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。     

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。     

彩色马铃薯中miR858表达及其花青素含量变化分析

microRNA是植物体内普遍存在的非编码小RNA,广泛参与植物生长发育、代谢调节及多种逆境胁迫响应。研究表明miR858可能是参与植物花青素合成调控的miRNA之一,但其在彩色马铃薯中调控花青素的研究尚未见有报道。本研究对彩色马铃薯不同部位中miR858的表达情况进行研究,同时对其花青素进行测定,以明确miR858与花青素合成间的调控关系。结果表明miR858在3个彩色马铃薯品种不同组织中均有表达,但不同组织的花青素含量与miR858的表达存在品种差异性,其中紫色马铃薯品种‘黑金刚’、‘华颂66号’中miR858的表达情况和花青素的含量呈正相关,红色马铃薯品种‘红美’miR858的表达情况和花青素的含量呈负相关,这可能是马铃薯的品种特异性决定了其花青素调控中基因表达的差异性。     

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。     

‘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。     

‘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。     

茄子花青素研究进展

花青素属于类黄酮次级代谢物,是植物体内的第二大色素,影响着果实的呈色。花青素在植物防御方面也发挥重要作用,被用于抗氧化、抗衰老及预防心血管疾病等方面。茄子是少有的紫色蔬菜之一,其果皮中花青素含量高,研究表明,茄子中的花青苷抗氧化能力很强且结构很稳定。有关茄子花青素的研究远远落后于模式植物,但其对于茄子种质的创新利用具有重要的意义。本综述概述了模式植物中已研究比较清楚的花青素结构及其生物合成途径、茄子花青素合成代谢相关基因、茄子花青素合成的影响因素及其在生产上的应用,为进一步研究和利用茄子花青素提供参考。     

温度对植物花青素苷合成影响研究进展

为了探明温度对植物花色呈色的影响,归纳了温度在植物花青素苷合成过程中的重要作用,总结了温度通过多种途径影响花青素苷的合成,分析了温度对植物花青素苷生理代谢、稳定性及关键色素酶活性的影响。认为温度在花青素苷的合成途径中以对关键色素酶活性的影响最大,指出花青素苷合成过程受多重因子影响,要探明植物呈色机制还应综合大量单因子及多因子的研究。     

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。     

芥菜型油菜BjuB.KAN4基因调控类黄酮的途径

MYB类转录因子KAN4有调控植物原花青素合成的功能。为了探究芥菜型油菜中MYB转录因子KAN4对原花青素合成的调控机理,本研究以芥菜型油菜紫叶芥为实验材料,克隆了一个BjuB.KAN4基因,编码266个氨基酸,BjuB.KAN4蛋白包含一段高度保守的MYB-like DNA结合结构域,属于1R-MYB转录因子家族成员。基因表达分析表明, BjuB.KAN4在根中表达量显著高于叶和茎中, GUS组织化学染色分析试验推测,该基因可能在根茎叶的维管组织中表达。利用毛状根体系过表达BjuB.KAN4发现,类黄酮合成途径的部分关键酶基因Bju.CHS和Bju.DFR等的表达量在紫叶芥和四川黄籽的转基因根系中均显著增加,紫叶芥转基因根系中总黄酮含量为2.798 mg g~(-1),是对照组的1.3倍,四川黄籽中总黄酮含量为2.567 mg g~(-1),是对照组的1.2倍。在拟南芥中异源表达BjuB.KAN4发现,转基因植株总黄酮含量为0.237mgg~(-1),是野生型的1.5倍,原花青素含量为0.363mgg~(-1),较野生型含量下降。本研究表明,BjuB.KAN4基因参与调控芥菜型油菜类黄酮合成,为研究芸薹属植物原花青素合成的调控机理提供了参考。     

利用可视化标记建立Cre-loxP介导的抗生素删除载体系统并应用于玉米转基因研究

本研究通过Cre-loxP系统,构建了Kan基因的删除载体系统,利用花青素合成途径中转录因子的表达指示删除的效果。首先,利用两次PCR方法对pGreen载体进行改造,在卡那霉素抗性(Kan)基因的两侧加入两个同向的loxP位点,在多克隆位点前插入5-烯醇式丙酮酸莽草酸-3-磷酸(EPSP)合酶的表达框作为筛选标记基因,命名为pBAC823。在此载体基础上,构建了两个植物表达载体,组成一个抗生素可删除的载体系统。其一是在pBAC823载体Kan基因的一侧加入花青素合成途径中两个转录因子bi基因和cl基因的表达框,命名为pBAC9008。该载体可以作为基础植物表达载体,用于表达目的基因。其二是含Cre酶基因表达框的植物表达载体。将hsp70启动子驱动的cre基因的表达框插入pBAC823载体Kan基因的一侧,并将玉米花青素基因合成途径中转录因子bi和cl的表达框插入多克隆位点,命名为pBAC9009,此载体作为一个删除载体,单独转化植物,之后可以通过杂交方法删除目的基因表达载体中两个loxP位点之间的Kan基因片段。将上述载体转化玉米幼胚,得到T0代转基因玉米的种子,其中部分籽粒为紫色,分子检测结果表明紫色籽粒有花青素基因的插入,验证了花青素合成基因作为可视化标记的可靠性。本研究采用了可视化标记跟踪外源基因的表达和抗生素抗性基因的删除,不仅大大降低了外源基因的检测成本,为转基因食品安全提供技术保证,在转基因研究中具有重要的意义。     

调控植物生物碱生物合成的转录因子研究进展

生物碱是植物中广泛存在的一种次生代谢产物,在抵御生物胁迫及非生物胁迫中发挥着重要作用。转录因子是调控基因转录翻译,控制基因表达量的一种蛋白质。转录因子通过诱导或抑制生物碱合成相关基因的表达来控制植物中生物碱的含量。目前有关调控SGA、烟碱、TIAs和BIAs生物合成的转录因子已有报道。本研究综述了参与SGA、烟碱、TIAs和BIAs生物合成的转录因子家族类型,转录因子在生物碱生物合成中的调控机制以及生物碱合成涉及的信号传导途径,以期为调控农作物中生物碱含量提供理论依据,培育出抗逆性强、安全和优质的农作物品种。     

红掌AaMYB1的表达特征及其在烟草中的过表达

R2R3-MYB转录因子在观赏植物花青素着色中具有关键性的调控作用。为了进一步明确红掌AaMYB1调控花青素合成的功能,本研究采用序列分析、表达特征分析以及在烟草中异源过表达等方法,对AaMYB1进行了功能分析。结果表明,AaMYB1与单子叶植物中调控花青素合成的R2R3-MYB同源性较高。在品种‘Tropical’中,AaMYB1主要在红掌佛焰苞中表达,各组织中的表达量与花青素苷积累密切相关,但在不同品种不同颜色佛焰苞中的表达与花青素苷积累无相关性。单独过表达AaMYB1的T1代烟草花冠檐部因大量积累花青素苷而使颜色变深,且烟草中花青素苷合成途径上的关键酶基因NtDFR和NtANS以及烟草内源调控花青素苷合成的R2R3-MYB基因NtAn2的表达量得到大幅度上调。以上结果进一步明确了AaMYB1具有调控花青素苷合成的功能。     

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。     

植物肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)基因的研究进展

植物体内通过公共苯丙烷途径而进入木质素特异途径来合成木质素,这条代谢途径涉及到许多酶的参与,其中肉桂酰辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoAreductase,CCR)是木质素特异途径的第一个关键酶,可催化3种羟基肉桂酸的CoA酯的还原反应,生成相应的肉桂醛。因此人们认为此酶可能对木质素合成途径的碳流具有潜在的调控作用,对木质素单体的生物合成起着重要作用。本文主要综述了CCR在木质素生物合成途径中的地位、CCR的分布、酶的提取和基本特性、CCR基因的克隆进展、CCR基因的转录特点、CCR启动子研究情况、转基因植物中表达抑制CCR基因的生物学效应等,并展望了CCR基因研究对于植物木质素研究、植物抗病和抗逆性研究、作物品质改良以及植被保护研究的意义。     

基于转录组数据解析大花君子兰花瓣花青素代谢差异

大花君子兰是世界上重要的观赏植物,其花瓣颜色在花蕾不同发育时期具有显著差异。本研究通过对花蕾3个不同发育时期花瓣进行高通量转录组测序,进而探讨君子兰花瓣发育过程中与其花色相关的基因表达情况。结果表明,共获得167 078条转录本,平均长度为673 bp,有67 512条Unigenes在各数据中被注释。GO功能富集中有24 162条基因被注释,分为分子功能、细胞组分和生物过程3大类和50个亚类。KEGG代谢通路注释中,12 930条被成功注释,主要富集与花青素合成相关的通路,包括苯丙素生物合成途径、类黄酮生物合成途径、异黄酮生物合成途径、花青素生物合成途径和苯丙氨酸代谢生物合成途径。君子兰花蕾在3个发育时期时花青素合成途径中一些关键酶(如CHS, CHI, DFR)和调控基因(MYB和bHLH)的表达量出现了显著差异。     

农作物乙烯合成和信号转导途径及其对抗病反应的调控

乙烯作为植物激素在生长、发育、抗逆过程中发挥了其独特的调节作用。本文在分子生物学水平上概述了植物中乙烯合成途径和信号转导途径的机制。乙烯的合成由甲硫氨酸开始,经过重要的中间代谢产物ACC的氧化裂解形成乙烯,其中ACC合成酶催化的反应为限速反应,为调控乙烯合成的重要环节。乙烯信号的转导由内质网上乙烯受体识别乙烯开始,在胞质中经一条保守的途径,由EIN3将转录信号传递至细胞核中,最后以ERF类转录因子激活或抑制相关基因的表达。ERF转录因子参与防卫反应的诱导和寄主对病原菌不亲和互作的建立,受其调控的防卫基因被诱导表达后在随后防卫应答过程中发挥了不同的作用。     

木薯MeLBD47的生物信息学分析及功能验证

LBD (Iateral organ boundaries domain)/ASL (Asymmetric leaves2-like)是一类具有LOB (Iateral organ boundaries)结构域的转录因子,主要参与植物生物与非生物应答。其中LBD37能够通过抑制PAP1和PAP2参与调控花青素积累。花青素作为一种重要的类黄酮化合物广泛存在于植物体内,花青素的积累能有效地增强植物抗性。MeLBD47作为LBD37同源物,在木薯中发挥的功能尚不清晰。为了更好地研究MeLBD47,采用生物信息学手段分析了MeLBD47的基本理化性质、亲水性、蛋白质二级结构以及磷酸化位点,利用VIGS手段,验证MeLBD47对花青素的积累的影响。结果表明Me LBD47分子质量为27 106.93,等电点为8.61,为亲水性蛋白,不包跨膜结构。MeLBD47蛋白主要有由无规则卷曲、α-螺旋结构和β-转角结构以及延伸链构成。RT-PCR结果显示Me LBD47全长为744 bp,编码247个氨基酸。RT-qPCR结果显示MeLBD47主要在根中表达。VIGS沉默MeLBD47,木薯花青素含量显著...     

转录因子WRI1在主要作物中的研究进展

在高等植物生长发育及对环境变化的应答中,转录因子通过调控启动子的方式来发挥调节作用。转录因子WRI1的靶基因主要参与脂肪酸合成和糖酵解,因而在植物脂肪酸合成和积累中起着重要的作用。本文阐述了近年来植物WRI1转录因子研究进展,主要包括WRI1在糖酵解和脂肪酸合成信号转导途径中的地位以及已克隆的WRI1基因时空表达特点和编码蛋白的结构特点。本文还就转录因子WRI1提高作物含油量的应用前景在棉花(Gossypium hirsutum L.)中的研究提出展望。     

ERFs转录因子对植物生物胁迫和非生物胁迫反应调控的研究

植物在生长过程中,会遇见各种生物胁迫和非生物胁迫。在植物体内有一套系统的应对机制,通过各种转录因子来发挥作用。本研究介绍的是植物中特有的一个庞大的家族-ERFs,其结构特点是含有58~60个氨基酸组成的结构域。所有的植物中都存在该家族的转录因子。ERFs类转录因子参与脱落酸、茉莉酸,乙烯和水杨酸等信号途径的生物胁迫和非生物胁迫应答,而且是多个信号途径的连接因子。本研究对近年来有关植物中ERFs的结构特点、ERFs因子对生物胁迫应答和非生物胁迫应答反应调控进行了综述。