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花青素苷(anthocyanin)是決定被子植物花、果實 和種皮等顏色的重要色素之一。它是一類水溶性的色 素，存在于植物表皮細胞的液泡中，呈現橙色、紅色 至藍色(Martin and Gerats，1993)。在花瓣中，花青素 苷伴隨著花的發(fā)育而逐漸積累。在花瓣發(fā)育的晚期。 花青素苷大量生成(Martin and Gerats。1 993；Ben． Nissan and Weiss，1 996)。 研究發(fā)現，外界環(huán)境信號激活了花青素苷合成途 徑中相關基因的表達。并促使植物開始積累花青素苷 (Mol et a1．，1996；David，2000)。目前，已有大量的文 獻報道了花青素苷的生物合成途徑，其中催化各步反 應的酶和編碼這些酶的基因已經被鑒定出來(黃金霞 等，2006；Tanaka and Ohmiya，2008；胡可等， 2009)。同時，調控這些結構基因表達的主要轉錄因 子也已被分離。對植物花色進行分子改良成為研究焦 點(韓科廳等，2008；Tanaka and Ohmiya，2008)?；?青素苷的合成是內因和外因共同作用的結果?；蚓?碼的酶決定了花青素苷合成的種類，而環(huán)境因子不僅 能影響花青素苷生物合成的速率。而且可以對其積累 量和穩(wěn)定性產生作用。通常。環(huán)境因子既可調控花青 素苷合成途徑中的結構基因，也可調控調節(jié)基因，從 而決定最終的花青素苷種類。當植物細胞中積累花青 素苷后，環(huán)境因子又對其穩(wěn)定性產生作用，進而加速 或減緩花青素苷的降解。植物生長在自然條件下。其 生長發(fā)育必然受到環(huán)境因子的誘導，植物花色和葉色 表現得尤為明顯。在不同的環(huán)境條件下，花色或葉色 會隨之改變，這主要是由于花青素苷的呈色易受環(huán)境 因子的調節(jié)。利用環(huán)境因子調控花色將會極大地提高 花卉的觀賞價值。影響花青素苷合成及呈色的外界環(huán) 境因子主要包括光、溫度和糖等(David，2000)。本文 綜述了主要的環(huán)境因子在花青素苷合成及呈色過程 中的作用，以期為利用環(huán)境條件改變花色和葉色，開 展花青素苷代謝工程研究奠定理論基礎。 1 光對花青素苷合成的調控作用 光是影響花青素苷合成最重要的環(huán)境因子之一。在綠 色組織(如葉片、花芽和莖等)以及組織培養(yǎng)的細胞中。 光通過激活花青素苷代謝途徑中相關基因的表達來 促進花青素苷的積累(Biran and Halevy。1 974；Mol et aI．，1 996)?；ㄇ嗨剀盏暮铣膳c否及其合成量與光受 體和光信號轉導因子密切相關(Sheehan et a1．， 2004)。在花青素苷合成的前期，不同的光強、光質 可以對相關基因的表達進行調控，且在不同物種中， 這種表達模式不盡相同(Albert et a1．，2009)。 1．1 光對花青素苷合成相關基因的調控機理 決定花青素苷合成的內因是結構基因和調節(jié)基因。調 節(jié)基因編碼的轉錄因子可以決定結構基因表達與否 及其強弱，而結構基因可以決定花青素苷合成的種 類。對許多物種的研究發(fā)現，強光可以同時誘導結構 基因和調節(jié)基因的表達。使花青素苷的積累量增加： 而黑暗或弱光則可以抑制或下調基因的表達。從而抑 制花青素苷的合成。表現出白花或淺色花(表1)(Gri． esbach，1 992；Mol et a1．，1 996)。 在結構基因的啟動子序列中，常含有響應光信號 的順式作用元件，而轉錄因子在接受光信號后，會與 這些順式作用元件結合，從而進一步調控結構基因的 表達。對歐芹(Petroselinum crispum)CHS基因啟動 子的詳細功能分析揭示出，啟動子上的光響應單元帶 有1個G-box和1個MYB識別元件(Schulze．Lefert et aI．，1989；Feldbrugge et a1．，1997)。在擬南芥 (Arabidopsis thaliana)CHS、F3H和FLS基因的啟動 子序列中，同樣含有1個MYB識別元件，這個元件對 于響應光信號起著重要的作用(Hartmann et a1．， 1998，2005)。 編碼轉錄因子的調節(jié)基因的表達模式受到光的調 控。強光誘導后，玉米(Zea mays)MYB基因與結構基因 的表達豐度均明顯增加，且MyB基因與結構基因的表 達密切相關，這是由于MYB轉錄因子與結構基因啟動 子結合的緣故。除了My8基因外，bHLH(如玉米rl／b1) 基因的轉錄本在不同光質的誘導下，也參與調控花青 素苷的合成。但是，相比之下，MYB類轉錄因子起著更 重要的作用(Petroni et a1．。2000；Piazza et a1．，2002)。 光信號調控轉錄因子與啟動子結合的強弱，會在 一定程度上影響結構基因的表達。其表達量也會隨之 發(fā)生相應的變化。表1顯示。花青素苷合成途徑中的 表1 不同的光照處理方式對花青素苷合成相關基因表達的影響 處理方式 物種 結構基因 調節(jié)基因 基因表達情況參考文獻 萬方數據 結構基因幾乎都可以受光調控。在強光下表達量上 調，在弱光或黑暗條件下不表達或表達量下降。 1．2葉片在光調控花瓣色素呈色過程中的重要作用 目前，光對花青素苷合成代謝的調控方式已經在矮牽 牛(Petunia hybrida)花冠中被闡明(Weiss and Halevy，1 991：Moscovici et a1．。1 996)。在黑暗條件 下離體培養(yǎng)矮牽牛的花冠發(fā)現?；ü诘纳L、花青素 苷的積累及CHS基因的表達都被強烈地抑制。然而。 當把幼嫩的花冠嫁接到生長在光下的植株上。并對花 芽進行遮光，花冠的發(fā)育及CHS的轉錄本水平僅輕 微下調。這說明，葉片是接受光信號的器官。其感受 到光信號以后，再將信號傳遞到花冠組織中，激活花 青素苷的合成通路，從而使花器官呈色(圖 1)(Moscovici et a1．，1996)。然而，在自然條件下的光 信號傳遞模式尚不清晰。但可以認為。光是花冠發(fā)育 晚期誘導花青素苷合成的重要信號(David，2000)。 此外，研究還發(fā)現，啟動矮牽?；ü谥谢ㄇ嗨剀?的積累和CHS基因的表達依賴于光量子通量。使用相 對高能量的光量子通量長時間照射矮牽牛，可以使基 因表達量和色素積累量達到最高水平。說明在此過程 中，高輻射反應參與其中(Weiss and Halevy，1991 o 胡可等：環(huán)境因子調控植物花青素苷合成及呈色的機理309 對其它物種的研究也發(fā)現。葉片在光調控花瓣色 素呈色及生長過程中起著重要的作用。Biran和 Halevy(1974)研究發(fā)現，將月季(Rosa hybrida)的花 朵遮擋起來，并不能阻止花瓣的生長和著色，而遮蓋 或摘除葉片，卻可以減少花朵的鮮重和花青素苷的含 量。直接照射草原龍膽(Eustoma grandiflorum)的花 朵，并不能激活CHS的表達，使花青素苷得以積累 (Kawabata et a1．，1995；Moscovici et a1．，1996)。 1．3不同光質對花青素苷合成的調控 生長在不同光照條件下的植物的花色、葉色和果色等 常常不同。如藍色花大多集中分布于高山地區(qū)，而在平 原地帶，藍紫色的花卻較罕見。這可能與高山地區(qū)紫外 線強度較大有關(白新祥和戴思蘭，2004)。與其它光照條 件相比，光質對花青素苷的合成起著關鍵的作用。 在花青素苷的合成和積累過程中。不同的光質對 花青素苷呈色的調控作用效果不同。對于大多數植物 而言，UV-B是花朵花青素苷呈色所必需的(Dong et aI．。1998)，同時，它還可以誘導葉片合成花青素苷 (Chalker-Scott。1 999)。UV-A和UV-B均通過刺激花青 素苷合成途徑中關鍵基因的表達來增加花青素苷的 積累量(表2)(Guo et a1．，2008)；在矮牽牛中，藍光和 光 圈1 光、糖和赤霉素調控矮牽?；ü诎l(fā)育和呈色的模式 不同光質對花青素苷合成相關基因表達模式的影響  紅光誘導基因表達的效果相似，而在照射綠光后，基 因的表達量稍弱(Moscovici et a1．，1996)。 進一步的研究表明，紅光的光受體是光敏色素， 而藍光和綠光則通過藍光，UV-A的光受體——隱花色 素起作用(劉明等，2005；馬月萍和戴思蘭，2007)。擬 南芥中的隱花色素1(cryl)是藍光誘導花青素苷積累 的主要光受體。且cryl介導藍光誘導的CHS基因的表 達。Chatterjee等(2006)發(fā)現，歐洲油菜(Brassica napus)BnCRYl基因的轉錄受藍光調控，反義導入 B門C尺y7基因后。花青素苷的積累量明顯下降。 色素苷分支途徑上基因的調控(Stiles et a1．，2007)。 如在菊花(Chrysanthemum x morifolium)，下游基 因DFR和A～S對溫度的響應敏感，高溫處理后表達 量均急劇下降(Huh et a1．，2008)。 同時。隨著轉錄因子對溫度的響應，花青素苷的 最終積累量也會發(fā)生不同程度的變化。蘋果(Ma／us domestica)MdMYBA轉錄因子特異性地與ANS的啟 動子結合，在受到低溫誘導后，會促使果皮花青素苷 含量增}Jl：l(Ban et a1．，2007)。在擬南芥中，高溫會降 低丌8、丁7IG7和EGL3基因的表達量，從而抑制花青 素苷的合成，減少其積累(Rowan et a1．，2009)。 2 溫度對花青素苷合成及穩(wěn)定性的調控 2．2溫度對花青素苷穩(wěn)定性的影響 2．1 溫度對花青素苷合成相關基因表達的調控 溫度是影響植物組織中花青素苷積累的另一個主要 的環(huán)境因子。在對很多物種，如玉米(Christie et a1．， 1 994)、擬南芥(Leyva et a1．，1 995)、矮牽牛(Shvarts et a1．，1 997)和葡萄(Vitis vinifera)(Mori et a1．，2005)等的 研究中發(fā)現。溫度對花青素苷合成相關基因的表達起著 至關重要的作用。低溫會誘導花青素苷合成相關基因的 表達，使花青素苷含量升高，如可使PAL、C，-fs、CHI 和DF尺基因的轉錄水平升高幾倍；而高溫卻能抑制基因 的表達，使花青素苷含量降低(Islam et a1．，2005)。 溫度對花青素苷合成的調控發(fā)生在其合成途徑 的多步反應中，在上游途徑中，溫度主要對PAL、 CHS和CH『基因進行調控(Shvarts et a1．，1997； Shaked．Sachray et a1．。2002；Stiles et a1．。2007)；而 對下游的調控主要表現在對矢車菊色素苷和飛燕草 Shaked．Sachray等(2002)推測溫度在影響花青素苷 合成的同時，也影響著花青素苷的穩(wěn)定性。即當溫度 升高時?；ㄇ嗨剀蘸铣傻乃俾蕼p慢，而此時花青素苷 降解的速率卻增加。其結果導致花青素苷的積累量降 低。如對長葉車前(Plantago lanceolata)的研究發(fā)現， 種植在較低的溫度條件下(15。C，164,時，白天門0。C， 84-,時，夜晚)，長葉車前的花瓣中能積累更多花青素 苷。而在較高的溫度下(27。C，164,時，白天／22。C， 84,時，夜晚)，其花青素苷含量則明顯減少(Stiles et a1．．2007)。同樣，高溫也會影響葡萄中的花青素苷含 量。種植在30。C或35。C條件下的葡萄中的總花青素 苷含量明顯降低，僅為25。C條件下花青素苷含量的 一半(Mori et a1．，2007；Poudel et a1．，2009)。類似地， 菊花的花色也易受溫度影響，在較高的溫度下(> 30。C)，菊花會表現出褪色或較難著色但不同品種舌狀花中的花青素苷對高溫的響 應不盡相同，高溫(35。C，白天／20。C，夜晚)處理紅色 品種Relance后，花青素苷含量比常溫(25。C，白天 ／20。C，夜晚)條件下降低了43．4％：而同樣處理下的 另一個紅色品種Wembley的花青素苷含量卻僅下降 了10％(Huh et a1．。2008)。 Mori等(2007)認為溫度主要是通過影響酶的穩(wěn) 定性來影響花青素苷的合成。對紫菀Sungal(Aster tataricus'Sungal’)的研究發(fā)現，在29。C／21。C(白天， 黑夜)條件下，其花瓣中花青素苷的含量僅為仃。C， 9。C條件下的一半，而且在較高的溫度下，PAL和CHI 的活性均有所降低(Shaked．Sachray et a1．，2002)。 3糖對花青素苷合成及呈色的調控 大多數植物的花器官都是異養(yǎng)的，因此，在花發(fā)育的 過程中。需要糖類物質提供營養(yǎng)。在適宜的環(huán)境條件 下，花芽是一個主要的同化物庫，需要消耗大量的營 養(yǎng)物質。當缺乏糖類物質時，會使花發(fā)育停滯 (Halevy，1 987)。 3．1糖對花青素苷合成的調控機理 糖調控花瓣呈色的現象早在1989年就已經在矮牽牛 中得到闡述(圖1 o Weiss和Halevy發(fā)現，離體培養(yǎng)的 矮牽?；ü谥挥性谡崽呛统嗝顾?gibberellin，GA)存 在時，并且在光照的條件下才會伸長和著色。研究發(fā) 現，GA3和蔗糖是CHS基因轉錄所必需的物質(Weiss and Halevy，1 989；Weiss et a1．，1 992)。 隨后的研究表明，花青素苷的積累受糖的誘導， 這是由于糖作為一種信號分子，其信號轉導途徑可以 激活或抑制一些基因的表達。例如。蔗糖處理可以強 烈上調花青素苷合成途徑。并在促進mRNA積累后， 提高花青素苷的含量(Solfanelli et a1．，2006)。 大部分結構基因和調節(jié)基因的表達都受到糖的 調控．如黝￡．、C4H、CHS、CHI、F3H、F3'1-1、FLS、 DFR、LD0爍UFGL MYB75和PAPl(Teng et a1．． 2005；Solfanelli et a1．，2006)。在擬南芥、大豆 (Glycine max)葉片以及葡萄的懸浮細胞中，糖能誘 導cHS和肖～S的表達：擬南芥的DFR和F3H基因同 樣受到糖的誘導而表達量上升(Solfanelli et a1．， 2006)；蘿卜(Raphanus sathus)下胚軸dg CHS和ANS 胡可等：環(huán)境因子調控植物花青素苷合成及呈色的機理311 基因的表達可以被蔗糖誘導(Hara et a1．，2003)。對 CHS的序列分析還發(fā)現，在矮牽牛和擬南芥CHS的5’ 側翼序列中，包含“Sucrose boxes”，因此，c『了S基因 的表達可以受到蔗糖的誘導(Tsukaya et a1．，1991)。 3．2不同糖類物質對花青素苷呈色的影響 對草原龍膽(Kawabata et a1．，1995)、風信子 (Hyacinthus orienta／is)(Hosokawa et a1．，1996)、蛇 鞭菊(Liatris spicata)(Han，1 992)、月季(Kuiper et a1．。 1 991)和香石竹(Dianthus caryophyllus)(Minakuchi et a1．，2008)的研究發(fā)現，增加蔗糖的含量可以促使 花瓣伸長并使離體的花朵呈色。在對切花香石竹的研 究中發(fā)現。保鮮液中糖的濃度不同，花瓣呈現的顏色 也不同。這是由于隨著保鮮液中糖濃度的升高，花瓣 中會積累較多的可溶性糖，這就為花青素苷最后的生 成提供了更多的底物，從而加速了花青素苷的合成速 度。使花瓣的顏色加深(Minakuchi et a1．。2008)。因 此，在大部分切花保鮮液中都會添加蔗糖(Halevy and Mayak，1 981)，以防止切花花瓣褪色。 糖除了通過提供營養(yǎng)物質來促進花青素苷的合 成和積累以外，還可通過對植物細胞產生滲透脅迫誘 導植物合成花青素苷。如在植物細胞培養(yǎng)中發(fā)現：一 定濃度的葡萄糖、蔗糖和甘露醇的滲透脅迫均可以促 進花青素苷的積累(ThoIakaIabavi et a1．，1997)。但不 同的糖類物質對不同物種花青素苷的呈色影響不同， 其中，蔗糖是刺激花青素苷呈色的最主要的糖類物 質。在擬南芥中，蔗糖特異性地增加花青素苷的積累， 而果糖和葡萄糖的影響甚微(Solfanelli et a1．，2006)； 在喜樹(Camptotheca acuminata)懸浮細胞的培養(yǎng)過程 中，高濃度的蔗糖會增加花青素苷的含量(Pasqua et a1．，2005)；使用175 mmol·L-。蔗糖可以使蘿卜下胚軸 積累大量的花青素苷，果糖和葡萄糖的處理次之，甘 露糖和3-0．甲基．D葡萄糖幾乎不能促進花青素苷的生 成(Hara et a1．，2003)；在葡萄中，由于甘露糖、2一脫氧 葡萄糖和葡萄糖類似物會被己糖激酶磷酸化，因此均 能夠顯著誘導花青素苷的積累(Zheng et a1．，2009)。 4其它因素對花青素苷合成及穩(wěn)定性的 影響 除了光、溫度和糖以外。激素、水分、氮或磷的含量 萬方數據 312植物學報45(3)2010 以及金屬離子等因子也可以調控花青素苷的合成。在 矮牽?；ü谥校珿A可以通過誘導CHS、CH／、DFR、 ANS和尺礴因的表達。促進花青素苷的合成(Weiss et a1．，1992)。相反的結果FhRonchi等(1997)發(fā)現。GA 能抑制玉米中花青素苷的積累。David(2000)認為。在 矮牽?；ㄇ嗨剀蘸铣赏緩街小A首先啟動 bHLH(anl)和MYB(an2)基因的表達，使轉錄因子作 用于啟動子上的順式作用元件，隨后激活花青素苷合 成通路上結構基因的表達，促進花青素苷的合成。此 外，激素和糖也可以相互作用，協同調控花青素苷的 合成。如使用激素和糖處理擬南芥種子發(fā)現。施加GA 后，糖誘導的花青素苷合成途徑被抑制：而茉莉酮酯 酸(jasmonic acid，JA)和脫落酸(abscisic acid，ABA) 卻能與糖協同作用于花青素苷合成途徑(Loreti et a1．。 2008)。 金屬離子可以單獨或與輔助色素一起同花青素 苷形成絡合物，延長花青素苷的半衰期，影響花青素 苷呈色(Toyama-Kato et a1．，2003；徐清烯和戴思蘭， 2004)，并且能夠緩解高溫對花青素苷合成的影響 (Shaked-Sachray et a1．，2002)。缺氮、缺磷或二者同 時缺少時，可以導致花青素苷增力[1(Rajendran et a1．。 1992；孫明霞等，2003)。如當缺乏氮素時，擬南芥葉 片中黃酮醇衍生物和矢車菊色素苷的含量均有所升 高(Lillo et a1．，2008)；外源NH4+可以抑制非洲菊 (Gerbera hybrida)花瓣色素的積累，CHS和DFR基因 的表達量也有所降l"E(Huang et a1．，2008)。施加外源 腐胺能夠有效地促進蘋果果皮花青素苷的積累，并對 相關結構基因和調節(jié)基因的表達有顯著的調控作用 (田義等，2009)。此外，低pH值、甲基茉莉酸、病原 體感染、真菌誘變以及使用各種除草劑處理均會導致 植物花青素苷含量的變化(Dixon et a1．，1994；AIla and Younis，1995；孫明霞等，2003)。 5問題及展望 5．1 環(huán)境因子和花發(fā)育過程對花朵呈色的影響 激活花瓣中花青素苷的合成通路。誘導花青素苷的積 累是環(huán)境因子和花發(fā)育信號共同作用的結果(Mol et aI．，1996)。大量研究表明，花青素苷的合成和花瓣的 發(fā)育受到相同的環(huán)境因子和內部信號的調控(David。 2000)。但在眾多的環(huán)境因子中。哪～個因子起主導 作用，這些因子通過什么途徑作用于花青素苷的合成 通路。目前尚不清晰。因此，環(huán)境因子在細胞中的信 號轉導方式是值得研究的內容之一。同時，環(huán)境因子 與轉錄因子、結構基因這三者的互作關系也需要更多 的實驗證據來加以闡述。 此外。在花朵開放的過程中，環(huán)境因子也可能通 過影響花瓣的發(fā)育而間接影響花青素苷的積累。 Martin和Gerats(1993)將花瓣的發(fā)育分為2個時期： 慢速生長期，花瓣的發(fā)育是細胞分裂的結果：快速生 長期，細胞伸長引起花瓣的伸長。通常，在第2個階 段，花瓣細胞內開始迅速積累花青素苷，此時，花瓣 的呈色和花瓣的伸長同步進行。在很多植物中，花青 素苷的呈色與花發(fā)育的過程密切相關。伴隨著花朵的 開放?；ㄇ嗨剀蘸铣上嚓P基因的表達模式會有所改 變，同時，花青素苷的積累量也發(fā)生一定程度的變化 (Nakatsuka et a1．，2005；胡可等，2009)，而花發(fā)育 又受到光信號或光周期的調控。對非洲菊的花序進行 黑暗處理后?；òl(fā)育和花青素苷的積累均被抑制，且 這種抑制是不可逆的：相似的結果在離體培養(yǎng)的花序 中也被觀察到，這表明在非洲菊活體及離體培養(yǎng)過程 中，花青素苷的積累均與其花發(fā)育過程密切相關 (Meng and Wang，2004)。但目前對于花發(fā)育相關基 因如何調控花青素苷的代謝和積累的研究開展得較 少，二者的生物合成途徑是否存在交叉點。位于交叉 點上的基因能否被環(huán)境因子所調控從而改變花色。是 今后的研究方向之一。 5．2環(huán)境因子對觀賞植物花色的影響 環(huán)境因子影響花青素苷呈色的研究目前多集中在模 式植物、作物和葡萄、草莓(Fragaia ananassa)等漿 果植物中，以及食品保鮮、釀酒工業(yè)等方面。對觀賞 植物花瓣著色的機理研究較少。Toyama．Kato等 (2003)指出，AI計可能與八仙花(帥ngea panicu． 1ata)的藍色花呈色有關。白新祥(2007)對菊花花青素 苷提取液進行理化性質分析發(fā)現。光照、溫度、pH值 和金屬離子均能引起顏色的變化，從而推斷菊花花色 可能會受環(huán)境因子的影響而發(fā)生變化。但已有的研究 大多是對體外花青素苷的穩(wěn)定性進行分析。如對植物 花瓣或花冠進行離體培養(yǎng)，或提取花瓣中的花青素 苷，而對植物體內花青素苷的穩(wěn)定性則研究較少。觀 賞植物能創(chuàng)造較高的經濟效益和生態(tài)效益，而花瓣的 萬方數據 呈色與外界環(huán)境因子是密不可分的。因此，研究觀賞 植物體內花青素苷的穩(wěn)定性，探討如何避免花色的減 退具有重要意義。 5．3花青素苷抵御逆境的方式 當植物遭遇低溫、干旱等環(huán)境脅迫時，植物體內會迅 速積累花青素苷。來幫助植物體抵御逆境。在綠色組 織中，花青素苷作為吸收紫外線的色素對植物體起著 保護作用(Jenkins et a1．。1995)。花青素苷抗逆的機制 目前還不十分清晰。但有證據表明，逆境可能會對植 物細胞產生滲透脅迫，而花青素苷是存在于植物表皮 細胞液泡中的水溶性色素，它可以降低冰點和細胞滲 透勢，防止細胞受到凍害并抵御由于冰凍引發(fā)的脫水 脅迫，從而提高植物的耐旱能力(孫明霞等，2003)。但 也有人認為，花青素苷與植物的抗逆性沒有必然聯系 (Singh et a1．，1995)。因此，花青素苷保護植物體的機 制還有待進一步研究。