花青素合成途径中分子调控机制的研究进展

花青素是广泛存在于植物中的天然水溶性色素。植物不同物种中花青素生物合成代谢途径的遗传特性和调控机制决定了该物种的花色。目前花青素生物合成途径的研究已清晰透彻。花青素合成途径的调控主要发生在结构基因的转录水平上,受多种转录因子的调控。研究发现,对花青素代谢途径中结构基因起调控作用的重要转录因子,主要包括WD40重复蛋白、b HLH蛋白和R2R3-MYB蛋白,这些转录因子之间的结合及其相互作用决定结构基因的表达。本文着重介绍花青素生物合成途径的分子调控机制,即转录因子通过形成三聚体复合物,与结构基因的启动子结合来调控结构基因的表达,并概述其在花色改造基因工程及定向改变花青素含量中的应用。     

植物花青素合成的环境调控研究进展

花青素是一种重要的色素,与植物茎、叶、花瓣、果实、种皮等组织器官的呈色密切相关。植物花青素的生物合成主要受遗传控制,环境因子也对其合成有重要调控作用。环境主要通过影响结构基因和转录因子的表达而影响花青素的积累与植物显色。温度、光照、糖、激素、干旱、盐、低氮、pH值等均对植物花青素的生物合成有显著影响。本文综述了环境因子对植物花青素合成代谢调控的研究情况,以期为花青素合成代谢的相关研究提供参考。     

植物花青素生物合成与调控的研究进展

花青素是一种广泛存在于植物中的水溶性色素,在植物抗逆和预防人类慢性疾病中起着重要作用。花青素生物合成过程在模式植物中的研究较为清晰,其过程主要受多种结构基因编码的酶类及转录调控因子(MYB、bHLH和WD40蛋白)控制。此外,LBD基因家族中的LBD37、LBD38和LBD39基因对花青素的生物合成起负调控作用,microRNA和环境因子对花青素的生物合成过程也起到了调控作用。同时,茉莉酸、赤霉素和脱落酸等植物激素也参与了花青素的生物合成调控过程。近年来,随着人们对植物花青素研究不断深入,越来越多的研究结果揭示花青素合成途径的分子调控机制在不同种植物中存在很大的差异性和复杂性。该文对植物花青素的合成途径、相关酶和各种调控因子进行了综述,并概述了植物花青素合成代谢中基因突变与花色变异的关系,旨在为今后深入研究花青素的分子调控机制,解析其遗传规律以及利用基因工程开展作物遗传改良等方面提供理论依据。     

光照对紫色芽叶茶花青素合成的调控机理

紫色芽叶茶作为特异的茶树种质资源,具有高花青素、芽叶紫红的特性,因而受到学者们的重视。植物的花青素合成途径及其关键基因的研究成为热点,目前,从不同物种中已克隆、鉴定了花青素合成和代谢相关的主要调节基因和结构基因。前人研究表明,花青素合成和代谢与环境密切相关,而光照是主要的影响因素,但其调控机理尚不明确。通过综述光照对其他紫色植物的花青素的调控,进一步探讨了光照对紫色芽叶茶花青素合成相关基因的调控,为研究茶树特异种质资源和生物技术育种提供依据。     

花青素转录因子调控机制及代谢工程研究进展

花青素是广泛存在于植物中的一类重要的类黄酮化合物, 在植物生长发育和人类营养保健方面具有重要价值。花青素的生物合成途径已经解析得比较清楚, 但花青素的代谢调控网络还在不断完善。调控花青素生物合成的转录因子主要包括MYB、bHLH和WD40三大类, 这些转录因子通过激活或抑制CHS、ANS和DFR等花青素途径关键结构基因的表达水平, 进而决定花青素积累的部位与水平。该文结合国内外花青素生物合成与转录调控方面的研究进展, 简要介绍了花青素的生物合成途径, 归纳总结了模式植物中花青素代谢调控的分子机理, 尤其是MYB、bHLH和WD40三类主要转录因子的调控机理, 以及这些转录因子在观赏植物和水果等经济作物花青素代谢工程中的应用。该文将为系统阐明花青素的转录调控机制和利用代谢工程改良花青素的相关研究提供有益参考。     

园艺作物花青素合成调控研究进展

花青素是一类保护植物免受生物和非生物胁迫的重要次生代谢产物,因其赋予植物丰富的色彩和对人体的保健功能而受到广泛关注。花青素合成调控机理的相关研究是目前园艺作物分子生物学研究的前沿课题,对于园艺作物花青素含量的提高、种质品质的提升等具有重要的意义。结合国内外园艺作物中花青素生物合成调控方面的最新研究进展,介绍了环境因素、酶与激素、DNA甲基化与泛素化和调控基因等对花青素生物合成的作用,以及花青素抵御外界胁迫的功能机制,综述了近年来园艺作物中花青素生物合成调控的研究成果,以期利用基因工程为提升园艺作物的色彩丰富度提供理论参考。     

陆地棉MYB类转录因子基因GhTT2克隆及功能初步分析

原花青素作为植物重要的次生代谢产物,是植物应对生物和非生物胁迫的一种重要防御手段,也是影响植物发育和品质的重要因素。原花青素作为花青素生物合成的一条末端通路在模式植物中已有研究,但是具体代谢和调控机制尚不明确;原花青素作为棕色棉纤维呈色的主要物质,其棉纤维呈色的生化与分子机制仍未完全阐明。本研究从陆地棉(Gossypium hirsutum)中克隆了一个MYB类转录因子基因GhTT2 (transparent testa 2),并对其基因结构、表达模式、亚细胞定位及功能进行了分析。结果表明：GhTT2转录因子具有典型的MYB结构域,在纤维中优势表达,其转录水平随花青素含量增加而降低;该基因可被原核诱导表达;与GFP融合的重组蛋白定位在细胞核;酵母转化结果表明GhTT2具有转录激活功能;在棉花中沉默GhTT2基因的表达,导致原花青素含量显著降低,表明其可能参与调控陆地棉原花青素的生物合成。本研究结果为深入阐明MYB类转录因子参与调控植物原花青素生物合成途径的分子机制提供参考。     

茄科蔬菜花青素苷分子调控研究进展

花青素苷是一种分布广泛的水溶性色素,不仅赋予了果实多彩的外表,还是天然食用色素的重要来源。近年来有关茄科蔬菜花青素苷的研究逐渐增多,文中从花青素苷结构及其生物合成途径、茄科蔬菜中花青素苷合成代谢的结构基因和调节基因、影响合成的环境因素等方面进行回顾和总结,为进一步阐明茄科蔬菜花青素苷的合成及调控机理、更好利用花青素苷进行果色品质育种的创新提供一些参考。     

利用基因工程改良植物脂肪酸和提高植物含油量的研究进展

植物脂肪酸和三酰甘油具有重要生理功能以及巨大的食用和工业价值,其生物合成途径较为复杂。近年来,植物脂肪酸和三酰甘油合成代谢途径的研究取得了很大进展,在多种植物中克隆了脂肪酸和三酰甘油合成代谢途径中的关键酶基因,同时发现一些转录因子在调控植物脂肪酸含量和组成中具有重要作用,并在此基础上开展了利用基因工程改良植物脂肪酸和提高植物含油量的研究,取得了一定的进展。以下系统介绍了植物脂肪酸和三酰甘油合成代谢途径中的关键酶基因以及在调控植物脂肪酸含量和组成中具有重要作用的转录因子,综述了基因工程研究所取得的成果,并对其应用前景进行了展望。     

植物花青素生物合成中的调控基因

文章概述了植物花青素的生物合成途径,重点介绍了植物花青素调控基因在几个重要的模式植物中的调控特点及其调控机制。     

Production of anthocyanins by plant cell cultures

Anthocyanins, responsible for the various attractive colors in plants, are becoming important alternative to many synthetic colorants due to increased public concerns over the safety of artificial food colors. Production of anthocyanins by plant cell cultures has been suggested as a feasible technology that has attracted considerable industrial and academic interests in the past two decades. This paper is to provide an overview of the present status and the future prospects in the commercial development of plant cell cultures for production of anthocyanins. The focus is on the strategies for enhancement of anthocyanin biosynthesis to achieve an economically viable technology for commercial applications. Through strain improvement, optimization of media and culture conditions, and intelligent process strategies such as elicitation and two-stage system, significant enhancement in productivity has been achieved in a number of cultures. However the yield of anthocyanins obtained so far is still far away from the full potential of anthocyanin synthesis by plant cell cultures. Further improvements require the insights on the regulation of anthocyanin synthesis, accumulation, storage and breakdown that will eventually lead to genetic manipulation of anthocyanin biosynthesis. Many studies have elucidated the metabolic pathway of anthocyanin biosynthesis. Preliminary studies on the regulation of anthocyanin biosynthesis on the levels of genes and enzymes are reviewed, showing that it is feasible to clone genes from secondary metabolism with an improved yield of anthocyanins. There is currently no commercial-scale trial for production of anthocyanin by plant cell cultures, but an intelligent integration of those existing strategies could provide a technology for industrial application competitive to the current production methods.     

Identification of target genes for a MYB-type anthocyanin regulator in Gerbera hybrida

Genetic modification of the flavonoid pathway has been used to produce novel colours and colour patterns in ornamental plants as well as to modify the nutritional and pharmaceutical properties of food crops. It has been suggested that co-ordinate control of multiple steps of the pathway with the help of regulatory genes would lead to a more predictable control of metabolic flux. Regulation of anthocyanin biosynthesis has been studied in a common ornamental plant, Gerbera hybrida (Asteraceae). An R2R3-type MYB factor, GMYB10, shares high sequence similarity and is phylogenetically grouped together with previously characterized regulators of anthocyanin pigmentation. Ectopic expression of GMYB10 leads to strongly enhanced accumulation of anthocyanin pigments as well as to an altered pigmentation pattern in transgenic gerbera plants. Anthocyanin analysis indicates that GMYB10 specifically induces cyanidin biosynthesis in undifferentiated callus and in vegetative tissues. Furthermore, in floral tissues enhanced pelargonidin production is detected. Microarray analysis using the gerbera 9K cDNA array revealed a highly predicted set of putative target genes for GMYB10 including new gene family members of both early and late biosynthetic genes of the flavonoid pathway. However, completely new candidate targets, such as a serine carboxypeptidase-like gene as well, as two new MYB domain factors, GMYB11 and GMYB12, whose exact function in phenylpropanoid biosynthesis is not clear yet, were also identified.     

基于转录组和WGCNA的甘薯花青素合成相关基因共表达网络的构建及核心基因的挖掘*

加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)可通过聚类鉴定共表达的基因模块来研究生物学数据与相应性状之间的关系。甘薯[Ipomoea batatas (L.)Lam.]是世界上营养丰富的块根作物之一,紫薯是甘薯的一种特殊品种,因含有大量的花青素而具有较高的营养价值。因此,培育花青素含量高的优质紫薯一直以来都是甘薯育种家所追求的目标。利用传统的育种方法已经培育了一些紫薯品种,但其周期长、工作量大、见效慢,所以急需通过分子设计育种手段来培育高产优质的紫薯新品种。花青素合成相关关键基因的挖掘对紫薯的分子育种具有重要意义。为了挖掘甘薯花青素合成相关基因,以紫薯品种‘徐紫薯3号'和白薯品种‘徐薯18号'的块根为材料进行了转录组测序(RNA-seq),并结合公共数据库中已公布的甘薯基因组信息以及43份紫薯和45份非紫薯块根的RNA-seq数据,通过分析在不同样本间表达量差异大的前50%的基因中选择了26 760个基因进行WGCNA分析。结果表明,利用WGCNA鉴定出28个共表达模块,其中4个为紫薯特异性模块(Grey60模块和Black模块与紫薯显著正相关,Brown模块和Blue模块与紫薯显著负相关)。利用GO功能富集分析发现紫薯特异性模块Grey60可以显著富集到类黄酮和花青素代谢过程。通过计算模块内基因的连通性,分析挖掘到Grey60模块中有47个核心基因,其中包括已报道的8个花青素合成相关基因MYB113、CHS、3个CHI、F3H、GST和LDOX。利用qRT-PCR验证了其中7个核心基因的表达模式。通过构建核心基因的互作网络发现:MYB不仅与已知的花青素合成相关基因bHLH、CHI、GST、F3'H、CHS等存在互作,同时也与DUF914、ABCC4等转运蛋白基因互作;WRKY3与多个核心基因存在互作,如LDOX、GST、CHS等。为高花青素含量紫薯新品种的培育和紫薯花青素生物合成机制的解析提供了理论基础和新思路。     

Arabidopsis sucrose transporter AtSUC1 is important for pollen germination and sucrose-induced anthocyanin accumulation

The Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) sucrose transporter AtSUC1 (At1g71880) is highly expressed in pollen; however, its function has remained unknown. Here, we show that suc1 mutant pollen is defective in vivo, as evidenced by segregation distortion, and also has low rates of germination in vitro. AtSUC1-green fluorescent protein was localized to the plasma membrane in pollen tubes. AtSUC1 is also expressed in roots and external application of sucrose increased AtSUC1 expression in roots. AtSUC1 is important for sucrose-dependent signaling leading to anthocyanin accumulation in seedlings. suc1 mutants accumulated less anthocyanins in response to exogenous sucrose or maltose and microarray analysis revealed reduced expression of many genes important for anthocyanin biosynthesis. The results indicate that AtSUC1 is important for sugar signaling in vegetative tissue and for normal male gametophyte function.