植物类胡萝卜素和花青苷代谢响应光信号的转录调控机制

付佳玲，徐强

园艺植物生物学教育部重点实验室/华中农业大学园艺林学学院，武汉 430070

光调控植物类胡萝卜素和花青苷的生物合成和代谢贯穿植物整个生命过程，从幼苗破土而出受光诱导开始光形态建成到果实发育成熟，光能从多个层面对类胡萝卜素和花青苷的生物合成进行调控。类胡萝卜素是一类经异戊二烯途径合成的脂溶性萜类化合物，在质体中合成[1]；花青苷是一类经苯丙酸途径合成的水溶性黄酮类化合物，主要以糖苷的形式存在于植物液泡中[2]。类胡萝卜素和花青苷对于植物的生长发育具有重要作用，如能保护植物免受光氧化伤害[3]；类胡萝卜素和花青苷也是果实和花卉呈色的重要色素，丰富的色彩能吸引昆虫帮助传播花粉和种子，利于植物的繁衍[4-5]。近年来，有关光调控类胡萝卜素和花青苷代谢的研究已经在拟南芥、番茄、苹果、梨、柑橘和葡萄等植物中取得较好进展。

1 光信号及其受体参与类胡萝卜素和花青苷调控

植物主要通过光受体蛋白来接收不同波长的光，已知有4种光受体蛋白：吸收红光和远红光(600～750 nm)的光敏色素(PHYA～PHYE)、吸收UVA和蓝光(315～500 nm)的隐花色素(CRY1～CRY3)和向光素(PHOT1和PHOT2)以及吸收UV-B(280～315 nm)的紫外光受体(UVR8)。光信号被光受体接收后，以调控一系列转录因子表达的形式参与植物花青苷生物合成与代谢调控[6]，研究表明，光受体蛋白和光信号转导因子响应相偶联，协同参与植物适应光环境过程。在拟南芥phyA突变体和uvr8突变体中，光不能诱导花青苷合成关键酶基因CHS的表达，导致花青苷的含量显著降低[7]；而CRY1能激活花青苷合成基因的表达促进花青苷的合成[8]；拟南芥UVR8在UV-B光下，与COP1互作，释放HY5，从而开启UVB信号转导通路[9]；UVR8还能通过抑制WRKY36转录因子来促进HY5表达[10]。在光敏型茄子中，CRY1和CRY2能与COP1互作，为HY5和MYB1与下游花青苷合成基因如CHS和DFR的结合创造条件，从而促进花青苷的合成[11]。番茄中CRY1a能介导蓝光诱导番茄花青苷的合成调控过程[12]。苹果中CRY2能与COP1直接互作，从而减少COP1对MYB1蛋白的降解，促进花青苷的积累；超表达MdCRY2的拟南芥植株中内源基因HY5、CHS以及DFR的表达均受到诱导[13]。梨中蓝光转导模块CRY-COP1-HY5参与蓝光诱导红梨果皮花青苷的积累[14]。研究表明UVR8在UV-B促进苹果果皮着色中起关键作用，UVR8与COP1形成复合体，使得下游HY5和MYB等正调控因子的表达激活，促进苹果果皮花青苷的积累[15]。

光受体参与植物类胡萝卜素合成调控的分子机制也取得了新的进展。如缺乏光敏色素的突变体番茄果实因不能积累类胡萝卜素而呈白色，这与黑暗中生长的番茄一样[16]，而在番茄中超表达CRY2能增加果实中类胡萝卜素的含量[17]；桃CRY2能参与蓝光促进桃果实中类胡萝卜素合成和积累[18]。

2 类胡萝卜素和花青苷合成基因启动子的光响应元件

不同物种中直接调控类胡萝卜素和花青苷生物合成基因的转录调控因子、靶基因、靶基因启动子上的结合位点以及类胡萝卜素和花青苷含量的变化等归纳于表1和表2。光信号转录因子调控类胡萝卜素和花青苷生物合成代谢模式,与靶基因启动子上的光响应元件结合(如G-box、I-box、GT1-box、Box 4等)，通过转录激活或抑制下游基因，从而调控类胡萝卜素和花青苷的代谢。

利用PlantCARE和PLACE在线网站对甜橙类胡萝卜素和花青苷生物合成通路基因启动子进行元件分析，结果显示，这些通路基因的启动子上均包含多个光响应元件(图1)，表明植物类胡萝卜和花青苷的生物合成受到光信号的调控。

1)水平的白色框代表基因启动子区域中含有的光响应原件，“x”表示基因启动子上该元件的数量。这些元件的核苷酸序列如下： ACE(GACACGTATG/CTAACGTATT); AT1-motif (AATTATTTTTTATT); ATC-motif (AGTAATCT); ATCT-motif (AATCTAATCC); Box 4(ATTAAT); chs-CMA1a (TTACTTAA); GAG (AGAGAGT); GATA-motif (AAGATAAGATT/AAGGATAAGG); G-box (HACGTG/CACGTH/CACGAC/TCCACATGGCA); GC-motif (CCCCCG); GT1 (GGTTAA/TTTTTC/GAAAAA/TTAACC); I-box (TTATC/GATAA); LAMP-element (CTTTATCA); MRE (AACCTAA); Sp1 (GGGCGG); TCCC (AGGGAGA/TCTCCCT); TCT-motif (TCTTAC); 2)MEP：甲基赤藓糖醇 4-磷酸；DMAPP：烯丙基二磷酸；IPP：异戊烯焦磷酸；DHAP：磷酸二羟丙酮。1)The horizontally listed white boxes represent the promoter regions containing the light binding sites.The number of binding elements on eachpromoter region is indicated by ’x’.The nucleotide sequences of the putative binding sites are listed. ACE(GACACGTATG/CTAACGTATT); AT1-motif (AATTATTTTTTATT); ATC-motif (AGTAATCT); ATCT-motif (AATCTAATCC); Box 4(ATTAAT); chs-CMA1a (TTACTTAA); GAG (AGAGAGT); GATA-motif (AAGATAAGATT/AAGGATAAGG); G-box (HACGTG/CACGTH/CACGAC/TCCACATGGCA); GC-motif (CCCCCG); GT1 (GGTTAA/TTTTTC/GAAAAA/TTAACC); I-box (TTATC/GATAA); LAMP-element (CTTTATCA); MRE (AACCTAA); Sp1 (GGGCGG); TCCC (AGGGAGA/TCTCCCT); TCT-motif (TCTTAC); 2)MEP：Methylerythritol phosphate; DMAPP：Dimethylallyl diphosphate; IPP：Isopentenyl diphosphate; DHAP：Dihydroxyacetone phosphate.

3 参与光信号调控类胡萝卜素和花青苷合成的转录因子

3.1 HY5

HY5是bZIP家族转录因子[54]，是光形态建成的正调控因子，HY5可以直接结合光响应基因启动子上的T/G-box(CACGTT)、E-box(CANNTG)、GATAbox(GATGATA)、ACE元件(ACGT)、Z-box(ATACGGT)和C-box(GTCANN)来参与各种信号通路，可结合的基因超9 000个[55-56]。在黑暗中，E3泛素连接酶COP1会靶向结合并通过26S蛋白酶体泛素化降解HY5[57]。

表1 植物中报道的对类胡萝卜素直接调控的转录因子 Table 1 Transcription factors that directly regulating carotenoid biosynthesis in plants

表2 植物中报道的对花青苷直接调控的转录因子 Table 2 Transcription factors that directly regulating anthocyanin biosynthesis in plants

HY5在光诱导花青苷的积累过程中发挥重要作用，在拟南芥[39]、茄子[11]、梨[58]、苹果[59]、柑橘[59]中均有报道。总结发现，HY5调控花青苷的合成代谢主要通过2条途径，一是直接结合结构基因的启动子，激活其表达；另一种是通过调控MYB类转录因子来间接调控结构基因的表达。大多数情况下，在光通过HY5调控植物花青苷的合成途径中，2条途径都同时存在。HY5能招募花青苷合成代谢的正调控因子MdMYBDL1共同促进花青苷的积累[37]；番茄中，HY5能通过激活AN1和AN2-like的表达，促进花青苷的积累，而敲除HY5后，该番茄品种不能积累花青苷，说明HY5对于番茄积累花青苷起决定性作用[60]。这一现象与光敏型茄子及柑橘品种血橙和紫皮柚的果皮在套袋情况下完全不积累花青苷的情况(图2)一致，说明HY5是介导光调控果实花青苷积累的核心[11,59]。此外，在拟南芥中还报道了HY5能转录及转录后水平调控花青苷积累的现象[61]。由此可见，HY5能通过多种方式参与光介导植物类胡萝卜素和花青苷合成的调控。

左图为血橙，黄色果实为套袋果实，红色果实为正常光照果实；右图为紫皮柚，黄色果实为套袋果实，红色果实为套袋后摘袋处理果实。Left is the blood orange,the yellow fruit is bagged and red fruit is under light exposure.Right is the purple pummelo tree,the yellow fruit is bagged all the time and the red fruit is from bag removal treatment.

HY5直接参与类萝卜素调控的报道较少。Toledo-Ortiz等[19]报道，HY5通过直接与PSY启动子上的G-box结合，能促进PSY的表达，增加类胡萝卜素和叶绿素的积累。抑制高色素积累的DDB1缺失突变体hp-1番茄中HY5的表达，会抑制类囊体的形成以及类胡萝卜的积累[62]。

3.2 BBXs

B-box家族蛋白是一类有1个或者2个N端的锌指结合BBX结构域的蛋白，在拟南芥中有32个家族成员[63]，在水稻中有30个家族成员[64]，在苹果中有64个家族成员[65]，在梨中有39个家族成员[66]。在已报道的BBX家族蛋白中，可以分为促进光形态建成和抑制光形态建成2类[67]。近年来，越来越多的BBX蛋白被报道参与光调控类胡萝卜素和花青苷合成代谢。

梨BBX16能促进梨愈伤中花青苷的积累，其要是与HY5形成复合体，两者协同调控梨花青苷的积累[66]；梨BBX18能诱导梨花青苷合成的正调控因子bHLH64的表达，两者协同调控光诱导梨果实着色[47]；Ou等[68]还报道BBX24的序列变异是造成“红早酥”梨果实积累花青苷差异的关键。苹果BBX22是UV-B诱导苹果花青苷合成的正调控因子，但BBX22促进花青苷积累的功能部分依赖于HY5的协同作用[69]；苹果BBX20也能与HY5形成复合体，直接与MYB1、DFR以及ANS启动子结合，促进花青苷的合成[70]；此外，Fang等[71]还报道了MdCOL(BBX24)作为负调控因子参与果实花青苷合成调控过程。

在番茄中，超表达番茄BBX20使番茄质体变大、类胡萝卜素和叶绿素含量增加。互作实验表明，BBX20通过结合PSY1启动子上的G-box元件，激活PSY的表达[34]。

3.3 COP1

COP1基因编码一个RING-finger类型E3泛素连接酶[72]，COP1能整合多种光受体信号以及调控下游光响应因子，是光信号调控网络的核心[73]。

COP1在黑暗中通过降解HY5和其他光建成促进因子负调控光介导的植物类胡萝卜素及花青苷合成。在番茄中沉默COP1-LIKE基因表达，会增加花青苷和类胡萝卜素的含量[62]。拟南芥中，COP1/SPA复合体通过泛素化降解MYB10蛋白，抑制花青苷的积累[74]。苹果中，COP1抑制果皮花青苷的积累，黑暗下苹果COP1诱导MYB1蛋白降解，从而下调花青苷结构基因表达[13]。套袋处理下，血橙花青苷积累显著降低，且Ruby1蛋白水平急剧下降，其原因可能是COP1介导了CsRuby1蛋白的降解过程[59]。光照下，光受体能与COP1结合，抑制其对下游因子的降解作用[7]。与上述机制有所不同的是，在非光依赖型葡萄中，COP1无论在光下还是黑暗中均定位于细胞质中，因此，不能介导HY5在黑暗中的降解，所以即使套袋情况下，该类型葡萄仍然积累花青苷[75]。研究表明，COP1的核定位受到COP/DET/FUS的调控[9]，因此有关非光依赖型葡萄中花青苷的积累在光信号转导传递层面的机制还有待完善。综上，COP1参与植物类胡萝卜素和花青苷的调控主要有2条途径，一是通过互作降解HY5蛋白，另一方面，COP1也可以直接介导花青苷合成重要调控因子的降解。

3.4 PIFs

PIFs是一类bHLH家族转录因子，主要包括PIF1及PIF3～8。PIFs主要通过直接结合靶基因启动子上的G-box元件(CACGTG)，参与抑制种子萌发、抑制幼苗光形态建成以及促进避荫响应等过程[76]。PIFs的蛋白水平还受到COP/SPA蛋白复合体的调控[77]。

Toledo-Ortiz等[19]报道了PIF1通过直接与PSY启动子上的G-Box元件结合，抑制PSY的转录，降低类胡萝卜素的含量。DELLA-PIF能形成复合体调控暗培养下子叶中叶绿素和类胡萝卜素的合成前体POR的水平[78]。

PIFs能通过抑制PSY1的表达以及类胡萝卜素的合成来响应避荫信号[79]。除HY5外，PAR1也负调控PIF1，阻止遮阴下PIF1对PSY1表达的抑制，从而诱导类胡萝卜素的积累[79]。PIF1除了结合PSY1启动子上的G-box元件外，在番茄果实成熟过程中，PIF1能结合PSY1启动子上的PBE-box (CACATG)，抑制PSY1的表达，从而负调控类胡萝卜素代谢[31]。PIFs对PSY1表达的抑制存在组织特异性，如在拟南芥根中，PIF家族蛋白对PSY1的表达没有影响[80]。

PIFs还参与果实中花青苷的合成调控。通常情况下，PIFs与HY5在很多调控过程中都是互相拮抗，但在远红光条件下，PIF3需要HY5的协同作用才能结合花青苷合成基因的启动子，促进合成基因表达[38]。在红光下，PIF4和PIF5则表现为抑制花青苷合成基因及调控基因如CHS、F3H、DFR、LDOX、PAP1和TT8等的表达，从而抑制拟南芥幼苗花青苷的积累[40]。

4 转录因子复合体对植物类胡萝卜素和花青苷的调控

纵观参与光调控植物类胡萝卜素和花青苷生物合成的转录因子，发现HY5通常是直接作用于下游基因，参与类胡萝卜素和花青苷的生物合成调控，而COP1、PIFs和BBXs通常是通过调控HY5或者其他转录因子，间接调控下游基因，参与类胡萝卜素和花青苷的生物合成调控。同时，也有一些研究表明，HY5能结合下游基因启动子但是不能激活下游基因的表达，这意味着HY5行使功能需要一些协作蛋白[81]。近几年，关于以HY5为核心，与COP1、PIFs和BBXs等形成复合体调控下游基因表达的研究报道不断涌现，主要模型有HY5-BBXs[82]、HY5-PIFs[83]、HY5-PIFs-BBXs[63]、HY5-COP1-BBXs[84]。

PIFs与HY5之间有协同作用也有拮抗作用，如PIF3需要HY5的协同作用才能促进下游花青苷合成基因的表达[38]；而PIF1与HY5作为拮抗因子响应光照和温度，调控类胡萝卜素基因的表达[20]，但在红光/远红光下，PIF1和PIF3结合HY5启动子，促进HY5的表达[84]。相似地，BBXs中也分为正调控和负调控HY5表达两类。拟南芥中，BBX20/BBX21能调控HY5转录后水平，BBX20/BBX21与HY5蛋白互作形成复合体促进光形态建成，包括促进花青苷合成基因的表达[85]；而BBX24的作用与BBX21相反，抑制HY5结合下游基因的启动子[77]。最新研究表明，BBX20、BBX21和BBX22是HY5介导下胚轴伸长、花青苷积累以及转录调控的重要协同蛋白[86]。

COP1作为光形态建成的核心负调控因子，也调控HY5、BBXs、PIFs的转录后水平，共同调控光形态建成、避荫响应和色素积累等过程。AtBBX21和COP1相互作用、BBX24能与DELLA蛋白互作响应避荫反应[87]。COP1通过与下游HY5、BBX22、BBX24互作，抑制这些基因的蛋白水平[83]。Delker等[88]报道DET1-COP1-HY5复合体能响应光和温度，调控PIF4介导幼苗光形态建成；这进一步说明了该过程的具体调控机制是DET促进PIF4表达，HY5与PIF4拮抗调控；在高温下，DET1/COP1促进PIF4蛋白的稳定，调控光形态建成中下胚轴伸长[89]。在梨中，BBX16-HY5复合体，直接结合MYB10的启动子或者直接与CHS、CHI结构基因的启动子互作，从而促进光诱导花青苷的合成[66]。在苹果中BBX20-HY5形成复合体，直接与MYB1、DFR以及ANS启动子结合，促进花青苷的合成[64]；Fang等[71]还报道了苹果中MdCOL4(AtBBX24的同源基因)能同时响应UV-B和高温调控苹果果实的着色，与BBX20功能相反，MdCOL4与HY5形成复合体会抑制MYB1、ANS和UFGT的表达，从而抑制苹果果实花青苷的积累；苹果中BBX22与HY5也能形成复合体，增强HY5与MYB10和CHS启动子的结合，从而促进花青苷的合成[69]。在番茄中，BBX20能激活PSY1的表达，超表达番茄BBX20使得番茄果实类胡萝卜素含量增加[34]。BBXs之间还能形成竞争抑制，梨BBX21能分别与HY5、BBX18互作，抑制HY5-BBX18复合体的形成，从而抑制HY5-BBX18复合体对MYB10的激活作用，导致花青苷的积累减少[90]。

5 展 望

光作为植物生长发育最重要的环境因子之一，不仅是植物光合作用的能源，还作为信号因子参与植物生长发育的许多过程。解析光信号调控植物生长发育的分子机制始于COP1的鉴定，在过去的30年里，又有PIFs、HY5、BBXs等基因不断被挖掘，有关这些转录因子参与光信号调控的分子机制在模式植物拟南芥中得到了深入的解析。近年来，在苹果、柑橘、梨、葡萄、番茄等园艺作物中，光信号参与果实色素积累的调控机制不断被解析。光照条件是栽培中影响园艺作物生长水平的重要因素，且色泽是园艺作物果实的重要品质指标，因此，解析光信号对果实色泽(叶绿素、类胡萝卜素、花青苷)的调控分子机制，能为生产上对园艺植物的光环境进行合理调控，为改善果实色泽品质提供一定的理论依据。

光信号调控植物类胡萝卜素和花青苷生物合成的分子机制研究已取得了很多进展，然而还有一些问题值得深入挖掘和解析：(1)目前对光信号调控植物类胡萝卜素和花青苷的分子机制的解析仅限于单一调控，未能发掘到同时调控2种色素的关键调控因子或调控复合体；(2)目前光信号对花青苷的调控分子机制解析较多，但光信号调控类胡萝卜素的研究多停留在生理层面，有待进一步挖掘新的调控转录因子和转录因子复合体，以及进一步解析这些转录因子调控类胡萝卜素代谢的具体机制；(3)有关表观遗传修饰在光信号调控植物类胡萝卜素和花青苷生物合成过程的报道较少，可以进一步挖掘是否有DNA甲基化、组蛋白乙酰化和染色质重塑等参与该过程的调控；(4)在苹果中发现IncRNAs参与白光和蓝光诱导花青苷的积累[91]，但尚未有研究报道小RNA是否参与光对类胡萝卜素生物合成的调控过程；(5)植物类胡萝卜素和花青苷的积累受到光照、温度、激素等多种环境因素的协同调控，目前仅在苹果中发现MdBT2能够整合多种环境信号和激素调控花青苷积累[92]，而有关光信号、温度信号、激素信号等协同调控植物类胡萝卜素的分子机制还有待阐明。以上几方面的深入研究能更全面地解析光调控类胡萝卜素和花青苷代谢的分子机制，这能为利用基因工程和环境调控等手段定向调控植物类胡萝卜素和花青苷代谢提供一定的理论基础。