植物花青素合成与调控研究进展

为了进一步阐述花青素在植物体内的合成机制,了解影响花青素合成的各类因子及其互作方式,本文归纳了调控花青素合成的内部因子和外部因素,总结了光、温度、糖类和激素等调控花青素生物合成的环境因素。围绕花青素的合成通路,就通路中的结构基因及其上游转录因子相关研究进行了总结。研究得出在植物中,各类外部因素和内在因子,通过主要的转录因子调控结构基因,影响花青素在植物体内合成与积累,维持植物体内花青素的动态平衡,这种调节机制既包括正向调控也包括负向调控。指出花青素的代谢途径逐渐完善,越来越多结构基因和转录因子的功能将被验证并被应用到观赏植物性状的基因工程改良的实践中。     

植物花青素生物合成及调控

花青素是一类分布广泛的多酚类色素,使植物呈现多种颜色,可以吸引传粉者来繁衍后代,保护植物免受多种生物和非生物胁迫;因具有强氧化能力,能够预防多种疾病,其研究与应用在生物学和医用保健领域具有重要的价值。花青素的生物合成代谢是植物次生代谢途径的重要分支,随着生物学研究技术的发展,人们对花青素的生物合成及转录调控机制进行了深入研究。本综述对花青素生物合成代谢途径、转录调控、花青素生物合成途径中重要结构基因、重要转录因子MYB、bHLH、WD40以及参与调控花青素合成的microRNA进行了综述,旨在为植物花青素的合成代谢途径研究以及优质作物的品种改良提供参考。     

影响葡萄果皮颜色的MYB类转录因子的研究进展

在葡萄品种中,果皮颜色从白色到黑色存在广泛的差异,花青素苷的合成和积累是形成果皮颜色的直接原因,MYB类转录因子是调控花青素苷合成的一类重要的转录因子。为了进一步探究不同种果皮颜色同MYB转录因子之间的关系,本研究列出了花青素的结构和种类以及花青素苷生物合成途径,归纳了葡萄色泽与花青素苷的关系,列举了调控植物花青素苷合成的相关基因的功能,并着重分析了葡萄MYB类转录因子在花青素苷合成过程中的功能,以期为今后改良葡萄果皮颜色提供指导。     

‘月月粉’和野蔷薇花青素合成酶基因的鉴定与表达分析

植物花青素是一种天然的黄酮类水溶性植物色素,对于植物的花和果实的花色决定具有重要作用,花青素在植物体内的生物合成途径研究相对较清楚。但在蔷薇属植物中花青素合成酶基因的功能分析相对较少,通过序列比对和进化树分析鉴定‘月月粉’(Rosa chinensis‘Old Blush’,用OB表示)和野蔷薇(Rosa multiflora)中花青素合成酶基因各14个。通过序列比较发现野蔷薇和OB中对应的同源基因序列相似性很高,表明这些基因的保守性很强,但表达谱分析显示这些基因在两个物种中的差异较大,暗示其调控序列可能变异程度较大。通过检测一个野蔷薇自然突变单株中红花和白花中的花青素合成酶基因的表达,推测有部分花青素合成酶基因可能在花青素合成反馈调节中具有重要作用。通过分析启动子序列中顺式作用元件推测OB中花青素合成酶可能受蔗糖和不同激素的调控。本研究可为揭示蔷薇属植物花青素合成调控的分子机制提供依据。     

苦荞FtHY5基因克隆、生物信息学及参与花青素合成分析

HY5 (Elongated hypocotyl 5)转录因子是参与植物光形态建成的重要成员,并调控花青素的生物合成。本研究以苦荞‘晋荞2号’作为材料,利用PCR克隆其HY5基因的完整的CDS序列,并对FtHY5的理化性质、保守功能域、信号肽、亚细胞定位、亲/疏水性、蛋白质结构、系统进化等进行了生物信息学分析,此外还分析了其对苦荞芽菜花青素合成的影响。结果表明,FtHY5基因完整的CDS长度为507 bp,编码的蛋白分子量为18.434 kD,等电点为9.47,空间构象呈拉链形状,属于亲水性蛋白,含有信号肽,亚细胞定位在细胞核里。苦荞FtHY5蛋白的氨基酸序列与藜麦和甜菜的亲缘关系最近。FtHY5基因与花青素生物合成途径上的结构基因在光照条件下培养的芽菜中的表达水平均高于黑暗条件下的,说明Ft HY5可能调控这些花青素合成基因的表达水平,从而参与光诱导花青素合成的过程。综上所述,本研究结果将为进一步研究FtHY5调控苦荞芽菜花青素的生物合成的分子机理提供基础,同时也为利用该基因来改善苦荞芽菜的品质提供理论支撑。     

中科院在植物激素茉莉酸的信号传导机理研究中取得进展

正茉莉酸(Jasmonate,JA)激素是植物体内一类非常重要的脂类生长调节物质,参与调控植物某些重要的生长发育过程以及对环境因子的响应,如叶片表皮毛的起始、花青素的积累及抗冻害反应等。根毛是根表皮细胞特化形成的     

调控植物类黄酮生物合成的MYB转录因子研究进展

类黄酮是一类多酚类次生代谢产物,在植物中广泛存在,具有调节机体免疫力、抗氧化、抗衰老以及抵抗病毒等医疗保健功效。在类黄酮生物合成过程中,MYB转录因子扮演者重要角色,可以调控与类黄酮合成相关的酶基因的表达,从而有效地调控类黄酮物质的生物合成。目前已在很多植物中分离克隆得到了很多调控类黄酮生物合成的MYB转录因子,并对它们的结构功能及表达方式和作用模式进行了深入研究。利用转基因技术将从特定植物中分离得到的MYB转录因子用于植物遗传改良,可有效提高转基因植物中黄酮类物质的含量。因此,MYB转录因子的研究对从分子水平上研究和调节类黄酮的合成具有重要的意义;转录因子的应用是类黄酮生物合成基因工程中的一个新方向。     

环境因子及内源物质对果树中花青素调控的研究进展

花青素的合成途径基本被确定,但是关于环境因子及内源物质对花青素积累的影响仍旧缺乏全面系统的阐述。本研究根据国内外的研究进展,总结光照、温度、矿质元素等环境因素以及内源激素等物质对果树中花青素积累的影响,发现较强光照、低温、部分矿质元素、水分胁迫、酸性环境、糖类以及乙烯等的内源激素对花青素的稳定性具有保护作用,并能促进花青素的合成。此类研究可为果树果实色泽、营养品质的进一步改良提供理论基础,为果树品种的选育与研发提供参考方向,同时也为果树中花青素的提取、加工、运输和贮藏过程提供理论指导,促进优良、天然的植物化学物质在果树中的充分积累及综合利用。而对于环境因子和内源激素在花青素调控网络中的具体作用机制,在未来仍需要借助分子生物学、表观遗传学等生物技术进行深入研究。     

超量表达小桐子JcTPS1促进拟南芥开花并增加叶片花青素含量

开花是高等植物生长和发育过程中最重要的阶段。在体内发育调控信号和适当的环境因子共同作用下,植物个体由营养生长向生殖生长转变,启动开花进程。碳水化合物在植物成花转变过程中具有重要的调控作用,而六磷酸海藻糖(trehalose-6-phosphate,T6P)的含量是反映植物体内碳水化合物含量水平的重要指标。本研究克隆了能源植物小桐子(Jatropha curcas)的六磷酸海藻糖合成酶(trehalose-6-phosphate synthase 1,JcTPS1)基因,在拟南芥中进行超量表达,对其功能进行初步研究。超量表达JcTPS1的转基因拟南芥提前开花。此外,超量表达JcTPS1可以诱导拟南芥花青素合成的关键酶基因二氢黄酮醇-4-还原酶(dihydroflavonol-4-reductase,AtDFR)和无色花青素双加氧酶(leucoanthocyanidin dioxygenase,AtLDOX)上调表达,从而显著促进花青素在叶片中的积累。研究结果表明,小桐子JcTPS1基因可能在植物开花和花青素合成过程中起重要的调控作用。     

植物花青素生物合成相关基因研究进展

综述了植物花青素基因的研究现状和发展趋势,包括植物花青素生物合成途径,生物合成途径中关键酶基因的分离克隆及应用,为今后进一步研究花青素提供参考借鉴.     

观赏羽衣甘蓝BoMYB114基因编码区的克隆及序列分析

花青素是羽衣甘蓝叶片呈紫色、红色及粉色的重要色素,R2R3-MYB类蛋白被认为是调控植物花青素生物合成的转录因子。本研究以羽衣甘蓝叶片为试材,采用同源克隆的方法克隆BoMYB114转录因子基因的编码区序列,并对其进行生物信息学分析。结果表明:BoMYB114基因编码区长度为753 bp,其包含1个完整的开放阅读框ORF,可编码250个氨基酸,预测蛋白的分子量为28.5 kD,等电点(pI)为9.08。BoMYB114蛋白不存在信号肽,很可能定位在细胞核中。BoMYB114蛋白含有2个MYB保守结构域,二级结构以无规则卷曲、α-螺旋、延伸链和β-转角为主。进化树分析表明,羽衣甘蓝的BoMYB114蛋白与甘蓝型油菜MYB114蛋白序列的一致性最高。羽衣甘蓝BoMYB114基因的克隆与序列特征分析对于进一步研究该基因结构和功能及植物花青素合成代谢途径具有重要意义。     

SPL调控因子在植物生长调控的研究进展

SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)是植物特有的转录因子,它参与了植物叶、花、果实的发育、发育阶段转变、花青素的合成以及胁迫应答等调控过程。SPL转录因子家族成员均含有高度保守的SBP结构域,可以特异性结合所调控基因启动子的顺式作用元件,还可与其它调控蛋白相互作用,共同调控相关基因的表达。另外,SPL在转录后水平还受miRNA156/miRNA157的负调控。本研究从SPL调控因子在植物形态建成、次生代谢、生理胁迫中的表达调控研究进展方面进行综述。     

巴西橡胶树HbbHLH1启动子的克隆与序列分析

bHLH转录因子在高等植物生长发育、激素应答和次生代谢调节中具有重要的功能.根据巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)HbbHLH1基因设计了2个特异性反向引物,利用GenomeWalking方法从巴西橡胶树叶片基因组DNA中克隆获得了HbbHLH1基因起始密码子上游819 bp的调控片段.序列分析表明,该片段除了含有一个典型的真核生物核心启动子区域(-60～-10bp)外,还含有多个TATA-box、CAAT-box等启动子元件以及多种与激素和胁迫诱导相关的顺式调控元件,其中在-290 bp和-309 bp位点分别有一个应答MeJA信号反应的调控元件,但没有发现典型的乙烯响应元件.这暗示了HbbHLH1转录因子可能在橡胶树乳管分化和胶乳生物合成中具有调控作用.     

转录组学挖掘黑果枸杞中花青素生物合成代谢关键bHLH调控基因

黑果枸杞果实中富含花青素,为探究黑果枸杞和白果枸杞的基因表达差异,挖掘控制黑果枸杞黑果性状的主效基因,本研究利用RNA-Seq技术对黑果枸杞和白果枸杞进行转录组测序与生物信息学分析。结果表明,黑果枸杞和白果枸杞中共检测到25 279个基因差异表达,其中12 381个基因在黑果枸杞表达上调,12 898个基因表达下调。KEGG富集结果显示,共有571个差异表达基因参与植物次生代谢产物合成,尤其是在黄酮类和花青素生物合成代谢通路中差异最为明显。黑果枸杞中共有8个参与花青素合成代谢的结构基因的表达量均高于白果枸杞,说明花青素的生物合成可能与黑果枸杞黑果性状相关。调控花青素生物合成的bHLH转录因子CL8159.Contig5＿All的表达水平比白果枸杞增强了2 139.57倍,这个基因很有可能是控制黑果枸杞黑果性状的候选基因。本研究筛选到控制黑果枸杞花青素合成代谢的候选基因,为黑果枸杞的分子遗传机理及进一步的基因功能研究提供了依据。     

转录因子TCP4参与植物生长发育和抗逆调节研究进展

转录因子TCP(TEOSINTE BRANCHED1,CYCLOIDEA,PROLIFERATING CELL FACTORS)家族具有bHLH(basic-Helix-Loop-Helix)二级结构域,根据结合位点碱基序列不同,将TCP家族分为两大类:Ι类(GGNCCCAC)和Ⅱ类(GTGGNCC).转录因子TCP4是植物特有的转录因子Ⅱ类TCP家族成员之一,调控植物的生长发育,影响多种植物激素的合成,参与植物抗逆调节.本研究综述了转录因子TCP4与植物其他转录因子家族相互作用参与植物种子萌发、表皮毛分化、叶片形态、开花等重要植物生长发育过程,以此适应外界不断变化的生长环境.植物在生长发育过程中会遇到各种不利环境,从而对其造成逆境胁迫.在非生物胁迫下转录因子TCP4与功能基因的顺式作用元件结合调控其表达,调控植物激素的合成,从而参与植物抗逆.在植物发育过程中TCP4还具有时空限制的表达模式,这些表达模式提高了TCP4在局部触发或拮抗激素信号传导的可能性.为转录因子TCP4如何调控植物生长发育和精准的参与植物激素合成提供参考依据和理论基础,对植物生长调节和逆境下优良品种的选育有重要指导意义.     

我国植物激素研究获突破

正2020年6月,中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队在国际著名期刊《自然》在线发表论文,系统鉴定了拟南芥中独脚金内酯的早期响应基因,阐明了独脚金内酯调控植物分枝发育、叶片形状以及花青素积累的分子机制,突破了独脚金内酯信号途径研究的瓶颈,发现SMXL6、SMXL7和SMXL8基因作为转录因子调控自身转录,同时作为转录抑制蛋白调控分枝等重要发育过程。     

激素调控植物顶端优势的分子生物学进展

分子生物学中对基因与突变体的研究表明植物的顶端优势现象是受激素的调控的,其中生长素抑制侧芽的生长,而细胞分裂素促进侧芽的起始,二者的比值对植物的生长更加重要。研究还表明其他的激素也参加了植物顶端优势的调控过程,如ABA、GA等。植物的顶端优势是基因、激素及植物发育时期综合作用的结果。     

‘贵紫麦1号’GzA BI5-3A3基因的克隆及在烟草中的功能分析

ABI5在植物种子休眠与萌发、生长发育、花青素合成以及对逆境胁迫的响应等诸多生物学过程中起着重要作用。而大量研究表明ABI5参与种子休眠与萌发,少有研究表明ABI5参与花青素合成。为了探究ABI5转录因子参与调控小麦花青素合成,本研究从‘贵紫麦1号’中扩增得到Gz ABI5-3A3的c DNA全长。其启动子顺式元件分析结果表明Gz ABI5-3A3可能参与调控植物生长、光合作用、开花及种子萌发和花青素累积的生物学过程。蛋白质系统进化树分析表明,Gz ABI5-3A3与小麦中Ta ABI5D-SH-31、Ta ABI5D-SH-23和Ta ABI5D-SW-23同源。本研究进一步构建Gz ABI5-3A3基因的过表达载体PBI121-Gz ABI5-3A3,用于烟草遗传转化,共获得8个烟草转基因株系。本研究对Gz ABI5-3A3过表达转基因株系进行研究发现,转基因烟草株系L4、L7和L15苗期叶片中花青素含量显著低于野生型,其花青素合成途径的结构基因Nt PAL、Nt DFR、Nt ANS和Nt CHS的表达量显著下降。研究结果表明Gz ABI5-3A3能够通过调控花青素合成途径结构基因的表达来负向调控植物花青素的合成,为后续研究Gz ABI5-3A3调控花青素合成的分子机制提供研究基础。     

兰科植物花香成分研究进展

从兰科植物花香成分及其合成调控等方面进行综述,重点总结了常见兰花的主要花香成分、影响检测花香成分时的主要因素,以及花香生物合成途径中相关分子调控机制。分析表明,萜烯类化合物是兰花最主要花香成分,采样时期、部位、环境和检测技术等都会导致花香成分变化,萜类合成酶基因(TPS)和MYB类转录因子是花香物质代谢途径中主要调控基因。发现兰科植物相关花香成分完整代谢途径及分子调控机制的研究缺乏,是兰科植物花香性状研究现状存在的主要问题,深入挖掘与利用兰花香花基因、完善相关代谢途径将会是兰科植物花香性状未来的研究重点。