乙烯响应因子（ERFs）在植物花青素合成中的调控作用_刘菊.pdf

植物遗传资源学报 2023，24（3）：615-623DOI：10.13430/ki.jpgr.20221024005Journal of Plant Genetic Resources乙烯响应因子（ERFs）在植物花青素合成中的调控作用刘菊，张会灵，张中华，赵亚男，张菊平（河南科技大学园艺与植物保护学院，洛阳 471000）摘要：花青素是一种天然色素，可以作为清除自由基的重要天然抗氧化剂，其富含的多种化合物在医疗保健方面十分重要。花青素影响果蔬成熟、口感、色泽，对植物的非生物和生物胁迫产生保护作用，因此优化花青素含量被视为许多园艺作物的育种目标。本研究阐述了乙烯响应因子（ERFs）作为乙烯信号传递的次级转录因子响应植物激素信号并能产生反馈调节，以多种方式介导了乙烯调控植物花青素生物合成的过程。在作用方式上，ERFs主要通过与转录因子互作、激活转录因子、与MBW形成调控复合物或直接激活结构基因启动子的方式调控植物花青素的生物合成。本研究旨在为后续深入阐明ERF调控不同物种花青素生物合成的机制、探究果蔬成熟后期花青素快速积累与乙烯释放量增加之间存在的联系提供理论依据。关键词：ERF；乙烯；花青素；转录因子The Regulation of Ethylene Responsive Factors（ERFs）in Plant Anthocyanin SynthesisLIU Ju，ZHANG Hui-ling，ZHANG Zhong-hua，ZHAO Ya-nan，ZHANG Ju-ping（College of Horticulture and Plant Protection，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471000）Abstract：Anthocyanins，which are natural pigments and serve as important natural antioxidants scavenging free radicals，are rich in a variety of compounds that are important in health care.Anthocyanins affect the ripening，taste and color of fruits and vegetables，and prevent plants from abiotic and biotic stresses.Therefore，optimizing anthocyanin content is regarded as the breeding goal in many horticultural crops.As the secondary ethylene signaling transcription factors，ethylene response factors（ERFs）respond to plant hormone signaling and can result in feedback regulation，and these genes are known to modulate the process of ethylene regulating anthocyanin biosynthesis via various mechanisms.In terms of the molecular mode，ERFs in regulation of anthocyanin biosynthesis rely on the physical interaction with transcription factors，activating transcription factors，forming regulatory complexes with MBW or directly activating structural gene promoters.This study aims to provide a theoretical basis for further elucidating the mechanism of ERF regulating anthocyanin biosynthesis，and to explore the relationship between the rapid accumulation of anthocyanins and the increase of ethylene release in fruits and vegetables at the late ripening stage.Key words：ERF；ethylene；anthocyanins；transcription factors花青素在人类健康保健以及植物抵抗生物和非生物胁迫方面发挥重要作用1-3。除受外界环境及所需结构基因影响外，一些转录因子在花青素合成过程中发挥着重要的调控作用。乙烯响应因子（ERF，ethylene responsive factor）是 AP2/ERF 超家族的重要成员4，响应激素、胁迫、果实成熟等信号并参与调控花青素合成5-7。本研究综述了ERF在植物花青素合成中的调控作用，重点阐述了ERF介收稿日期：2022-10-24 修回日期：2022-11-11 网络出版日期：2022-11-24URL：https：/doi.org/10.13430/ki.jpgr.20221024005第一作者研究方向为蔬菜分子育种，E-mail：通信作者：张会灵，研究方向为蔬菜分子育种，E-mail：基金项目：河南省高等学校青年骨干教师培养计划（2021GGJS049）；河南省科技攻关项目（232102110195）；河南省高等学校重点科研项目计划（20A210009）Foundation projects：Training Plan for Young Backbone Teachers in Colleges and Universities of Henan Province（2021GGJS049）；Science and Technology Project of Henan Province（232102110195）；Key Scientific Research Projects for Colleges and Universities of Henan Province（20A210009）植物遗传资源学报24 卷导乙烯调控花青素合成。乙烯在果实成熟和色素积累方面发挥非常重要的作用，ERF作为乙烯信号的次级转录因子与其关系密切，不仅响应乙烯信号还能反馈调控植物体内乙烯的产生8。在方式上，ERF 转录因子主要通过促进 MYB 类转录因子转录、与MYB类转录因子互作、与MBW形成转录调控复合物或直接激活结构基因启动子的方式来影响植物花青素的生物合成。1花青素的合成及调控色泽是园艺作物的重要性状，花青素是植物着色的主要色素之一。作为一种水溶性黄酮类色素，花青素广泛分布于植物的花瓣、果实、茎和叶中9。花青素的稳定性受pH等多种因素影响，条件改变容易导致花青素发生构象的变化，产生不同颜色10。花青素是一种天然色素，可以作为清除自由基的重要抗氧化剂，其具有许多与营养和健康相关的功能11-12。作为一类重要的植物次生代谢产物，花青素在植物生长发育和抵抗环境胁迫方面也发挥着重要作用，如抵御UV-B光损伤13、病原体感染3、冷胁迫14和干旱15，另外花青素的积累还有助于果实防御采后绿霉病16。在自然界中发现的550多种花青素中，约90%为6种最常见的花青素：天竺葵色素（Pelargonidin）、矢车菊色素（Cyanidin）、飞燕草色素（Delphinidin）、芍药色素（Peonidin）、矮牵牛色素（Petunidin）和锦葵色素（Malvidin）及其衍生物17。1.1花青素合成途径及调控花青素生物合成途径中，结构基因编码的一系列酶参与花青素的生物合成18。苯丙氨酸（Phenylalanine）依次经过上游结构基因苯丙氨酸解氨酶（PAL，phenylalanine ammonia-lyase）、肉桂酸羟化酶（C4H，cinnamate 4-hydroxylase）、4-香豆酰-CoA连接酶（4CL，4-coumarate CoA ligase）的催化反应生成4-香豆酰 CoA（4-coumaroyl-CoA）。4-香豆酰 CoA在早期生物合成基因（EBGs，early biosynthesis genes）查尔酮合成酶（CHS，chalcone synthase）、查尔酮异构酶（CHI，chalcone isomerase）、黄烷酮-3-羟基化酶（F3H，flavanone 3-hydroxylase）催化下生成二氢黄酮醇（Dihydrokaempferol）。二氢黄酮醇在类黄酮3-羟基化酶（F3H，flavonoid 3-hydroxylase）和类黄酮3，5-羟化酶（F35H，flavonol 35-hydroxylase）的催化作用下分别生成二氢栎皮酮（Dihydroquercetin）和二氢杨梅黄酮（Dihydromyricetin）。二氢黄酮醇、二氢栎皮酮和二氢杨梅黄酮分别在晚期生物合成基因（LBGs，late biosynthesis genes）二氢黄酮醇-4-还原酶（DFR，dihydroflavonol 4-reductase）、花青素合成酶（ANS，anthocyanidin synthase）和类黄酮 3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT，UDP-flavonoid3-O-glucosyltransferase）作用下合成不同的有色花色素苷（图1）。除此之外，分别编码多酚氧化酶（PPO，polyphenol oxidase）、MATE家族的一种二级转运因子、H（+）-ATP酶和谷胱甘肽S-转移酶（GST，glutathione S-transferase）的 4 个结构基因 Transparent Taste 10（tt10）、Transparent Taste 12（tt12）、Transparent Taste 13（tt13）和Transparent Taste 19（tt19）以及修饰基因甲基转移酶（MT，methyltransferase）、O-甲基转移酶（OMT，O-methyltransferase）和花青素转移酶（AT，anthocyanin transferase）也参与花青素的生物合成，这些蛋白质在花青素的修饰、运输和氧化中起着重要作用19-22。这些结构基因主要由MYB家族、bHLH家族和WD40蛋白组成的MBW转录复合物共同调节23。其中MYB中的R2R3-MYB在调控途径中发挥着关键作用，它可以直接调节相关基因的表达并促进花青素积累24-25。如MYB类转录因子MdMYB114可以通过与bHLH3和WD40相互作用促进苹果果实着色26，卵叶牡丹R2R3-MYB转录因子PqMYB113能激活PqDFR和PqANS启动子，正调控拟南芥和烟草中花青苷的积累27。LvMYB5通过激活ANS基因启动子，增强结构基因的表达促进百合中花青素合成28。MYB 转录因子 BrMYBL2.1 通过抑制MYB-bHLH-WD40复合物活性负调控白菜花青素的生物合成29。除了MBW复合物，其他转录因子也影响花青素的生物合成，例如梨中的PyERF3和PyWRKW26，桃 中 的 PpNAC1，以 及 甘 薯 中 的IbNAC56，它们直接或间接地与MBW复合物相互图1花青素生物合成路径图Fig.1Pathway diagram of anthocyanin biosynthesis6163 期刘菊等：乙烯响应因子（ERFs）在植物花青素合成中的调控