植物叶色变异的分子机理研究进展

商彩丽，刘青，王明晓，侯蕾，赵传志，王兴军，夏晗

（1.山东师范大学生命科学学院，山东 济南 250014；2.山东省农业科学院农作物种质资源研究所／山东省作物遗传改良与生态生理重点实验室，山东 济南 250100；3.利津县北宋镇人民政府，山东 利津 257439）

植物的叶片颜色是叶片中各种色素的综合体现，是内因和外因共同作用的结果。高等植物中影响叶片颜色的色素主要有三大类：叶绿素类、类胡萝卜素类、花青素类，这些色素的比例和对光的选择性吸收导致了叶片颜色的不同。叶色变异是植物中较常见的突变性状。作物育种中，叶色突变体往往被直接剔除，但随着研究的不断深入，叶色突变体的应用越来越广泛。本研究综述了植物叶色变化的分子机理以及叶色突变体在作物和观赏植物中的应用，为植物的遗传改良提供参考。

1 植物叶色变化的分子机理

1.1 叶绿素代谢途径与叶色变化

叶绿素的合成是以L－谷氨酰－tRNA为底物，经过谷氨酰－tRNA还原酶（GluTR）等酶的催化合成5－氨基乙酰丙酸（5－aminolevulinic acid，ALA），再经过多种酶促反应形成原卟啉IX，当Mg2＋插入原卟啉IX中，一个独立的叶绿素合成分支就开始了。在这一过程中，ALA合成和Mg2＋插入原卟啉IX是影响叶绿素合成的两个重要限速步骤［1］。

目前，已在拟南芥中鉴定出了HEMA1、HEMA2、HEMA3三个基因编码GluTR蛋白［2］。其中，HEMA1基因在黄化和暗生长的拟南芥和烟草幼苗中过量表达，导致原叶绿素酸酯含量增加［3］。Kumar等［4］将反义HEMA1基因转移到拟南芥中，可以降低GluTR的表达水平，导致ALA合成减少，拟南芥表现出不同程度的黄化。水稻中OsHemA基因发生突变，导致浅绿色突变体产生，但并没有影响水稻产量［5］。此外，ALA是血红素和叶绿素共同的前体，当植物中血红素代谢分支受到干扰导致血红素含量增加时，高浓度的血红素通过反馈调节抑制ALA合成，从而抑制叶绿素合成，引起叶片颜色变化［6］。血红素加氧酶（HO）催化高等植物中血红素的降解，控制血红素的降解速率。在豌豆植物色素缺陷型突变体pcd1中，由于编码HO的基因发生突变，突变体缺乏合成植物色素生色团所需的HO活性，导致植物色素家族介导的所有反应都严重缺乏，并表现出浅黄绿色的叶片颜色［7］。在水稻突变体ygl2中，编码血红素加氧酶基因YGL2的第一个外显子中插入了7 kb的片段，明显降低了突变体中YGL2的表达，导致黄绿叶表型的出现［8］。

金属离子插入原卟啉IX的反应步骤是合成叶绿素、血红素和其它植物色素的分支点。镁螯合酶催化镁离子插入原卟啉IX中形成叶绿素分支，而铁螯合酶催化亚铁离子插入原卟啉IX中形成血红素和其它植物色素分支。镁螯合酶复合体功能复杂，由三个亚基（CHL D、CHL I和CHL H）组成，在植物体中这三个亚基均由细胞核DNA编码，进入叶绿体发挥功能。将反义镁螯合酶亚基CHL H基因转入烟草，可以导致镁螯合酶活性降低，影响ALA合成，从而导致突变体中叶绿素含量降低［9］。在小麦突变体chli中，镁鳌合酶亚基I发生突变，使叶绿素及其前体原卟啉IX和镁原卟啉IX的积累显著减少，并阻止了原卟啉IX向Mg－原卟啉IX的转化［10］。

叶绿素降解途径发生变异也可导致叶色突变体的产生。叶绿素的降解主要分为两个阶段，第一阶段发生在衰老的叶绿体中，在多种酶的参与下叶绿素被降解为初级荧光叶绿素分解代谢物（pFCC）；第二阶段转移到液泡中，呈酸性的液泡催化pFCC 形成非荧光叶绿素分解代谢物（NCC），最终转化为氧化降解产物吡咯［11］。催化叶绿素b降解第一步的叶绿素b还原酶（NOL和NYC1）在叶绿素a／b蛋白复合物的降解过程中起着核心作用。在拟南芥NOL／NYC1双突变体中，编码叶绿素b还原酶的基因突变，叶绿素b无法降解为叶绿素a，导致拟南芥常绿突变体出现［12］。

此外，叶绿体发育异常也会影响植物体中的叶绿素含量，进而引起叶片颜色异常。芝麻（Sesamum indicum）突变体Siyl－10的叶绿体数量和形态结构变化显著，叶绿素含量显著下降，表现出黄绿叶色表型［13］。在水稻中，编码叶绿体发育的CSP41b蛋白基因突变，导致淡绿色突变体产生［14］。在大麦黄绿叶色突变体ygl中观察到，叶片中基粒类囊体严重线性化，没有完整的基粒片层和基质片层，叶绿体超微结构受到破坏［15］。

综上，叶绿素含量受到多方面因素的影响，涉及叶绿素合成、降解过程及叶绿体发育等方面。这些过程中任何基因出现异常都有可能影响叶绿素含量，改变叶片中色素的比例，最终导致植物叶片颜色发生改变，如黄化或白化、斑块或条纹等，严重的还可能导致植物死亡。

1.2 类胡萝卜素代谢与叶色变化

类胡萝卜素主要分为黄色的胡萝卜素和橙色的叶黄素两大类。类胡萝卜素是所有光合作用生物中不可缺少的光防护和抗氧化色素，具有吸收和传递植物光能的作用，在保护叶绿素方面也起着重要作用［16］。类胡萝卜素是一类脂溶性萜类化合物，在质体中经异戊二烯途径合成。在高等植物体内，类胡萝卜素的合成以乙酰辅酶A（acetyl－CoA）和甘油醛－3－磷酸（glyceraldehyde 3－phosphate）为底物，经过一系列酶促反应生成异戊烯基二磷酸（IPP）和二磷酸二甲基烯丙酯（DMAPP），一分子IPP与3分子DMAPP在异戊烯基二磷酸δ－异构酶（IDI）、法尼基二磷酸合酶（FDPS）和香叶基香叶基二磷酸合酶（GGPS）的催化下，生成类胡萝卜素的合成前体牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP）。拟南芥中，GGPP整个生物合成过程共受16种酶和34种基因的调控。GGPP再经过八氢番茄红素合酶（phytoene synthase，PSY），八氢番茄红素去饱和酶（PDS），ζ－胡萝卜素脱氢酶（ZDS），番茄红素β－环化酶（lycopene β－cyclases，LCYb）和番茄红素ε－环化酶（lycopene epsilon－cyclase，LCYε）等的催化生成胡萝卜素和叶黄素［17］。

八氢番茄红素合酶（PSY）被认为是类胡萝卜素合成途径中最重要的酶［18］。烟草中两个PSY基因的过量表达都会导致转基因植株矮化、叶片形态变化以及色素沉积［19］。PSY的表达受到多种转录因子的调控，例如光敏色素互作因子（phytochrome interacting factors，PIFs）和long hypocotyl 5（HY5）等。PIF1和其他PIF是类胡萝卜素合成的负调节剂，在拟南芥中，PSY的表达受到PIF1的调控，PIF1通过直接结合PSY基因启动子上的特定序列，抑制PSY基因的表达，使类胡萝卜素的积累下降［20］。而HY5作为PIF的拮抗因子，通过直接与启动子的G－box区结合来促进PSY转录，从而在光和温度因子的诱导下促进类胡萝卜素的积累［21］。

番茄红素β－环化酶（LCYb）是类胡萝卜素生物合成途径上的关键酶。LCYb基因的表达受到多种转录因子的调控。例如，MADs家族的Cs-MADS6蛋白可直接激活柑橘中的LCYb1表达，增加柑橘愈伤组织中类胡萝卜素的积累［22］。

1.3 花青素代谢与叶色变化

花青素是一类水溶性色素，在植物中广泛存在，属于次生代谢产生的黄酮类物质。花青素主要以花色苷的形式存在，花色苷的生物合成途径是类黄酮代谢途径的重要分支，与植物颜色密切相关［23］。花青素的合成包括三个阶段：①苯丙氨酸转化为4－香豆酰辅酶A，由苯丙氨酸氨解酶（PAL）催化；②4－香豆酰基辅酶A产生无色花色苷，被查尔酮合酶（CHS）等催化；③无色花色苷通过一系列酶促反应产生花青素，被花色苷合酶（ANS）等催化。花青素合成过程中，结构基因直接编码花色苷代谢生物合成途径中所需的酶，控制花青素代谢途径。

许多转录因子作为调控基因影响着花青素代谢过程。MYB、bHLH和WD40三类转录因子通过与启动子中相应顺式作用元件结合来调控结构基因的转录。大豆的GmMYBJ3转录因子通过调控查尔酮合酶（CHS8）和查尔酮异构酶（CHI1A）基因表达调控花青素的生物合成［24］；DcMYB7可以调控胡萝卜肉质和叶柄花青素的合成［25］。拟南芥中PAP1和PAP2是MYB的同源基因，PAP1可以正调控叶片及其他组织中花青素的积累，并且PAP1或PAP2在转基因烟草中异位表达的表型与拟南芥中一致［26］。Matus等［27］在葡萄中鉴定出了第一个WDR和bHLH因子，并发现WDR1因子在拟南芥中异位表达能导致叶片中花色苷积累。

1.4 环境因素对植物叶色的影响

影响叶色的环境因素主要包括光照、温度、土壤条件等。光照通过影响植物光合作用以及色素代谢过程中有关酶的活性来影响叶色的形成。如通过不同梯度遮荫处理发现，随着光照强度降低，鸡爪槭（Acer palmatum）叶片中的叶绿素含量显著降低，花色素苷（anthocyanin）含量显著增加，叶绿素酶活性显著增强［28］；山东黄金芽茶树只有在适当的遮光处理下，才能充分发挥其品种特色［29］。

很多彩叶植物在低温下才能表现出最佳色彩。如随着秋季温度的降低，鸡爪槭叶片中叶绿素逐渐降解，可溶性糖和花色素苷不断积累，叶片逐渐转变成红色，从而呈现出最佳的观赏效果［30］。

土壤的水分和营养元素含量、酸碱度等对植物叶色呈现都有一定影响。如在一定范围内，随着干旱胁迫的加重，紫叶李叶片中叶绿素含量下降，花青素含量上升［31］；酸性环境有利于多肉植物月影（Echeveria elegans）花色素苷的合成，而碱性环境下叶色表达效果差［32］；一定光强下，氮肥含量越高，金银花（Lonicera japonica）的金色花叶越不明显［33］；氮素缺乏时，氨基酸形成受阻，本应转化为氨基酸的糖类合成了花色素苷，使切花月季叶片呈紫红色［34］；钾元素可以促进糖的合成和运输，在一定范围内提高钾离子浓度可以促进红叶石楠红叶色的呈现［35］。可见，相对干燥和微酸性的土壤环境有利于花青素的形成，而合理灌溉有利于彩叶植物观赏期的延长。

2 植物叶色变异的研究进展

叶色变异是植物较常见的性状，随着研究的不断深入，越来越多的叶色突变体被创制，叶色突变相关基因被挖掘，其分子机理逐渐明确，这为挖掘叶色相关基因，培育高产作物提供了参考，同时也促进了彩叶植物新品种的培育，丰富了彩叶植物品种资源为园艺绿化所用。

2.1 粮食作物叶色变异与育种

叶绿素降解异常会导致植物叶片发生滞绿现象，又称常绿现象。在高等植物衰老过程中，常绿现象可以分为功能性常绿和非功能性常绿。功能性常绿受复杂因素调控，不仅可延迟叶片黄化，而且能维持光合能力；而非功能性常绿虽可延迟叶片黄化，但不能维持光合能力。随着作物遗传育种研究的不断深入，越来越多的叶色突变体被应用于叶色调控基因的挖掘和分子机理研究。例如：在硬粒小麦常绿突变体中，四个突变系比亲本保持光合能力的时间更长，种子重量和单株产量也高于亲本［36］；常绿型粳稻SNU－SG1具有较高的结实率和籽粒产量，QTL分析认为，9号染色体上的两个主效QTL是影响SNU－SG1基因功能稳定的最重要靶点，利用SNU－SG1进行QTL标记辅助育种获得功能性的保绿QTL，有助于培育高产水稻品种［37］；籼稻温敏黄化突变体dy1与野生型相比，株高、分蘖数、结实率等农艺性状差异极显著［38］。这表明叶片颜色对于作物产量至关重要。

Jiang等［39］的研究表明，水稻OsSGR是一个非功能性的绿色保持基因，该基因的突变会使水稻叶片保持绿色，但不维持光合能力。但最近有研究表明，由于OsSGR基因在籼稻和粳稻中的启动子区域不同，用粳稻中的等位基因替换籼稻中的等位基因可以使水稻延迟衰老，增强光合能力，并增加水稻的籽粒产量，因此，在育种计划中可以利用天然存在的OsSGR启动子来提高水稻产量［40］。与黄绿色幼苗相比，功能性常绿突变体可以延迟叶片的衰老并增加农作物的产量［36］。功能性常绿在增加作物产量方面存在较高的潜在应用价值，这已引起了研究人员的关注。

叶色突变体除了可以用于培育高产作物外，还可以用于培育彩色植物。如曹立勇等［41］获得了携带紫叶性状的水稻新品种——不育系中紫S；周维永等［42］利用突变紫色稻培育出了紫红叶标记的三系不育系先红A；籼稻品系6028突变体表现为斑马条纹叶［43］；粳稻突变体wltt移栽后表现为白条纹叶表型［44］。这些彩叶水稻既可以食用也可以用作园艺观赏，使水稻成为赏食兼备的作物。

综上所述，作物叶色变异分子机理的研究深入以及越来越多的叶色突变体应用于作物遗传育种，对提高作物光合效率、选育高产优质品种具有重要的应用价值。

2.2 园艺植物叶色变异与育种

随着植物叶色变异分子机理研究的不断深入，越来越多的叶色突变体及叶色突变相关基因被挖掘，促进了彩叶植物新品种的培育，丰富了彩叶植物品种资源，在园艺绿化等方面的应用越来越多。

2.2.1 木本园艺植物叶色变异与育种 许多具有彩叶的园艺植物新品种是从叶色突变体繁育而来的。‘安吉白茶’春天时的幼嫩芽叶呈玉白色，随着叶片成熟度和气温的升高逐渐转为浅绿色，是一种温度敏感型白化类茶树品种［45］，其光合作用系统相关基因以及类胡萝卜素生物合成途径中的关键酶基因大部分随着温度的升高而表达上调［46］。通过一株新梢芽、叶、茎全年均呈紫色的茶树突变体，从四川中小叶群体种中培育获得高花青素紫芽茶树新品种‘紫嫣’［47］。这些茶树新品种的芽和叶片具有不同的颜色和特点，可满足不同风味的茶叶制作。

银杏（Ginkgo biloba）具有美丽的叶形、金黄的秋季叶色，被广泛应用于园艺绿化。利用选育出的银杏金叶突变体，鉴定出了金叶形成的关键功能基因，发现叶绿素代谢通路中合成受阻和降解加速以及类胡萝卜素中叶黄素的合成增加，导致类胡萝卜素与叶绿素比值显著升高，这是银杏叶色突变体金叶呈色的关键因素［48］。通过突变体的筛选和培育，获得了银杏新品种‘夏金’，该品种春夏秋叶色都为金黄［49］，新品种‘金带’则具有黄绿相间条纹的斑叶［50］，两者均具有较高的观赏价值。

槭树是园林绿化中备受青睐的观赏树种。鸡爪槭生长期叶片为绿色，秋冬季转为橙红色。江苏省农业科学院选育获得生长期叶片呈金黄色的‘金陵黄枫’，并研究了其转录因子MYB306的基因功能［51］；随后又通过组培苗变异植株培育出了鸡爪槭新品种‘金陵丹枫’，该品种嫩叶呈亮红色，成熟叶片微皱，黄绿色，11月中旬再次转为红色［52］。从三角槭（Acer buergerianum）实生苗中选育出的彩叶品种‘金陵红’，10月下旬到11月上旬叶色由深绿变为暗红色，进而变成亮紫红色，观赏期长达60 d以上［53］。五角枫（Acer pictum）与鸡爪槭类似，也是一种极具观赏价值和经济价值的彩叶树，但由于叶片色彩变化不足和落叶过早限制了其观赏价值。2019年，Ge等［54］发现五角枫红叶中的光合色素含量明显低于绿叶，但花色苷含量和抗氧化活性则明显高于绿叶，并且许多差异表达的基因与花色苷代谢途径有关。这些研究为探索红叶和其他有色叶片植物的分子调控机制提供了重要基础。

紫叶李（Prunus cerasifera）是我国华北地区主要彩叶植物之一，常用于园林绿化。紫叶李中调控花青素合成的MYB高表达是其叶片呈紫色的主要原因［55］。对紫叶李的生理研究表明，新生叶展开过程中，叶绿素和花青素含量均逐渐升高，叶绿素含量在5月初达到最大值，而花青素含量则一直到5月下旬仍呈上升趋势［56］。

紫雨桦（Betula pendula‘Purple Rain’）是欧洲白桦的一个变种，枝顶叶片呈紫色，观赏价值极高，被广泛应用于庭院观赏和园林绿化。通过对紫雨桦和欧洲白桦的转录组分析及验证，发现紫雨桦黄酮类代谢途径中的基因表达发生了改变，特别是编码查尔酮合成酶（CHS）和二氢黄酮醇－4－还原酶（DFR）等的基因表达显著上调［57］。

杜仲（Eucommia ulmoides）是一种优良的绿化观赏和经济树种，也是我国特有的珍稀濒危保护植物，具有极高的药用价值。通过对‘红叶’杜仲叶色转变过程中叶片生理指标的变化分析发现，不同品种间查尔酮异构酶（CHI）活性的差异是‘红叶’杜仲叶色转变的主要原因［58］。

2.2.2 花卉叶色变异与育种 彩叶凤梨（Neoregelia carolinae）叶片色彩丰富，开花前后叶丛中心会显现红色、粉色、紫色等鲜艳色彩，极具观赏性，常应用于植物造景和窗台、阳台等处的装饰［59］；典型的观叶植物彩叶草（Plectranthus scutellarioides）具有叶色丰富、观赏期长、观赏价值高等特点，常用于花坛花境布置、庭院美化、家居装饰、组合盆栽、公共绿地绿化美化等方面［60］。有些花卉虽不是观叶植物，但其叶色变化在新品种培育及叶色机理解析中也有重要意义。东方百合（Liliumspp.Oriental hybrids）是目前市场上最受欢迎的花卉之一，其花形较大，有白、粉、浅粉和浅黄等花色，但其叶色却比较单一。赵梦娜等［61］利用基因沉默技术证明，沉默番茄红素β－环化酶（LcyB）基因能使东方百合叶片中的类胡萝卜素相对含量明显降低，叶片出现黄化，表明该基因在类胡萝卜素合成调控中起着重要作用。墨兰（Cymbidium sinense）为观花植物，但其叶色也不单一，也具有一定的观赏价值：一般墨兰叶片为墨绿色，金嘴墨兰叶片顶端有金色边缘，银边墨兰叶的两边是银色的。Zhu等［62］研究表明，墨兰中叶绿素分解代谢物还原酶（RCCR）和叶绿素酶（CHL 2）表达水平过高，加速了叶绿素的降解过程，导致墨兰叶片的黄化表型。

2.2.3 蔬菜叶色变异与育种 在蔬菜中，叶色突变体的选育可增加菜品多样性，优化营养组成。大白菜球色包括白色、黄色、桔红色和紫色等多种颜色，选育和推广球色不同的大白菜品种可以为消费者提供既具有观赏性又具有高营养价值的大白菜品种，而决定色球颜色的重要基因主要定位在A09、A02、A07等染色体上［63］。例如，大白菜橘红心性状是由一对隐性基因控制的质量性状。通过构建橘红心和普通白心大白菜分离群体，将橘红心基因定位在A09染色体上的syau26和syau28标记之间，预测该定位区间内编码类胡萝卜素异构酶的Bra031539基因为控制大白菜橘红心性状的候选基因［64］。南京农业大学育成的黄玫瑰白菜可耐－9.6℃低温，且在－6～2℃范围内，温度越低，类黄酮含量越高，商品性和观赏性俱佳［65］。

洋葱（Allium cepa）的主要食用部分是鳞茎，其皮色有白色、黄色、紫色。在对洋葱突变体的研究中发现，编码花色苷合酶（ANS）的基因具有碱基插入突变，可抑制下游无色原花青素氧化为有色花青素，导致突变体材料具有与野生型不同的黄色［66］。

叶片颜色的变化对于果菜品种选育和叶色调控机理的研究也具有重要意义。在黄瓜（Cucumis sativus）黄绿色叶片突变体ygl1中，叶绿素合成降低，类胡萝卜素相对含量增加，这可能是由脂氧合酶（LOX）基因产生非同义突变造成的，该酶参与共氧化类胡萝卜素［67］。李杰等［68］利用病毒诱导的基因沉默技术沉默辣椒中的Lcyb基因，使叶片中类胡萝卜素含量显著低于对照组，叶片颜色变浅。黄瓜、辣椒等蔬菜叶片颜色突变体的研究为果蔬叶色的选育提供了新的等位基因，可提高光合色素含量，进而增强光合效率，还可丰富叶色和果色从而提高观赏性，并为类胡萝卜素的生物合成研究提供新的种质和基因资源。

3 讨论与展望

影响叶片颜色的因素有很多，主要受植物内部色素含量异常和环境因素影响。本文从叶绿素、类胡萝卜素、花青素的代谢和外界环境因素四个方面综述了植物叶色变化的分子机理，并总结了叶色突变体在作物以及园艺植物中的研究进展，可为基因工程改良植物叶色提供参考。

近年来以基因编辑为代表的生物工程新技术，加速了植物中包括叶色控制等重要基因的应用。分子育种可以培育高产作物新品种，基因工程可以改造观赏植物，创造出更丰富的叶色和花色，通过对观赏植物栽培条件的调控也能实现理想叶色的呈现，丰富我们的视觉感官。因此，全面认识植物叶色变异的分子机理具有重要意义。

但植物叶色调控的分子机理还有待进一步探究。对于作物而言，需要继续探究叶色调控的分子机理，寻找功能性常绿基因，为高产作物品种选育提供理论基础。而观赏植物需要解决的是彩叶植物遗传的不稳定性，继续探究叶色调控基因和环境因素等对彩叶植物叶片呈色的影响。瓜果蔬菜类园艺作物，在注重叶色多样性的前提下，还需注重果实的口感和营养价值等。