前言

花青素是植物體內(nèi)一種重要的次生代謝產(chǎn)物，主要積累在植物的花、果實和葉片等組織中，并通過其斑斕的色彩吸引昆蟲等傳粉媒介，幫助植物完成其生命過程。此外，研究表明，長期有規(guī)律的食用富含花青素的食物可以有效預防心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等。

植物組織是否富含花青素是肉眼可見的，因其表型明顯，且遺傳關系簡單，關于花青素的研究也是植物最早研究的性狀之一。通過大量對植物花青素合成調控的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)，不同物種花青素的合成總是受到R2R3-MYB轉錄因子、bHLH轉錄因子以及WD40蛋白的調控，進而將這三個蛋白組成的復合體稱為MBW復合體。其中，R2R3-MYB轉錄因子的表達具有強烈的組織特異性，通常也是植株花青素合成最關鍵的調控因子。

本文以時間線索和基因克隆技術發(fā)展的角度，匯總了部分已發(fā)表的R2R3-MYB基因克隆的文章，并對其基因特性進行了簡單描述。

1986年

1986年，Cone等利用轉座子標簽法克隆了調控玉米籽粒糊粉層顏色的基因ZmColor1, 簡稱ZmC11。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，該基因編碼一個與動物myb具有較高同源性的蛋白，且其表達受到光信號調控。ZmC1是植物中克隆的第一個R2R3-MYB基因，也是第一個被克隆的花青素合成調控因子。

除了玉米外，對于矮牽牛和擬南芥等模式植物的研究也為揭示R2R3-MYB轉錄因子調控花青素合成提供了更多證據(jù)。

1999年

1999年，Quattrocchio等克隆了矮牽?；ò昊ㄇ嗨睾铣傻闹餍д{控位點AN2 (PhAN2)，該基因同樣編碼R2R3-MYB轉錄因子2。2000年，Borevitz等利用激活標簽法，將35S啟動子隨機插入擬南芥基因組中，并通過分離側翼序列克隆了調控擬南芥營養(yǎng)組織花青素積累的MYB轉錄因子AtPAP13。

2000年

2000年，擬南芥基因組測序完成。通過對基因組R2R3-MYB轉錄因子以及已克隆的花青素合成調控基因的系統(tǒng)進化分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，調控植物花青素合成的R2R3-MYB大多屬于MYB基因家族中的第6亞家族。這使得利用同源克隆法分離其他物種花青素合成調控基因成為了主流。

2004年

2004年，Borovsky等克隆了辣椒花青素合成調控基因A5。研究人員首先利用F2分離群體將調控花青素合成的位點定位在第10染色體一個與矮牽牛PhAN2具有共線性的區(qū)間，隨后根據(jù)已克隆的R2R3-MYB基因的保守序列設計簡并引物，并通過簡并PCR及5’RACE和3’RACE技術獲得A?的全長cDNA。表達分析發(fā)現(xiàn)，A?基因不在青椒品種“PI 159234”中表達，但可以在紫色辣椒“5226”的果實花瓣和葉片中表達，而且，A?基因表現(xiàn)出與花青素合成晚期結構基因一致的表達模式。

在隨后的幾年間，研究人員利用簡并PCR及5’RACE和3’RACE技術相繼從蘋果、紫薯、山竹、梨、血橙等物種中克隆了控制花青素合成的關鍵R2R3-MYB轉錄因子，如MdMYB10，IBMYB1，GmMYB10，PyMYB10，Ruby?等。

此后，隨著越來越多的植物基因組序列被公布以及生物信息學的發(fā)展，人們對基因組信息以及基因的預測也越來越準確，這也極大方便了基因定位、克隆以及候選基因預測和基因的功能驗證。

紅色卷心菜是一種可以積累大量花青素的蔬菜，研究表明，其具有極強的抗氧化能力。2009年，Yuan等通過同源克隆法分離了紅色卷心菜中可能調控花青素合成的4個MYB轉錄因子，并進一步通過表達分析發(fā)現(xiàn)，BoMYB2基因的表達模式與卷心菜花青素積累模式一致，說明該基因可能是花青素積累的調控基因6。與此類似，2010年，Chiu等通過圖位克隆及同源克隆法，克隆了調控紫色花椰菜花青素合成的關鍵基因Pr-D(Purple)7。進一步分析發(fā)現(xiàn)，Pr基因啟動子區(qū)一個包含轉座子的大片段插入激活了該基因在紫色花椰菜中的表達，進而誘導了花青素的積累。

隨后，研究人員利用基因組信息在基因組水平上分離AtPAP1、MdMYB10?等的同源基因并結合表達分析、瞬時轉化等克隆了楊梅，甘藍，蘋果，櫻桃，獼猴桃，梨，血橙，番茄和生菜等物種中的花青素合成調控基因，包括MrMYB1，BoPAP1，MdMYB110a，PavMYB10.1，AcMYB75，PyMYB114，Ruby2，SlAN2-like，RLL2?等基因。

此外，RNA-seq等技術的發(fā)展也為分離花青素調控基因提供了一種新的思路。另一方面，通過對有/無花青素的組織或者對處于不同發(fā)育（花青素合成前后）的組織進行轉錄組測序也可以進一步加深對于花青素合成調控的理解。而且，隨著代謝組研究的發(fā)展，轉錄組與代謝組聯(lián)合分析還可以更系統(tǒng)的分析花青素積累對其他代謝產(chǎn)物積累的影響，進而更全面的評估植物的營養(yǎng)價值。

2016年

2016年，Zhou等通過對桃多個組織的轉錄組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)49個在富含花青素的花，葉及果實中大量表達的R2R3-MYB轉錄因子，其中8個基因在花器官中大量表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在8個基因中，PpMYB10.2?和PpMYB9?都可以激活花青素合成結構基因表達，而其他基因則可以抑制桃花器官花青素積累，說明桃花瓣中花青素的積累是多個R2R3-MYB轉錄因子共同調控的結果8。

同年，為進一步研究花青素轉錄合成調控網(wǎng)絡，揭示花青素合成關鍵調控基因。Cho等對3種不同顏色的土豆品種（紅色、深紫色和白色）進行轉錄組和代謝組聯(lián)合分析9。通過對代謝產(chǎn)物和基因表達的相關性分析，作者發(fā)現(xiàn)22種黃酮類物質與119個與類黃酮代謝或激素信號通路相關的基因具有顯著相關性。

2019年

2019年，Jian等發(fā)現(xiàn)過表達SlMYB75?可以顯著誘導花青素在觀賞番茄 “Micro-Tom”果實中的積累，大大增加了其營養(yǎng)價值。此外，代謝組分析發(fā)現(xiàn)，轉基因番茄果實中多酚類物質、類黃酮、可溶性固形物含量以及揮發(fā)性物質也顯著增加。轉錄組分析表明，轉基因番茄中苯丙烷代謝通路和類異戊二烯通路基因的表達也顯著提高，這為代謝產(chǎn)物含量的變化提供了依據(jù)10。

參考文獻：

1. Cone, K. C., Burr, F. A. & Burr, B. Molecular analysis of the maize anthocyanin regulatory locus C1.?Proc Natl Acad Sci U S A?83, 9631-9635, doi:10.1073/pnas.83.24.9631 (1986).

2. Quattrocchio, F. et al. Molecular analysis of the anthocyanin2 gene of petunia and its role in the evolution of flower color.?Plant Cell?11, 1433-1444, doi:10.1105/tpc.11.8.1433 (1999).

3. Borevitz, J. O., Xia, Y., Blount, J., Dixon, R. A. & Lamb, C. Activation tagging identifies a conserved MYB regulator of phenylpropanoid biosynthesis.?Plant Cell?12, 2383-2394, doi:10.1105/tpc.12.12.2383 (2000).

4. Bombarely, A. et al. Insight into the evolution of the Solanaceae from the parental genomes of Petunia hybrida.?Nature plants?2, 16074, doi:10.1038/nplants.2016.74 (2016).

5. Borovsky, Y., Oren-Shamir, M., Ovadia, R., De Jong, W. & Paran, I. The A locus that controls anthocyanin accumulation in pepper encodes a MYB transcription factor homologous to Anthocyanin2 of Petunia.?TAG. Theoretical and applied genetics. Theoretische und angewandte Genetik?109, 23-29, doi:10.1007/s00122-004-1625-9 (2004).

6. Yuan, Y., Chiu, L. W. & Li, L. Transcriptional regulation of anthocyanin biosynthesis in red cabbage.?Planta?230, 1141-1153, doi:10.1007/s00425-009-1013-4 (2009).

7. Chiu, L.?et al. The purple cauliflower arises from activation of a MYB transcription factor.Plant Physiol.?154, 1470-1480 (2010).

8. Zhou, H.?et al. Multiple R2R3-MYB Transcription Factors Involved in the Regulation of Anthocyanin Accumulation in Peach Flower.?Front Plant Sci?7, 1557, doi:10.3389/fpls.2016.01557 (2016).

9.?Cho, K.?et al. Network analysis of the metabolome and transcriptome reveals novel regulation of potato pigmentation.?J Exp Bot?67, 1519-1533, doi:10.1093/jxb/erv549 (2016).

10.?Jian, W.?et al. SlMYB75, an MYB-type transcription factor, promotes anthocyanin accumulation and enhances volatile aroma production in tomato fruits.?Hortic Res?6, 22, doi:10.1038/s41438-018-0098-y (2019).

11.?Sun, C.?et al. A Transcriptional Network Promotes Anthocyanin Biosynthesis in Tomato Flesh.?Mol Plant?13, 42-58, doi:10.1016/j.molp.2019.10.010 (2020).

特邀作者

中科院遺傳發(fā)育所??孫傳龍 博士

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