R2R3-MYB调控果实花色苷合成的研究进展

果皮颜色是决定果实品质和商品价值的重要因子之一,R2R3-MYB转录因子对花色苷的生物合成起着重要的调控作用。本综述从R2R3-MYB转录因子对花色苷合成的正负调控作用,特异性及与其它因子共同调控的花色苷合成网络等方面,介绍了近年来国内外R2R3-MYB在果树上调控花色苷合成的研究。并对今后果树上果实着色的研究作了展望,旨在为进一步开展本领域研究提供相关依据。     

‘脆红李’果实发育过程中花色苷含量及相关基因表达分析

花色苷是一类重要的色素,对李红色的形成必不可少。本研究以‘脆红李’为试材,研究了果实发育过程中叶绿素含量、总花色苷含量及果皮主要花色苷组分和含量的变化规律,并分析了Ps PAL、Ps CHS、Ps CHI、Ps F3H、Ps DFR、Ps ANS和Ps UFGT基因在果实不同发育阶段的表达规律。结果表明,随着‘脆红李’果实的生长发育,果皮和果肉中总叶绿素含量呈逐渐下降的趋势;‘脆红李’果肉中不含花色苷,果皮中的花色苷在转色期才开始积累,成熟时达到最大值,为404.37μg/(g·FW),并以矢车菊素-3-O-葡萄糖苷和矢车菊素-3-O-芸香糖苷为主;花色苷合成相关基因在‘脆红李’不同生长发育时期的果皮和果肉中有着特异性的表达,但只有Ps PAL和Ps UFGT基因的转录水平与花色苷含量的正相关性达到极显著水平,表明这两个基因对‘脆红李’果实的着色有着异常重要的调控作用。     

桃树体不同部位果实着色差异及其与环境因子的关系研究

为探讨树体冠层不同部位桃果实着色机制差异及其与环境因子的关系,以晚熟桃品种‘霞晖8号’为试材,研究了果实3个典型发育时期(硬核期、膨大期、成熟期)树体冠层上部、中部外围、中部内膛和下部的温度、光照环境因子变化动态,并就其对果皮色泽、色素含量的影响及与果实着色相关的基因表达特点进行解析。结果表明:(1)与冠层下部果实相比,‘霞晖8号’冠层上部、中部外围和中部内膛成熟果实果皮a~*/b~*(红色饱和度/黄色饱和度)显著较高。(2)冠层下部成熟果实的果皮花色素苷含量最低而叶绿素含量最高,且与其他部位间差异显著。(3)果实不同发育时期花色素苷合成相关基因的表达量差异表明,果皮花色素苷合成是多基因协同调控的过程。(4)果实转色前,低光照强度抑制了花色素苷合成相关基因的表达,其中对UFGT、DFR、CHS基因的调控作用最明显;果实成熟期,与高光照条件相比,低光照条件下果皮花色素苷合成相关基因上调表达。研究认为,树体冠层不同部位光照条件差异可能是导致果实着色差异的主要环境因素之一,它通过调节与果皮花色素苷积累相关的基因表达水平控制果皮的着色。     

2个石榴品种果皮花色苷合成相关基因表达分析

以2个不同红色石榴品种‘红宝石’和‘墨石榴’为试验材料,采用荧光定量PCR方法,分析花色苷合成相关基因CHS、CHI、F3H、DFR、ANS、UFGT等6个基因在果实发育过程中的转录表达特性,同时分析基因表达量与果皮花色苷积累的关系。结果表明:(1)在整个果实发育期内‘墨石榴’花色苷含量明显高于‘红宝石’;随着果实的发育,‘红宝石’果皮中总花色苷含量不断增加,而‘墨石榴’中总花色苷含量初期很高,随后迅速下降,后期维持在较低水平。(2)‘红宝石’中CHS、CHI、F3H、DFR、UFGT等5个基因均在果实发育的早期和晚期出现2个表达高峰,而ANS基因的表达量在整个果实发育期内不断升高;在‘墨石榴’中CHS、CHI、F3H、DFR、ANS等5个基因的表达高峰均出现在早期,随着果实的发育表达量均呈下降变化趋势,但UFGT基因在中期时表达量最高。(3)‘红宝石’石榴的ANS基因表达量与总花色苷含量呈显著正相关,‘墨石榴’中CHS和ANS基因的表达水平与总花色苷含量显著相关。研究认为,花色苷合成相关基因的初期和末期表达差异是2个石榴品种着色差异的主要原因,ANS在‘红宝石’着色中起关键作用,CHS和ANS可能在‘墨石榴’花色苷积累中起重要作用。     

不同栽培区域和年份的红皮砂梨果皮着色特性

该研究以红皮砂梨品种‘八月红’和‘红香酥’为试材,比较了不同栽培地区和年份的红皮砂梨着色规律、花色素苷组分及含量,以及相关代谢酶的变化。结果显示:（1）‘八月红’和‘红香酥’果皮花色素苷含量变化规律由其品种特性决定,同一品种的果皮花色素苷绝对含量受不同栽培区域和年份的影响,其组成和含量变化趋势不受影响;但不同品种的花色素苷含量变化以及着色规律有所不同。（2）红色砂梨果皮着色主要与矢车菊-3-半乳糖苷含量变化一致,且随着梨果实的发育和着色加深,果实中UDP-葡萄糖:类黄酮-3-O葡萄糖苷转移酶（UFGT）、二氢黄酮醇-4-还原酶（DFR）活性呈上升趋势,而苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性随着果实发育而下降。（3）相关性分析表明,两品种梨果实花色苷含量与其UFGT、DFR活性呈显著或极显著正相关关系,而与PAL活性相关性不一致。研究表明,梨果皮中的UFGT、DFR是影响红皮砂梨着色的重要酶。     

不同颜色果袋对‘云红梨2号’果皮色泽形成的影响

研究了不同颜色果袋对‘云红梨2号’果实着色的影响,比较了不同套袋处理下果皮外观着色、叶绿素、类黄酮、总酚、花色素苷含量以及花色素苷合成相关酶活性的差异.结果表明: 发育期的黑暗处理有利于解袋后梨果皮着色;不同套袋处理中,采前解袋自然光照射下梨果皮中花色素苷含量最高,着色最好,白色纸袋次之.不同套袋处理显著影响果皮中叶绿素、类黄酮、总酚和花色素苷含量,从而影响梨果皮的外观色泽.不同套袋处理的花色素苷合成酶活性差异显著;相关性分析表明,果皮中花色素苷含量与二氢黄酮醇-4-还原酶(DFR)和类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶(UFGT)活性呈显著正相关,而与苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性相关性不显著.     

外源脱落酸对桃果实着色及相关基因表达的影响

以‘美香’桃为试验材料,于果实着色前用1 000、500、300mg/L的脱落酸(ABA)溶液处理果实,研究了ABA处理促进桃果皮着色的效果以及对果皮花色素苷合成相关基因表达的影响。结果表明:ABA处理显著提高了成熟果实可溶性固形物含量和果皮花色素苷含量;明显改善了果实着色,且以1 000mg/L效果最为明显。ABA处理显著促进了查尔酮合成酶基因(CHS)和二氢黄酮醇4-还原酶基因(DFR)的前期转录水平,同时促进了类黄酮葡萄糖苷转移酶基因(UFGT)和花色素合成酶基因(LDOX)表达高峰的前移。据此推测ABA可能参与了桃果实花色素苷合成的调控,对花色素苷合成具有促进作用。     

葡萄果实成熟期花色苷与白藜芦醇合成相关基因的表达

以酿酒葡萄‘赤霞珠’为试材,采用pH示差法和高效液相色谱(HPLC)法分别测定葡萄成熟期果皮花色苷和白藜芦醇含量,用实时荧光定量PCR检测两者合成途径中相关基因的表达量,分析花色苷含量和白藜芦醇含量与其相关基因表达的关系,以揭示结构基因与调控基因的调控机制,为筛选富含花色苷和白藜芦醇的酿酒葡萄提供理论依据。结果显示:(1)葡萄果皮花色苷含量在花后112d达到最高值(0.77mg/g),反式白藜芦醇含量在花后126d达到最高值(30.87μg/g)。(2)花色苷和白藜芦醇合成途径中,CHSs、CHI、STS、UFGT、MybA1、MybA2基因的表达量除花后98d下调外,其余时间均呈上调表达,而Myb5a则始终呈上调表达。(3)相关分析表明,STS基因表达量与CHS1、CHS2基因表达量呈极显著和显著正相关关系,MybA1、MybA2基因表达量与CHSs、CHI、STS、UFGT基因的表达量呈极显著正相关关系;Myb5a基因表达量与CHS3基因表达量呈极显著正相关关系。研究表明,部分结构基因的表达与花色苷和白藜芦醇的变化不同步,MybA1和MybA2可能调控花色苷合成途径中多个结构基因的表达,花色苷与白藜芦醇的关系并不固定,而是处在动态变化中。     

外源腐胺促进苹果果皮花青苷积累的效应

为了探讨外源施加腐胺对苹果果皮花青苷合成相关基因的调控效应和果实着色的影响, 摘袋当天对苹果品种红富士(Malus domestica Borkh. ‘Red Fuji’)果实喷施50 mg.L-1腐胺(putrescine, Put), 利用分光光度计和高效液相色谱仪分别对苹果果皮花青苷含量及其组成进行了分析; 利用实时荧光定量PCR法检测了转录调节因子MYB1和5个花青苷合成结构基因的转录水平。结果表明: (1) 外源喷施Put对于苹果果皮中花青苷的积累具有明显的促进效应, 在果实采收时, 处理组果皮中的花青苷含量为对照组的1.9倍; (2) 处理果实的果皮中含有矢车菊素阿拉伯糖苷(cyaniding-3-arabinoside, Cy-3-ara), 而在相同条件下, 对照组中未能检测到Cy-3-ara; (3) Put处理对于转录调节因子MYB1和类黄酮3, 5-糖苷转移酶(UDP-glycose: flavonoid 3-O-glycosyltransferase, UFGT)基因的转录有明显的促进作用, 摘袋后第1天和第3天, Put处理组的MYB1转录水平分别为对照组的1.6和2.0倍, UFGT变化趋势与MYB1类似, 查耳酮异构酶(chalcone isomerase, CHI)、花青素苷元还原酶 (anthocyanidin reductase, ANR)和无色花青素加双氧酶(leucoanthocyanidin dioxygenase, LDOX)等基因的转录水平在Put处理初期也表现为明显上升, 特别是 LDOX基因, 其转录水平在处理后第1天和第3天分别达到对照的10.2和3.8倍。在所研究的基因中, 二氢类黄酮还原酶(dihydroflavonol 4-reductase, DFR)基因是唯一一个经Put处理后其转录水平受到强烈抑制的基因, 且这种抑制作用在摘袋后第3天最为明显, 对照组的DFR转录水平为Put处理组的2.3倍。     

环境因子调控植物花青素苷合成及呈色的机理

花青素苷（anthocyanin）是决定被子植物花、果实和种皮等颜色的重要色素之一。花青素苷的合成与积累过程往往与植物发育过程密切相关,由内外因子共同控制。环境因子通过诱导植物体内花青素苷合成途径相关基因的表达来调控花青素苷的呈色反应。该文追踪了国内外相关研究,认为光是影响花青素苷呈色的主要环境因子之一,光质和光强均能在一定程度上影响花青素苷的合成,其中光质起着更为关键的作用;低温能诱导花青素苷的积累,高温则会加速花青素苷的降解;不同的糖类物质均能影响花青素苷的合成,大部分结构基因和调节基因的表达均受糖调控。关于花发育与花青素苷呈色的关系、观赏植物花色对环境因子的响应以及花青素苷抵御逆境的机理尚待深入研究。因此,综合考察花发育与植物花青素苷合成及其呈色之间的关系,特别是光周期对花发育的影响导致花青素苷合成及呈色的机理是花色研究的一个重要课题。利用环境因子调控花色将会极大地提高花卉的观赏价值。     

乙烯利处理对葡萄花色苷合成相关基因表达的影响

利用荧光定量PCR技术分析‘京优’葡萄果实成熟过程中,花色苷生物合成途径相关酶基因mRNA转录水平的变化以及乙烯利处理对果皮中花色苷含量和关键酶基因转录水平的影响。结果显示,葡萄果实发育进入着色期,花色苷合成过程中主要相关基因(CHSs、CHIs、F3Hs、F3′H、F3′5′H、DFR、LDOX、UFGT、OMT和GST)和转录因子(MybA1和MybA1-2)转录水平都显著提高,其中UFGT、GST、MybA1和CHSs、CHIs、F3Hs基因家族中的CHS3、CHI2、F3H2随着花色苷合成而大量转录;乙烯利处理能够增强花色苷合成相关基因的转录,使其转录时期前移和转录水平提高,其中对GST、UFGT和MybA1转录的促进作用最明显。相关性分析表明,花色苷合成与一些花色苷合成相关基因(CHS3、CHI2、F3H2、F3′5′H、UFGT、GST)和转录因子(MybA1)的转录水平呈显著或极显著正相关;与CHS1、CHS2、CHI1、F3H1、DFR、F3′H、LDOX和OMT转录水平的相关性均不显著。本研究结果为进一步阐明花色苷生物合成机理和花色苷类色素的生产应用提供一定的理论依据。     

Differential expression of anthocyanin biosynthetic genes in relation to anthocyanin accumulation in the pericarp of Litchi chinensis Sonn

Litchi has diverse fruit color phenotypes, yet no research reflects the biochemical background of this diversity. In this study, we evaluated 12 litchi cultivars for chromatic parameters and pigments, and investigated the effects of abscisic acid, forchlorofenron (CPPU), bagging and debagging treatments on fruit coloration in cv. Feizixiao, an unevenly red cultivar. Six genes encoding chalcone synthase (CHS), chalcone isomerase (CHI), flavanone 3-hydroxylase (F3H), dihydroflavonol 4-reductase (DFR), anthocyanidin synthase (ANS) and UDP-glucose: flavonoid 3-O-glucosyltransferase (UFGT) were isolated from the pericarp of the fully red litchi cv. Nuomici, and their expression was analyzed in different cultivars and under the above mentioned treatments. Pericarp anthocyanin concentration varied from none to 734 mg m⁻² among the 12 litchi cultivars, which were divided into three coloration types, i.e. non-red (‘Kuixingqingpitian’, ‘Xingqiumili’, ‘Yamulong’and ‘Yongxing No. 2′), unevenly red (‘Feizixiao’ and ‘Sanyuehong’) and fully red (‘Meiguili’, ‘Baila’, Baitangying’ ’Guiwei’, ‘Nuomici’ and ‘Guinuo’). The fully red type cultivars had different levels of anthocyanin but with the same composition. The expression of the six genes, especially LcF3H, LcDFR, LcANS and LcUFGT, in the pericarp of non-red cultivars was much weaker as compared to those red cultivars. Their expression, LcDFR and LcUFGT in particular, was positively correlated with anthocyanin concentrations in the pericarp. These results suggest the late genes in the anthocyanin biosynthetic pathway were coordinately expressed during red coloration of litchi fruits. Low expression of these genes resulted in absence or extremely low anthocyanin accumulation in non-red cultivars. Zero-red pericarp from either immature or CPPU treated fruits appeared to be lacking in anthocyanins due to the absence of UFGT expression. Among these six genes, only the expression of UFGT was found significantly correlated with the pericarp anthocyanin concentration (r = 0.84). These results suggest that UFGT played a predominant role in the anthocyanin accumulation in litchi as well as pericarp coloration of a given cultivar.     

早红考密斯及其芽变果实中花青素含量与相关酶活性变化的研究

以西洋梨早红考密斯及其绿色芽变果实为材料,研究了果实发育期间果皮色泽、花青苷含量及其相关酶活性变化.结果显示:(1)早红考密斯果皮色泽从成熟前的暗红色逐渐变为成熟时的浅红色,并在色泽分布不均匀的地方显出黄色底色,色泽指数(a*)值从花后45 d的16.4降低到成熟时的7.4,降低54.9%;花青苷含量从成熟前的258.4μg?g-1降到成熟时的118.3μg?g-1;早红考密斯果皮色泽和果皮花青苷含量具有密切的相关性.(2)早红考密斯的绿色芽变在果实发育的前期检测不到花青苷,发育后期果实向阳部出现浅红晕,但花青苷含量极低,与亲本差异极显著.(3)果实发育期间,两品种间苯丙氨酸解氨酶(PAL)变化趋势相似,总体呈下降趋势,且早红考密斯的活性总体低于其绿色芽变;两品种查耳酮异构酶(CHI)活性总体变化趋势基本一致,均呈现缓慢上升的趋势,在前期绿色芽变的CHI活性高于其亲本,后期低于亲本;类黄酮3-O-葡(萄)糖基转移酶(UFGT)活性在两品种间的差异较大,在整个果实发育期间早红考密斯的UFGT活性远高于其绿色芽变.研究表明,早红考密斯果皮色泽变化主要由花青苷的含量不同引起;PAL和CHI不是绿色芽变的直接原因;UFGT与花青苷合成密切相关,绿色芽变果皮中UFGT活性显著降低.     

The role of anthocyanin in photoprotection and its relationship with the xanthophyll cycle and the antioxidant system in apple peel depends on the light conditions

The synthesis of anthocyanin, the xanthophyll cycle, the antioxidant system and the production of active oxygen species (AOS) were compared between red and non‐red apple cultivars, in response to either long‐term sunlight exposure (high light intensity) during fruit development, or to exposure of bagged fruits to lower light intensity late in fruit development. During fruit development of red and non‐red apples, the xanthophyll cycle pool size decreased much more in red apple peel late in development. With accumulation of AOS induced by long‐term sunlight exposure, enhancement of the antioxidant system was found. However, this change became significantly lower in red apple than non‐red apple as fruit developed, which might serve to accelerate the anthocyanin synthesis in red apple peel. When, late in fruit development, bagged fruits were exposed to sunlight, the accumulation of AOS was lower in red apple peel than in non‐red peel. This could be due to the higher anthocyanin concentration in the red peels. Meanwhile, compared with that in non‐red cultivar, the xanthophyll cycle and the antioxidant system in red apple peel were protected first but then down‐regulated by its higher anthocyanin concentration during sunlight exposure. In conclusions, red and non‐red apples peel possess different photoprotective mechanisms under high light conditions. The relationship between anthocyanin synthesis and the xanthophyll cycle, and the antioxidant system, depends on the light conditions that fruit undergoes.