林力浩，徐晨曦，王小麗，葛晨輝，戴紹軍，王全華，蔡曉鋒

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物種質(zhì)資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200234)

紫色蔬菜成色分子機(jī)制研究進(jìn)展

林力浩，徐晨曦，王小麗，葛晨輝，戴紹軍，王全華，蔡曉鋒

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物種質(zhì)資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200234)

花青素是一種天然水溶性色素，具有抗氧化、預(yù)防和治療多種疾病等生物學(xué)功能.紫色蔬菜中蘊(yùn)含豐富的花青素，其科研價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益日益凸顯.文中總結(jié)了紫色蔬菜成色相關(guān)基因和育種的研究進(jìn)展，并繪制出紫色蔬菜花青素合成調(diào)控模型簡圖，為進(jìn)一步研究花青素的生物合成與積累代謝調(diào)控以及特色蔬菜遺傳改良提供了參考.

紫色蔬菜；花青素；基因；調(diào)控；育種

目前中國市場上出現(xiàn)了不少新穎且具有特色的“特種蔬菜”［1］，其來源主要包括西菜、新育成品種、各地名優(yōu)品種和野生蔬菜.紫色蔬菜特指在特種蔬菜中顏色為紫(紅)色且富含花青素的那一類，其擁有鮮明的顏色，營養(yǎng)豐富，在菜肴色彩搭配上，具有普通綠葉菜不可比擬的作用，還具有一定觀賞功能.推廣種植紫色蔬菜不僅豐富居民的菜籃子，也可作為節(jié)日禮品，同時(shí)也能應(yīng)用于公共場所的綠地美化及盆栽，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是普通蔬菜的數(shù)倍以上.除了獨(dú)特的顏色之外，紫色蔬菜受到追捧的原因還在于其具有較高的營養(yǎng)價(jià)值.紫色蔬菜共有一種物質(zhì)——花青素，它也是蔬菜成紫色的原因.經(jīng)過大量的研究表明，花青素具有如下營養(yǎng)功能［2-4］：抗氧化、抗衰老、保護(hù)視力；抗突變、抗腫瘤；抗高血脂、血糖、保護(hù)肝臟；抗病毒、抑菌作用；保護(hù)神經(jīng)元和提高記憶力.

為順應(yīng)21世紀(jì)初特菜遺傳育種發(fā)展的大趨勢，即從常規(guī)育種基礎(chǔ)上向分子水平的深入，著重介紹了紫色蔬菜的成色機(jī)制、與之密切相關(guān)的花青素的合成代謝途徑及其已經(jīng)挖掘的相關(guān)關(guān)鍵基因，為進(jìn)一步研究花青素的生物合成、代謝調(diào)控以及特色蔬菜遺傳改良提供理論基礎(chǔ).

1 成色機(jī)制

1.1 花青素的性質(zhì)

花青素又稱“花色素”，屬于黃酮類化合物，其基本結(jié)構(gòu)為苯環(huán)-C3橋-苯環(huán)(分子式C15H11O6)［5］.它是一種常見于花、果實(shí)的組織中及莖葉的表皮細(xì)胞與下表皮層的水溶性色素，是植物中主要呈色物質(zhì).水果、蔬菜、花卉等五彩繽紛的顏色大部分與之有關(guān)，也是植物生命活動中扮演重要角色的二級代謝產(chǎn)物.雖然花青素種類繁多，且廣泛存在，但植物中主要有以下6種最為常見：天竺葵色素(pelargonidin)、矢車菊色素(cyanindin)、飛燕草色素(delphinidin)、芍藥色素(peonidin)、牽?；ㄉ?petunidin)和錦葵色素(malvidin)［6］.

花青素主要存在于植物液泡中，因其取代基位置的不同而呈現(xiàn)出紅色、紫色、藍(lán)紫色和藍(lán)色等顏色［7］.進(jìn)一步來說，花青素因所帶羥基數(shù)(-OH)、甲基化(methylation)、糖基化(glycosylation)數(shù)目、糖種類和連接位置等因素而呈現(xiàn)不同顏色.顏色的表現(xiàn)還因不同的生化環(huán)境條件而改變，如受花青素濃度、各種花青苷的比例、細(xì)胞液成分和液胞中pH値等影響［8］.

1.2 花青素的合成途徑

目前已在擬南芥等模式植物中提出花青素的生物合成途徑，按總的反應(yīng)及最終轉(zhuǎn)運(yùn)貯藏到液泡中，可以分為5個階段［4，9-10］，如圖1所示.

第一階段在酸裂解酶(PAL)、肉桂酸4-羥化酶(C4H)和4-香豆酰CoA連接酶(4CL)的活性調(diào)控下，苯丙氨酸經(jīng)歷一系列反應(yīng)生成4-香豆酰CoA，這些反應(yīng)存在于許多次生代謝中.第二階段在查爾酮合成酶(CHS)、查爾酮異構(gòu)酶(CHI)、和黃烷酮3-羥化酶(F3H)的活性調(diào)控下，以4-香豆酰CoA和丙二酰CoA為起始底物，經(jīng)歷一系列反應(yīng)，生成二氫黃酮醇，這些是類黃酮代謝的關(guān)鍵反應(yīng).第三階段在二氫黃酮醇還原酶(DFR)、類黃酮3＇-羥化酶(F3＇H)、類黃酮3＇，5＇-羥化酶(F3＇5＇H)、花青素合成酶(ANS)和類黃酮3-葡糖基轉(zhuǎn)移酶(3GT)等的酶調(diào)控下，將二氫黃酮醇轉(zhuǎn)化為各種花青素.第四階段是對花青素骨架的修飾，包括糖基化、酰基化、羥基化、甲基化.花青素的修飾位點(diǎn)通常有1個或多個，而同一位點(diǎn)的不同修飾或不同位點(diǎn)的同種修飾都會形成不同種類的花青素.第五階段為修飾完成的花青素苷向液泡的轉(zhuǎn)運(yùn)和匯集.

圖1 花青素的合成路徑

1.3 影響花青素合成及呈色的因素

1.3.1 花青素合成的相關(guān)基因

對于花青素代謝相關(guān)基因已經(jīng)有了較深入的研究，大致可分為兩類：一類為編碼花青素合成途徑中所需酶的結(jié)構(gòu)基因，其中包括花青素生物合成途徑的早期合成基因CHS、CHI和F3H，晚期合成基因DFR、AND和UF3GT；另一類為調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的調(diào)節(jié)基因.從植物中分離和鑒定的能夠直接調(diào)控花青素合成的轉(zhuǎn)錄因子主要有三大類［4］：①R2R3-MYB蛋白；②MYC家族的bHLH蛋白；③WD40蛋白；還有通過間接途徑調(diào)節(jié)花青素合成的轉(zhuǎn)錄因子，如WRKY、MADS-box和bZIP等［11］.

植物花青素的調(diào)控是通過形成MYB-bHLH復(fù)合物或MYB-bHLH-WD40復(fù)合物(MBW復(fù)合物)且以bHLH蛋白為中心直接影響結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)［12］.Goff等證實(shí)了bHLH蛋白R與MYB蛋白C1通過N末端相互作用調(diào)控植物組織中色素的產(chǎn)生［13］.在玉米中，Lc蛋白與MYB家族轉(zhuǎn)錄因子相互作用共同激活花青素代謝途徑基因的表達(dá).在矮牽牛中，存在兩個不同的MBW蛋白復(fù)合物分別調(diào)控花瓣和花粉囊中的花青素，R2R3-MYB AN2、bHLH AN1和WD40 AN11復(fù)合蛋白調(diào)控花瓣內(nèi)的花青素合成，R2R3-MYB AN4、bHLH AN1和WD40 AN11則調(diào)控花粉囊內(nèi)的花青素合成［14］.

在紫色茄子中，調(diào)節(jié)基因SmMYB1通過上調(diào)花青素生物合成基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)紫色茄子中花青素的積累［15］.Yildiz等研究表明，CHS1，DFR1，F(xiàn)3H，LDOX2，PAL3在純紫色胡蘿卜中的表達(dá)量最高，在紫橙色胡蘿卜中次之，在橙色胡蘿卜中表達(dá)量極低甚至沒有［16］，說明花青素相關(guān)基因的表達(dá)和花青素的積累結(jié)果一致.雖然在非花青素和花青素著色辣椒的表達(dá)研究中也發(fā)現(xiàn)辣椒葉子、花和果實(shí)的呈色和花青素積累與CHS、DFR和ANS的表達(dá)成正相關(guān)，與Myc，MybA轉(zhuǎn)錄因子成正相關(guān)［17］，但是Aza-Gonzalez等通過對非花青素累積辣椒T74的研究發(fā)現(xiàn)，在某一些發(fā)育階段CHS，CHI，F(xiàn)3H和ANP基因也有表達(dá)［18］；Borovsky等檢測到CHS和CHI在紫色和綠色基因型的果實(shí)中的表達(dá)量相當(dāng)［19］，這表明這些基因不具有唯一性或者特異性，即除了能對花青素合成產(chǎn)生作用外，還可能參與其他類黃酮生物合成途徑.1.3.2發(fā)育調(diào)控

眾所周知，植物的生理活動在每個發(fā)育階段都是不同的，花青素的合成也不例外，受到激素或發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)節(jié).Park等在蘿卜花青素積累的研究中發(fā)現(xiàn)了一些發(fā)育和環(huán)境調(diào)控因子［20］.結(jié)果表明，經(jīng)過光照和甲基茉莉酸處理的蘿卜中，花青素積累和相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平明顯上調(diào).大多數(shù)MADS-box基因在植物發(fā)育過程中起重要的調(diào)控作用，Lalusin等在甘薯中發(fā)現(xiàn)一個新的MADS-box基因IbMADS10與花青素合成調(diào)控有關(guān)，并通過在愈傷組織中異位表達(dá)IbMADS10，使之呈色，得出IbMADS10參與色素形成的發(fā)育調(diào)控［21］.

MicroRNA(miRNA)是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約為22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，大多數(shù)miRNA基因以單拷貝、多拷貝或基因簇的形式存在于基因組中，它們在動植物中參與轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)調(diào)控.miRNA介導(dǎo)了一種新的基因表達(dá)調(diào)控模式，主要通過與靶mRNA的互補(bǔ)配對在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶mRNA的轉(zhuǎn)錄或翻譯.最近研究表明，植物MicroRNA也參與調(diào)控花青素的合成過程.在擬南芥MicroRNA828(miR828)的功能缺失突變體中蔗糖誘導(dǎo)的花青素積累明顯高于野生型.而在miR828過表達(dá)植株中其花青素積累低于野生型.此外miR828的靶基因Trans-Acting SiRNA Gene4(TAS4)對花青素的生物合成起著負(fù)調(diào)控的作用，表明miR828通過其靶基因負(fù)調(diào)控花青素合成［22］.另有研究表明，擬南芥miR156及其靶基因SPLs也有此作用，miR156活性增強(qiáng)，可以提高花青素的積累，而降低miR156的活性將會導(dǎo)致高水平的黃酮類物質(zhì)的積累［23］.番茄microRNA858(miR858)通過調(diào)節(jié)2個SlMYB7-like和SlMYB48-like轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)負(fù)調(diào)控花青素合成途徑中相關(guān)基因的表達(dá)影響花青素的合成與積累［24］.由此可見，miRNA介導(dǎo)的基因調(diào)控可能是植物花青素生物合成的一種重要調(diào)控途徑.

1.3.3 環(huán)境因素

植物花青素積累是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，除了受到植物內(nèi)部基因表達(dá)的調(diào)控，還受外界環(huán)境因子的影響，包括光、水、pH和糖等.國內(nèi)外多數(shù)研究表明，其中光是影響植物花青素合成積累的主要因素之一，植物生境中不同的光照條件往往會使植物的花色、葉色和果色產(chǎn)生不同.光照條件主要包括光強(qiáng)和光質(zhì)，其中光質(zhì)在影響花青素合成積累的過程中起到更為關(guān)鍵的作用.在紫甘藍(lán)和青甘藍(lán)幼苗中，UV-A和UV-B處理提高花青素合成途徑中DFR和LDOX基因的表達(dá)，進(jìn)而增加花青素苷的積累量［25］.光照調(diào)控花青素積累主要是通過光受體與泛素E3連接酶COP1(CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC1)互作降解下游光響應(yīng)相關(guān)蛋白，如HY5(ELONGATED HYPOCOTYL5)，HY5編碼bZIP轉(zhuǎn)錄因子可以特異性結(jié)合在CHS基因啟動子上；COP1或直接與花青素合成相關(guān)的調(diào)控基因MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合調(diào)節(jié)花青素結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)［26-27］.

糖是僅次于光對植物花青素合成積累具有重要影響作用的因素之一.外源糖明顯影響花色素苷的生物合成，生長在含糖培養(yǎng)基上的擬南芥能積累高水平花青素［28］.糖能夠調(diào)控大部分結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，如PAL、C4H、CHS、CHI、F3H、F3'H、FLS、DFR、LDOX、UFGT、MYB75和PAP1等［29-30］.

2 紫色蔬菜研究進(jìn)展

現(xiàn)今，市場對蔬菜品質(zhì)的需求逐漸呈現(xiàn)出多樣性和特色化，因此蔬菜品種選育必須符合市場需求，以市場為導(dǎo)向.隨著紫色蔬菜的科研價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益日益凸顯，其不僅豐富了蔬菜品種的多樣性，而且滿足了人們對蔬菜品質(zhì)的多種要求.同時(shí)蔬菜的紫色可以作為指示性狀，在蔬菜的育種過程中配合分子標(biāo)記手段給予輔助篩選材料，極大地加快了育種進(jìn)程.因此，培育色彩多樣、富含花青素的紫紅蔬菜新品種已經(jīng)成為品質(zhì)育種中的重要發(fā)展趨勢，人們對于蔬菜紫紅色性狀及相關(guān)基因的研究也不斷深入.

2.1 紫色蔬菜品種

種質(zhì)資源是育種的前體和基礎(chǔ)，現(xiàn)有的紫色蔬菜種質(zhì)資源非常豐富.劉龐源等收集了大量優(yōu)質(zhì)的紫色蔬菜資源，包括紫蘇屬的紫蘇，垂頭菊屬的結(jié)球紅菊苣，番茄屬的紫番茄，辣椒屬的紫甜椒，藜屬的紫色藜，豆科的紫菜豆、紫扁豆、紫豇豆，蕓薹屬的紫甘藍(lán)、紫油菜、紅葉莧菜、紫色花椰菜和紫菜薹等［31］.另外曹華等將40多個紫(紅)色蔬菜作物按蔬菜生物學(xué)分類劃分為：甘藍(lán)類(紫菜花、紫葉萵筍等)、葉菜類(紫油菜、紫生菜等)、茄果類(紫色尖椒、紫番茄等)、豆類(紫豇豆、紫四棱豆等)、根莖類(紫蘿卜、紫山藥等)和其他類(紫玉米、黑花生等)［32］.

由上述的紫色蔬菜資源可以看出，蕓薹屬(Brassica L)蔬菜包含較多的紫色物種，這是因?yàn)槭|薹屬包含了許多蔬菜栽培品種，在長期的栽培過程中，通過各種栽培手段聚集了大量的優(yōu)良性狀，因此人們對蕓薹屬中的紫色類蔬菜的做了大量的研究.李益等綜述了紫白菜、紫甘藍(lán)、紅菜薹等相關(guān)的研究，推測并繪制了蕓薹屬花青素合成途徑，而與花青素模式合成途徑相比其不同點(diǎn)在于二氫楊梅黃酮不僅能通過二氫黃酮醇轉(zhuǎn)化形成，也能由二氫槲皮素經(jīng)F3＇5＇H催化生成.另外，蕓薹屬著色的直接原因是由于紫色蕓薹屬花青素合成結(jié)構(gòu)基因CHS、F3'5'H、DFR和ANS的高水平轉(zhuǎn)錄；而調(diào)控花青素合成途徑中后期合成基因的R2R3-MYB類轉(zhuǎn)錄因子啟動子突變并引起其基因高水平轉(zhuǎn)錄是蕓薹屬蔬菜組織中花青素大量積累的關(guān)鍵［33］.

2.2 紫色性狀的遺傳規(guī)律

近年來國內(nèi)研究者為了適應(yīng)蔬菜品質(zhì)育種的發(fā)展趨勢，相繼開始了蔬菜種質(zhì)資源的篩選和創(chuàng)造.孫日飛等通過大白菜與含紫紅色基因的芥菜間的種間雜交和連續(xù)回交，得到了紫紅色大白菜新種質(zhì).同時(shí)發(fā)現(xiàn)紫紅色基因相對于黃色、橘紅色基因?yàn)轱@性［34］，這對于配制雜種一代十分有利.另外張德雙［35］、張魯剛［36］、張明科［37］等也通過雜交等手段獲得了一批紫紅色性狀的大白菜新種質(zhì)或中間材料，為紫紅色大白菜的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ).

研究者通過這些新獲得的植物材料，對大白菜的紫紅性狀及相關(guān)基因進(jìn)行了進(jìn)一步的分析與研究.段巖嬌等發(fā)現(xiàn)紫心大白菜花青素主要集中分布在葉表皮細(xì)胞中，且內(nèi)層球葉含量高于外層.另外上游關(guān)鍵酶基因CHS、CHI、F3H、F3'H及下游修飾基因UFGT、轉(zhuǎn)運(yùn)酶基因GST與轉(zhuǎn)錄因子MYB0在紫色大白菜心葉中上調(diào)表達(dá)，下游關(guān)鍵酶基因DFR、ANS、LDOX與轉(zhuǎn)錄因子MYB2、MYB4、MYB12和MYB111的表達(dá)在整個紫心大白菜中大幅上調(diào)，并且認(rèn)為這是花青素積累的主要原因，其中MYB2和MYB4可能起主要作用［38］.

研究蔬菜紫色形成的分子機(jī)理，定位并克隆控制紫色形成的基因?qū)τ谧仙卟朔肿佑N具有重要意義.由于植物大多數(shù)重要經(jīng)濟(jì)性狀都是數(shù)量性狀，受多基因的控制，并且每個基因?qū)τ谒刂菩誀畹呢暙I(xiàn)是不同的.因此要全面研究蔬菜的紫色性狀，必須構(gòu)建高密度遺傳連鎖圖，開展全面系統(tǒng)的QTL定位，挖掘控制蔬菜紫色性狀的基因和位點(diǎn).張明科研究表明，葉柄紫色是受一對主基因控制的不完全顯性遺傳，并呈現(xiàn)出劑量效應(yīng).同時(shí)運(yùn)用分子標(biāo)記手段對紫色大白菜進(jìn)行了QTL定位研究，共檢測到與紫色相關(guān)的QTLs 23個，并將控制紫色性狀的基因定位于白菜A9連鎖群上，同時(shí)獲得2個與紫色性狀連鎖的標(biāo)記，其遺傳距離分別為13.73，18.65 cM；還檢測到各個部位紫色性狀效應(yīng)較大的QTL，對這些QTL作用及其相互關(guān)系的研究能對紫色大白菜新品種的選育提供一定的參考價(jià)值［37］.劉瑾等研究表明，來源于紫色小白菜的pur基因?qū)儆谥餍Щ蛭稽c(diǎn)，另外將pur基因定位于大白菜A3連鎖群的末端，并獲得了能進(jìn)一步輔助育種的3個與pur基因緊密連鎖的共顯性分子標(biāo)記，與pur基因的遺傳距離分別為7.3，5.7，和1.9 cM［39］.張淑江采用BSA方法，找到9對連鎖的Indel標(biāo)記，并初步將紫色基因定位在大白菜A02染色體上.同時(shí)在該區(qū)域篩選出4個控制大白菜紫紅色性狀的候選基因［40］.Rahman等通過QTL定位獲得了2個與種子顏色有關(guān)的QTL，分別位于蕪菁A8和A9連鎖群；同時(shí)還得到一個與幼苗花青素相關(guān)的QTL，位于A7連鎖群上［41］.Cericola等通過全基因組關(guān)聯(lián)分析篩選出56個與親子花青素或果皮顏色有關(guān)的SNP位點(diǎn)［42］.

Cavagnaro等首次在傘形科植物中構(gòu)建了基于SNP標(biāo)記技術(shù)的高精度連鎖圖譜，共檢測到15個與花青素和根上色素相關(guān)的有效QTL，并將它們定位到6條染色體上，其中有8個為表型效應(yīng)最大的QTL，分別被定位到3號染色體的兩個區(qū)域［43］.Barchi等對所構(gòu)建的茄子種間和種內(nèi)連鎖圖譜進(jìn)行分析，探索7個與花青素相關(guān)性狀的基因基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)每個性狀由1～6個QTL控制，且至少有一個主效位點(diǎn)；進(jìn)一步利用茄子和番茄基因組的同線關(guān)系識別茄子QTLs的潛在候選基因［44］.

2.3 轉(zhuǎn)基因紫色蔬菜的研究

轉(zhuǎn)基因紫色蔬菜主要指通過基因工程技術(shù)等手段對非紫色的蔬菜品種進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，或者說將新基因?qū)胗揎椀墓┰囍昙捌浣壏N植物中，使之在葉片、莖或根等部位呈現(xiàn)出紫色的性狀.

Butelli等為了提高果蔬中花青素的含量，滿足人們?nèi)粘ｏ嬍硨ㄇ嗨氐男枨螅蚍阎袑?dǎo)入并表達(dá)了兩個來自金魚草的轉(zhuǎn)錄因子delila(Del)和rosea1(Ros1)基因，結(jié)果導(dǎo)致番茄積累了大量的花青素，使果實(shí)的表皮和果肉呈現(xiàn)出深紫色，其積累水平大體與黑莓和藍(lán)莓相當(dāng)，同時(shí)番茄的親水抗氧化能力提高了3倍，喂食感染癌細(xì)胞的小鼠能明顯延長其壽命［45］.另外，Maligeppagol等也通過基因表達(dá)分析得出超量表達(dá)Del和Ros1基因引起花青素合成途徑下游基因表達(dá)的上調(diào)［46］.

Wang等通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將從馬鈴薯栽培品種Chieftain(SolanumtuberosumL.)中克隆獲得的StAN11基因?qū)氲揭吧偷鸟R鈴薯中.結(jié)果表明，與野生型相比轉(zhuǎn)基因植株塊莖表皮花青素大量積累，顏色明顯加深.這是由于超量表達(dá)StAN11基因，促進(jìn)DFR的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)花青素的合成和積累［47］.

但是，通過基因工程改造植物并不一定能達(dá)到預(yù)期的效果.如在番茄中過表達(dá)兩個來自玉米的編碼轉(zhuǎn)錄因子的Lc和Cl基因，結(jié)果番茄內(nèi)并沒有出現(xiàn)顯著的花青素積累，僅是黃酮醇的積累水平上升［48］.雖然花青素調(diào)控基因所編碼的調(diào)控蛋白在很大概率上能夠增強(qiáng)花青素的生物合成，但是它們在不同物種中存在特異性，即來自不同物種的花青素調(diào)控基因所編碼的調(diào)控蛋白之間存在特異性.正是這種特異性使它們在激活花青素生物合成的過程中具有不一樣的功效.

2.4 紫色或非紫色突變體

在基因功能的鑒定方法中，當(dāng)屬利用突變體最為直接、有效.通過物理化學(xué)方法篩選出理想的突變體，與正常植株對比分析，能很快找到相關(guān)突變位點(diǎn)，進(jìn)一步可以利用圖位克隆等方法分離突變體基因，研究其基因功能.

Chiu等發(fā)現(xiàn)了一個Purple(Pr)基因的花椰菜突變體，其在菜心、幼苗和花蕾等組織中表現(xiàn)為深紫色.利用候選基因分析和精確定位分離獲得了Pr基因，它負(fù)責(zé)編碼一個R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子，并表現(xiàn)出組織特異性.在花椰菜Pr突變體中，一個bHLH轉(zhuǎn)錄因子和結(jié)構(gòu)基因F3'H，DFR和LDOX的上調(diào)表達(dá)是紫色花椰菜積累花青素的關(guān)鍵［49］.此外在番茄中還報(bào)道了一些無花青素的突變體，如突變基因a，aw，ae抑制了結(jié)構(gòu)基因F3'5'H，DFR和ANS的表達(dá)［50］.Al-Sane等根據(jù)無花青素番茄突變體M375的研究猜測花青素在番茄突變體M375中的缺失是由于花青素轉(zhuǎn)運(yùn)和貯藏基因表達(dá)過低造成的.并認(rèn)為花青素可能有所合成，但是由于不能被轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡貯藏起來，而導(dǎo)致花青素直接降解.Pr基因的成功分離對研究蕓薹屬花青素生物合成調(diào)控具有重要作用，同時(shí)也為創(chuàng)制新的具保健作用的彩色蔬菜提供了理想基因源.

2.5 紫色蔬菜調(diào)控模型

花青素生物合成調(diào)控主要集中在3個方面：基因調(diào)控、發(fā)育調(diào)控和環(huán)境調(diào)控(圖2)，構(gòu)成復(fù)雜的花青素合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò).雖然已有環(huán)境和發(fā)育調(diào)控花青素合成的研究報(bào)道，但仍存在許多未解析的問題.

根據(jù)前文所述的紫色蔬菜研究推測其基因調(diào)控的途徑：首先與花青素合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄合成相應(yīng)的調(diào)節(jié)蛋白，包括MYB、bHLH或WD40；然后這些蛋白相互形成二聚體或MBW復(fù)合物與花青素合成途徑相關(guān)基因的啟動子結(jié)合，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，進(jìn)而影響花青素的合成.

許多研究已經(jīng)證明了存在發(fā)育調(diào)控和環(huán)境調(diào)控：在發(fā)育調(diào)控中有兩個主要的因素，植物激素和MADS-box基因；在環(huán)境調(diào)控中各環(huán)境因素單獨(dú)或共同作用，影響花青素的合成.這兩類因素可能通過未知途徑影響基因調(diào)控，即通過調(diào)控調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，進(jìn)而影響花青素的生物合成.其中光調(diào)控的機(jī)制已經(jīng)有了初步的研究，主要涉及到光調(diào)控因子COP1、HY5等，HY5編碼轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在CHS基因啟動子上，COP1與花青素合成相關(guān)的調(diào)控基因MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，從而調(diào)節(jié)花青素的合成.

另外三者調(diào)控之間的聯(lián)系還需要進(jìn)一步研究.可能存在其他形式的調(diào)控未被發(fā)現(xiàn)，如MicroRNA這種調(diào)控方式的發(fā)現(xiàn)就是最好的證明.

圖2 紫色蔬菜調(diào)控模型

3 總結(jié)與展望

綜上所述，紫色蔬菜的成色原因主要是花青素的積累造成的，而花青素的合成和積累受到多種因素的影響，包括內(nèi)因和外因.內(nèi)因主要包括花青素的結(jié)構(gòu)基因、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累相關(guān)的基因、調(diào)節(jié)基因、MicroRNA等.外因主要指溫度、光照、糖這些環(huán)境因子.隨著生物分子技術(shù)的不斷發(fā)展，可以借助轉(zhuǎn)基因技術(shù)、第二代測序技術(shù)、RNA干涉技術(shù)、功能基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)等新技術(shù)，進(jìn)一步鑒定花青素合成相關(guān)基因及其調(diào)控因子，促進(jìn)對蔬菜紫色的相關(guān)基因更深入的研究.希望通過大量的研究，建立起一套包括內(nèi)因和外因的紫色蔬菜花青素合成與積累的立體調(diào)控體系，使人們根據(jù)體系的指導(dǎo)能夠比較便捷地培育出性狀優(yōu)良的紫色蔬菜，滿足市場需求.

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Research advances on the molecular biological mechanism of purple vegetables colorization

LIN Lihao，XU Chenxi，WANG Xiaoli，GE Chenhui，WANG Quanhua，CAI Xiaofeng
(Development Center of Plant Germplasm Resources，College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China)

Anthocyanins are water-soluble pigments，and they play vital roles in many biological functions such as oxidation resistance，preventing and curing many diseases.The purple vegetables accumulate abundant anthocyanins.Its value of scientific research and economic and social benefits of the purple vegetables have become more obvious.In this review，we focused on recent advances regarding the colour related genes and breeding，and proposed a regulation model of anthocyanins biosynthesis in purple vegetables.It will be provide theoretic foundation to further research on anthocyanins biosynthesis and acaumulation，metabolic regulation and control，and genetic improvement of special vegetables.

purple vegetables；anthocyanins；gene；regulation；breeding

J 653

A

1000-5137(2015)06-0663-09

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2015.06.014

(責(zé)任編輯：顧浩然，包震宇)

2015-09-25

上海市協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(ZF1205)，上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃(ZZssd15011)

蔡曉鋒，中國上海市徐匯區(qū)桂林路100號，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234，E-mail：cxf0012@163.com；王全華，中國上海市徐匯區(qū)桂林路100號，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234，E-mail：wqh6352083@126.com