谷類作物中植物激素調(diào)控花青素合成的研究進展

李魯華,王忠妮,任明見,徐如宏*

(1.貴州大學 農(nóng)學院,貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 國家小麥改良中心貴州分中心,貴州 貴陽 550025；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學院 水稻研究所,貴州 貴陽 550006)

花青素廣泛存在于高等植物如谷物、水果和蔬菜中使其呈現(xiàn)紫、藍和紅等顏色，是一種水溶性的天然色素。植物天然花青素有抗氧化的作用，研究發(fā)現(xiàn)花青素在預防心血管疾病、降低癌癥的發(fā)病率、改善視覺健康、預防肥胖以及抗炎等與人類健康息息相關的疾病預防方面起著重要的潛在作用。因此，解析花青素合成通路并借助分子生物學手段指導選育富含花青素的品種具有重要的實際意義。

植物激素如生長素、細胞分裂素、乙烯、脫落酸等以及環(huán)境因子如光照、溫度和干旱等都能夠影響花青素的積累，在植物花青素信號途徑中起調(diào)控作用。與水果類和模式植物擬南芥中植物激素調(diào)控花青素信號途徑廣泛深入的研究相比，谷類作物中的研究相對較少。本綜述對近年來報道的谷類作物中不同植物激素調(diào)控花青素信號途徑的研究進行了梳理和歸納。

1 生長素和乙烯調(diào)控花青素信號途徑的研究進展

早在1968年，Vince通過研究光誘導的高粱離體節(jié)間花青素合成時發(fā)現(xiàn)，外源添加生理濃度3×10～3×10mol/L的IAA和2,4-D能夠抑制該過程中花青素的合成，并表現(xiàn)出隨著生長素濃度升高其對花青素合成的抑制效果越顯著的趨勢。對水稻中生長素上調(diào)小RNA(small auxin-up RNA,SAUR)基因進行研究發(fā)現(xiàn)，過表達轉(zhuǎn)基因株系具有較低的生長素水平，進一步研究發(fā)現(xiàn)通過負調(diào)控生長素的合成和轉(zhuǎn)運，從而促進花青素合成相關基因的表達，進而促進花青素的積累。而蕎麥中研究表明，用不同濃度生長素0.45×10～5.71×10mol/L對苦蕎麥的毛狀根進行處理，發(fā)現(xiàn)大部分生長素濃度能夠促進矢車菊素3-O-葡萄糖苷和矢車菊素-3-O-蕓香糖苷兩種花青素的積累，且低濃度生長素對花青素含量的促進作用高于高濃度的促進作用。對紫粒小麥進行研究發(fā)現(xiàn)，籽粒發(fā)育過程內(nèi)源生長素含量的變化趨勢與花青素積累的變化趨勢一致，且生長素信號途徑相關基因和花青素相關基因的表達水平趨勢一致，表明內(nèi)源生長素的含量與籽粒發(fā)育過程中花青素的積累呈正相關關系。由此可知，生長素對花青素信號途徑具有正負調(diào)控的生物學作用，表現(xiàn)為低濃度促進而高濃度抑制花青素積累的現(xiàn)象。Fu等通過對玉米中茉莉酸的重要調(diào)控因子基因進行研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥突變體中過表達能夠恢復JA處理對花青素的誘導作用，ChIP-Seq分析表明ZmMYC2轉(zhuǎn)錄因子可以結合和等生長素信號調(diào)節(jié)基因，表明通過調(diào)控生長素信號途徑參與花青素合成的生物學調(diào)控過程。早在1971年，Craker等研究高粱中乙烯處理對光誘導下花青素合成的作用時，發(fā)現(xiàn)在早期滯后階段乙烯能夠促進花青素積累，而在晚期滯后階段乙烯能夠抑制花青素積累。黑暗條件下，乙烯能夠抑制米皮中花青素的積累；采用乙烯合成抑制劑(S)-反-2-氨基-4-(2-氨基乙氧基)-3-丁烯酸(aviglycine，AVG)進行處理，發(fā)現(xiàn)花青素合成相關基因如、、等的表達水平顯著上調(diào)。以上結果說明，乙烯在花青素信號途徑中起著正負調(diào)控的作用；生長素和乙烯在調(diào)控谷類作物花青素生物信號途徑中均具有正負調(diào)控的作用，但兩者的作用機制并未闡明，大多數(shù)研究仍缺乏深入的分子機制解析。

2 脫落酸、細胞分裂素、水楊酸和茉莉酸調(diào)控花青素信號途徑的研究進展

對玉米中(-1)基因突變體進行研究發(fā)現(xiàn)，突變體胚對脫落酸(abscisic acid,ABA)的敏感性降低并導致糊粉層和胚中花青素合成受阻，且花青素合成調(diào)控基因的表達水平在突變體中選擇性的降低；進一步研究發(fā)現(xiàn)過表達和ABA能夠激活啟動子驅(qū)動的報告基因的表達。對玉米中茉莉酸缺陷突變體進行研究，發(fā)現(xiàn)其支撐根中ABA的含量水平和花青素含量顯著降低。水稻中研究發(fā)現(xiàn)，ABA處理能夠使得水稻幼苗葉片中花青素的積累量顯著升高。亞精胺處理水稻能夠促進水稻中花青素、脯氨酸等的積累進而減輕長期氟脅迫造成的氧化損傷，進一步研究發(fā)現(xiàn)亞精胺處理通過上調(diào)ABA合成基因和下調(diào)ABA降解基因的表達使得ABA積累進而調(diào)控脅迫響應的生物學過程。此外，研究表明水分/養(yǎng)分脅迫能夠誘導小麥積累更多的ABA和花青素，表明ABA和花青素密切相關。最近的研究發(fā)現(xiàn)，ABA處理使得苦蕎麥中的花青素顯著積累以及堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper,bZIP)轉(zhuǎn)錄因子基因的上調(diào)表達，表明外源ABA可能通過影響ABA信號通路調(diào)控花青素的合成進而參與苦蕎麥對脅迫的響應。

Piazza等對玉米中光照和細胞分裂素在R，SN，C1和PL轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控花青素合成的作用進行研究，發(fā)現(xiàn)含有等位基因的植株在光照下其下胚軸中具有較高的花青素積累，而細胞分裂素能夠增強光照的誘導作用；光照能夠促進糊粉層中花青素的積累和基因的表達，同樣的細胞分裂素能夠增強光照的誘導作用，表明光照和細胞分裂素能夠通過影響和參與調(diào)控花青素的合成。研究發(fā)現(xiàn)細胞分裂素能夠誘導水稻應答調(diào)控蛋白(Response regulator,RR)基因的表達，而在擬南芥中過表達能夠增強種子中花青素的積累量。研究發(fā)現(xiàn)水楊酸能夠誘導水稻泛素結合酶(Ubiquitin conjugating enzyme,UBC)基因的表達，而在擬南芥中過表達導致轉(zhuǎn)基因株系中積累更多的花青素并提高了其對紫外線和病菌的抗性。根據(jù)上述研究結果推測，細胞分裂素和水楊酸在玉米和水稻中正調(diào)控花青素的合成。

對玉米中茉莉酸缺陷突變體進行研究，發(fā)現(xiàn)其支撐根中花青素含量顯著降低，而外源茉莉酸處理能夠恢復其表現(xiàn)。粉虱影響玉米的防御和生理調(diào)節(jié)，研究發(fā)現(xiàn)粉虱侵擾能夠引起植株中內(nèi)源茉莉酸水平的提高以及茉莉酸和花青素合成及信號相關基因的顯著上調(diào)表達。對玉米中茉莉酸的重要調(diào)控因子ZmMYC2進行研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥突變體中過表達能夠恢復JA處理對花青素積累的誘導作用，ChIP-Seq分析表明能夠靶向茉莉酸合成基因并上調(diào)其表達。研究發(fā)現(xiàn)在擬南芥中過表達的轉(zhuǎn)基因株系在鹽脅迫條件下具有更高水平的花青素積累和茉莉酸合成基因，從而使得轉(zhuǎn)基因株系比野生型對鹽脅迫具有更好的耐受性。Akhter等對水稻紫葉突變體(purple leaf,)進行研究，發(fā)現(xiàn)突變體中花青素合成相關基因的表達和茉莉酸的含量都顯著高于野生型。此外，對過表達轉(zhuǎn)基因株系進行研究發(fā)現(xiàn)，能夠通過提高抗氧化物質(zhì)如花青素的含量增強轉(zhuǎn)基因水稻對滲透脅迫的耐受性，進一步研究發(fā)現(xiàn)過表達能夠激活茉莉酸信號傳導?？芍?，茉莉酸與谷類作物中花青素信號途徑密切相關，依據(jù)現(xiàn)有的研究結果推測茉莉酸在花青素合成過程中起正調(diào)控作用。

現(xiàn)有的研究結果表明，脫落酸、細胞分裂素、水楊酸和茉莉酸在谷物作物的花青素合成中起正調(diào)控作用，并參與作物對氟脅迫、病菌及滲透脅迫等逆境的響應。自然生長環(huán)境中的逆境脅迫會直接影響谷物作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，深入闡明上述植物激素的功能和分子調(diào)控網(wǎng)絡，對借助分子育種手段獲得抗逆性好的作物品種具有較好的指導意義。

3 赤霉素調(diào)控花青素信號途徑的研究進展

研究發(fā)現(xiàn)，外源添加赤霉素(GA)能夠顯著抑制玉米胚發(fā)育第四時期花青素的積累；而抑制赤霉素的合成能夠使得成熟胚中花青素的含量升高。通過研究玉米對冷春的適應機制發(fā)現(xiàn)，赤霉素參與調(diào)控低溫誘導的花青素積累的調(diào)控過程。Wang等獲得的敲除突變體，研究發(fā)現(xiàn)低氮處理突變體中花青素的含量顯著高于野生型，外源赤霉素(GA)處理能夠抑制花青素的積累；進一步研究發(fā)現(xiàn)低氮處理能夠抑制赤霉素(GA、GA和GA)的產(chǎn)生進而促進花青素的積累。同樣的，外源赤霉素處理能夠引起大麥中原花青素濃度的降低。赤霉素2-氧化酶(Gibberellin 2-oxidase,GA2ox)在赤霉素代謝途徑中起著重要的作用，Wang等發(fā)現(xiàn)過表達能夠通過提高抗氧化物質(zhì)的含量，增強轉(zhuǎn)基因水稻對滲透脅迫的耐受性，進一步研究發(fā)現(xiàn)能夠通過間接調(diào)控花青素基因參與花青素合成的調(diào)控過程?？芍?，赤霉素在谷物作物中負調(diào)控花青素的合成。

綜上可知，植物激素在調(diào)控谷物作物中花青素信號途徑中起著不完全相同的生物學作用，生長素和乙烯具有正負調(diào)控的作用，脫落酸、細胞分裂素、水楊酸和茉莉酸具有正調(diào)控的作用，而赤霉素具有負調(diào)控的作用。但對其調(diào)控途徑及調(diào)控網(wǎng)絡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，在與人類息息相關的疾病如心血管、癌癥、肥胖等的預防中起著重要的潛在作用。近年來，伴隨著人類對健康的重視，富含花青素的谷類品種受到越來越多的關注。因此，深入闡明谷類作物中的花青素分子調(diào)控網(wǎng)絡，進而為采用分子育種指導選育富含花青素的谷類品種具有重要的意義。目前，研究者已經(jīng)對植物激素調(diào)控谷物作物中花青素的合成途徑進行了一些研究，然而大多停留在外源處理能夠影響花青素的含量，缺乏深入的分子調(diào)控網(wǎng)絡途徑的解析。對于植物激素調(diào)控谷物作物中花青素信號途徑的研究仍需要大量、深入的探究，為最終應用于分子育種提供指導性的理論基礎。