处理，结果发现，处理后果实着色和花青素积累得到了显著提高，花青素合成相关基因DFR、LDOX和UFGT的表达更高。

1.2 花青素的转运

花青素在植物细胞的内质网中合成，最终积累在液泡中，这就需要花青素能够从内质网转运至液泡中。目前，花青素转运方式主要分为2种：第一种是囊泡转运方式，即花青素在内质网中合成后由膜包被成的囊泡转运至液泡表面，再由液泡表面的转运蛋白送至液泡内；第二种是连接蛋白运输方式，即花青素在内质网中合成后与运输蛋白结合并运输到液泡表面，再通过液泡表面的转运蛋白进入液泡[12]。2种方式都需要有液泡表面的转运蛋白参与，可见转运蛋白在花青素转运中的重要作用。已经发现的植物转运蛋白主要包括谷胱甘肽S-转移酶（GST）、ATP-结合框转运蛋白（ABC）、多药和毒性化合物排出转运蛋白（MATE）以及胆红素异位酶（BTL）等。在红白花桃中发现一个编码GST的基因Riant只在红色花中表达，而在间色花中几乎检测不到表达，表明Riant参与花青素积累过程[13]。

2 桃MYB转录因子家族

2.1 植物MYB转录因子概述

植物中花青素的生物合成过程除了受到结构基因的影响外，还会受到转录因子的调控。调控花青素合成的转录因子主要包括MYB、bHLH和WD40三类。其中，MYB是植物中最大的转录因子家族之一，各成员在植物生长发育过程中发挥着重要作用，包括调控植物生长发育、物质合成代谢、信号转导等诸多方面[14]，并且与植物花青素生物合成关系密切[15]。已有研究表明，MYB转录因子可以独立或者与其他转录因子组成蛋白复合体协作调控花青素的合成[16]。

MYB转录因子广泛存在于真核生物中，最早是在动物中发现的，玉米中分离鉴定的ZmMYBC1基因是植物中首先发现的MYB转录因子，其作用是调控玉米糊粉层花青素合成[17]。MYB转录因子是一类DNA结合蛋白，包括一个N端保守的MYB DNA结合结构域，长度约为52个氨基酸残基，另一个是不同的C末端调节区域，负责调节蛋白的活性。MYB转录因子根据其结构域的个数可以分为1R-MYB、2R-MYB（如 R2R3-MYB）、3R-MYB（如 R1R2R3-MYB）和 4R-MYB 这 4类（图 2）。 其中，R2R3-MYB类转录因子是数目最多的一类，以N端含2个MYB结构域构成的DNA结合功能域为共同特征。研究发现，MYB转录因子中参与植物花青素生物合成最多的是R2R3-MYB型。R1R2R3-MYB主要参与细胞周期控制和细胞分化调节。4R-MYB类蛋白是植物中最少的一类。通过分析被子植物6个不同亚群的MYB蛋白发现，尽管其表达强度和作用强度不同，但是都保留着激活花青素生物合成能力。

2.2 桃MYB家族转录因子及其分类

桃MYB转录因子家族的鉴定工作已经开展。Liu等[18]鉴定发现了桃中共有121个R2R3-MYB基因。Zhang等[19]根据桃基因组数据分析共鉴定出256个MYB转录因子家族成员不均匀地分布在8条染色体上（图 3），包括128个 R2R3-MYB型转录因子（2R-MYB）、4 个 R1R2R3-MYB（3R-MYB 型转录因子）、109个 MYB-related（1R-MYB 型转录因子）、1个4R-MYB型转录因子以及14个Atypical-MYB subfamilies。这些MYB转录因子中有48个为桃特异的MYB基因，另外208个为保守的MYB基因，并且与198个拟南芥MYB基因对应。在拟南芥中已经发现 AtMYB11[20]、AtMYB75[21]、AtMYB90[22]等 均 能 与 花青素合成的结构基因互作，进而调控花青素生物合成，桃相关同源基因可能也具有相应的功能。

3 桃MYB转录因子对花青素合成的调控作用

3.1 MYB转录因子对果桃花青素合成的调控作用

果桃品种丰富，白肉和黄肉品种较多，红色果肉的桃品种相对较少，桃果肉的红色主要由花青素呈现。孙志伟[23]通过对比红色果肉品种乌桃和白肉品种清水白桃发现，在花后140 d时，乌桃果肉花青素含量达到661 μg/g，而清水白桃花青素含量较低；并且在乌桃中克隆出一个R2R3-MYB成员，与胶州血桃MYB10基因相似性高达99%，且在果实发育的S2阶段乌桃是清水白桃表达量的7倍。何 平等[24]通过对红桃品种秋雪和黄桃品种肥桃的转录组分析发现，差异表达基因显著富集在类黄酮合成路径（Ko00941）中，并有153个差异表达基因属于转录因子，其中12个MYB类（11个上调表达，1个下调表达）以及14个bHLH类（5个上调表达，9个下调表达）可能与花青素合成有关。在油桃品种Stark Red Gold中发现，UFGT的表达与花青素浓度一致，而FLS1的表达与黄酮醇水平一致，UFGT的表达模式很可能是受到MYB转录因子的调控[25]。Zhou等[26]从白凤桃中分离得到一个R2R3-MYB成员PpMYB7，它可以激活PpLAR1的转录，从而调控原花青素的生物合成过程。Zhao等[27]研究深色果肉品种湖景蜜露和浅色果肉品种玉露对紫外光的响应时发现，UVA和UVB都能诱发湖景蜜露果实着色加深，而玉露果实着色只受UVB刺激加深，转录组分析发现有8个差异表达基因属于MYB转录因子家族。其中：ppa026640m（PpMYB10.1）、ppa016711m（PpMYB-10.2）、ppa020385m（PpMYB10.3）与 AtMYB113 同源，PpMYB10.2和PpMYB10.3只响应 UVB；ppa004560m与AtMYB12同源，且只响应UVA。

3.2 MYB转录因子对观赏桃花青素合成的调控作用

观赏桃是重要的园林植物，品种多样，花色丰富。其中，红花品种和洒红品种深受人们喜爱，而桃花瓣的红色主要是由花青素呈现。Chen等[28]发现，在观赏桃跳枝品种中CHS、CHI和F3H在红色花中表达量显著高于白色花，ppa010069m（myb domain protein 113）、ppa011751m（myb domain protein 24）、ppa0102-77m（myb domain protein 4）在红花中高表达，而ppa-007222m（myb-like transcription factor family protein）在白色花中高表达。Zhou等[29]通过对比洒红桃红色和间色花蕾的蛋白质组数据发现，LDOX蛋白质丰度在红色样品中显著高于间色样品，LDOX是参与无色花青素形成有色花青素的关键酶。洒红桃LDOX启动子区域存在多个与MYB相关的顺式作用元件，并且这些顺式元件存在甲基化水平的动态变化，这可能会导致MYB转录因子对LDOX转录调控作用受到影响[30]。Zhou等[31]通过分析大红袍的肉质果实、红白花的红花和红叶桃的红叶转录组数据鉴定了8个与类黄酮相关的R2R3-MYB转录因子，其中PpMYB10.2和PpMYB9能够激活花青素合成基因转录，PpMYBPA1和Peace对原花青素合成基因的启动子有强活化作用。Zhou等[32]发现，2个R2R3-MYB基因PpMYB10.1和PpMYB10.2具有诱导花青素积累的作用。

4 展望

花青素对植物果实、叶片、花器官等部位着色起着重要作用，而MYB转录因子家族参与调控植物花青素生物合成方面的作用已经被研究者重视，部分MYB成员已被确定为花青素生物合成中的主要调控因子。但是，调控花青素生物合成的因素众多，机制复杂，不仅受内部基因影响，而且与外界环境的变化密切相关。桃花青素合成中MYB转录因子的研究相对较少，针对究竟哪一个或哪几个桃MYB转录因子成员参与花青素生物合成的调控、桃MYB转录因子调控哪些花青素合成结构基因等，目前还不是很明确。此外，对于一些特殊性状如彩斑、跳枝等性状方面的研究需要加强。随着生物技术和生物信息学技术的不断发展，桃MYB转录因子调控花青素生物合成的网络以及调控机理将会越来越清晰。