《Horticultural Plant Journal》：Molecular Regulatory Mechanisms of Anthocyanin in the Coloration of Plant Leaves and Research Prospects
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本综述系统阐述了花青素在植物叶片呈色中的分子调控网络，重点聚焦于其生物合成、转运、降解及转录因子（如MYB、bHLH）、转录后调控等多层次调控机制，并探讨了环境因子（如光、温度、干旱）通过激素信号通路（如ABA、乙烯）影响花青素积累的分子机理。文章还展望了空间组学、非编码RNA（如miRNA、lncRNA、circRNA）及CRISPR/Cas9基因编辑技术在花色叶植物育种中的应用前景，为相关领域研究提供了重要理论参考。
植物叶片着色中花青素的分子调控机制与研究展望
引言
叶片颜色是植物外部表型的重要特征，其形成与叶绿体超微结构变化、叶绿素合成/降解、类胡萝卜素代谢紊乱以及花青素积累等多种生物过程密切相关。花青素是一类水溶性类黄酮色素，其分子中的共轭苯环和吡喃环特异性吸收蓝绿光并反射红紫光，从而使叶片呈现特有的红紫色。富含花青素的叶色植物不仅具有显著的观赏价值，在制药工业和茶叶加工领域也具有重要的应用价值。此外，花青素作为重要的次生代谢产物，在植物胁迫适应（如盐胁迫、干旱、病原侵染）以及生态功能（如抵御植食者、吸引传粉者）中扮演着关键角色。
花青素积累的机制
花青素生物合成途径
花青素生物合成始于苯丙氨酸代谢，经由苯丙烷途径。苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羟基化酶（C4H）、4-香豆酰辅酶A连接酶（4CL）等核心酶催化苯丙氨酸转化为对香豆酰辅酶A，进而进入类黄酮生物合成途径。查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、黄烷酮3-羟基化酶（F3H）以及羟基化酶（F3′H和F3′5′H）共同建立类黄酮骨架。花青素合成过程包含三个关键分支点：二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）与黄酮醇合成酶（FLS）的竞争性催化决定代谢流向；花青素合成酶（ANS）和无色花青素还原酶（LAR）分别调控无色花青素向花青素或原花青素的转化；糖基化修饰是花青素生物合成的最后步骤，UDP-葡萄糖：类黄酮-3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT）在此过程中起关键作用。
花青素的转运与降解
糖基化后的花青素经酰基转移酶（AT）修饰形成酰化花青素，其向液泡的转运主要依赖于谷胱甘肽S-转移酶（GST），并通过ABC转运蛋白或MATE转运蛋白完成。花青素的降解主要通过酶促反应实现，包括特异性降解酶（如β-葡萄糖苷酶）和非特异性氧化酶（如多酚氧化酶PPO和过氧化物酶POD）。这些酶通过水解糖苷键或氧化反应破坏花青素分子结构，导致褪色。叶片中花青素的净含量取决于合成与降解速率的动态平衡。
花青素代谢的转录调控
MYB转录因子是研究叶片着色调控的核心。例如，在亚洲杂交百合中，LhMYB6调控叶片斑点的色素积累；在乌桕中，SsMYB1与SsbHLH1协同结合SsDFR1和SsANS启动子，增强花青素合成。除MYB家族外，ERF、NAC、HY5等转录因子也通过结合MYB、bHLH启动子或与MYB形成复合物来调控花青素合成途径基因的表达。
MBW复合体参与花青素代谢
MYB-bHLH-WD40（MBW）转录激活复合体是调控花青素合成的核心机制。在葡萄‘中山151’中，VvMYBA6、VvMYBA1与VvMYC1互作显著调控花青素合成；辣椒叶片中，CaMYBA、CaMYC与CaTTG1形成MBW复合体，结合CaANS等结构基因启动子促进其表达。植物通过负反馈机制精细调控MBW复合体的形成与活性，以维持花青素含量的稳态。
转录后及表观遗传调控
目前对叶片花青素积累的转录后调控了解相对有限。选择性剪接可产生MYB和bHLH转录因子的不同异构体，其中一些因结构域缺失而无法参与MBW复合体形成。microRNA（如miR858）、长链非编码RNA（lncRNA）以及DNA甲基化（如ROS1、COP1介导的启动子甲基化修饰）均在花青素合成的转录及转录后水平发挥重要调控作用。例如，在平枝栒子中，ArCOP1通过泛素化降解ArMYB89，从而在黑暗条件下抑制花青素合成。
组学技术在花青素合成机制研究中的应用
转录组与代谢组整合分析
整合转录组学和代谢组学分析有助于鉴定叶片着色中的关键花青素化合物及其生物合成与调控通路中的相关基因。例如，对柞树的多组学研究发现，类黄酮的动态代谢是导致叶片季节性变色的主要原因，并确定MBW转录激活复合体是花青素合成的关键调节因子。在茶树品种‘紫魁’中，通过转录重编程花青素生物合成基因（F3'Hs, ANSs, PPOs）和主效转录调节因子CsMYB90，驱动了叶片紫色着色。
miRNA与转录组整合
结合miRNA测序与转录组测序可探究miRNA对花青素合成相关转录因子的调控机制。例如，在色木槭叶片中，关键miRNA（miR160b, miR6300, miR396g）调控花青素（尤其是矢车菊素-3-O-糖苷）的稳定积累。然而，多数研究仍依赖于生物信息学预测miRNA-靶基因调控关系，缺乏降解组测序的直接验证。
基因组与转录组整合助力基因发现
基因组测序结合转录组分析有助于鉴定与叶片花色相关的关键基因和结构变异。例如，对22个茶树品种的测序表明，遗传结构变异通过影响叶绿素和花青素生物合成改变了茶叶颜色。利用RNA-seq、BSA-seq和BSR-seq技术，研究发现CsMYB75启动子区的181-bp InDel与茶树叶色共分离，并通过VIGS实验证实其正向调控花青素合成。
环境因子与内在因素影响花青素积累的分子机制
内在因素：红绿叶斑的形成
红绿叶斑的形成主要源于红色区域与绿色区域之间花青素生物合成途径及其调控转录因子表达的差异。例如，在莴苣中，RLL2A基因启动子区“AT”重复序列的数量变异以及逆转录转座子插入位点的甲基化水平差异，导致该基因仅在红色斑点区域表达，从而形成斑叶表型。上游转录因子（如MvHY5、MvALOG1、MvTCP5）的梯度表达模式也参与了叶片花青素条纹状分布的发育编程。
环境因素：季节变化
季节更替伴随的光照和温度变化是影响叶片花青素积累的重要环境因子。低温和短日照有利于某些植物（如秋海棠）叶片花青素的积累，而长日照条件则促进其他植物（如紫叶李）的花青素合成。在分子水平上，光信号通路中的关键因子（如COP1、HY5）通过调控MBW复合体稳定性或直接结合MYB、bHLH等基因启动子，介导光温信号对花青素合成的调节。例如，在茶树叶中，CsbZIP1-CsmiR858a-CsMYBL2模块介导UV-B或低温诱导的CsMYB75/CsMYB86激活，进而调控花青素合成。
干旱胁迫
适度干旱胁迫可通过激活ABA信号通路促进叶片花青素积累，增强植物的抗逆性。例如，在木瓜中，CsMYB123与CsbHLH111协同作用，通过精确调控花青素途径关键结构基因（如CsCHI、CsF3H、CsANS）的表达来增强干旱胁迫下的花青素合成。然而，极端干旱条件可能导致花青素合成相关代谢过程被抑制，甚至引发非酶促降解，造成叶片褪色。
土壤pH与氮素营养
土壤pH通过影响根系质膜H+-ATPase活性及液泡pH，间接调控花青素的稳定性和着色。液泡pH直接影响花青素的存在形式（黄烊盐离子、假碱、查尔酮）及其颜色表现。氮素水平与花青素合成密切相关。低氮条件下，碳源被重新分配至包括花青素合成在内的次生代谢途径，导致花青素积累。在苹果中，低氮通过降低生长素水平和MsARF5表达，减轻对花青素生物合成基因MsF3'H的抑制，从而促进花青素合成。
激素信号通路介导环境响应
环境变化通过内源激素及其信号通路影响叶片花青素合成。ABA、乙烯和细胞分裂素通常正向调控花青素合成。例如，强光诱导的ROS应激可触发茶叶ABA生物合成，进而通过上调MYB等转录因子表达促进花青素积累。乙烯则通过ERF转录因子调控MYB和bHLH等关键基因的表达。而生长素则通过平衡植物生长与环境响应，对花青素合成起抑制和调控作用。
叶片颜色与花青素研究的问题与趋势
空间组学在研究叶片特定组织花青素积累中的前景
当前研究多基于叶片混合样本，无法揭示花青素在特定细胞层（如上表皮、栅栏组织）积累的细胞特异性调控网络。空间转录组学和空间表观遗传学技术有望构建“叶片花青素合成的空间细胞图谱”，阐明细胞自主调控、细胞间通讯以及花青素转运与降解的空间控制机制，解答为何花青素在多数植物中特异地分布于特定组织层这一核心科学问题。
miRNA、lncRNA和circRNA在花青素介导叶片着色中的作用
尽管已有研究表明非编码RNA（如lncRNA、miRNA）参与环境因子调控的叶片花青素合成，但其完整的调控网络仍有待解析，尤其是circRNA在叶片花青素积累中的作用尚属空白。未来可利用全转录组测序技术，结合生物信息学预测和实验验证（如双荧光素酶报告基因检测），系统探究这些非编码RNA在叶片着色过程中的功能及其相互作用。
CRISPR/Cas9在选育新型花青素介导叶色品种中的应用前景
CRISPR/Cas9基因编辑技术为花色叶植物育种提供了精准高效的新策略。其应用方向包括：靶向激活因表观遗传沉默（如DNA甲基化）或抑制因子作用而沉默的花青素合成与调控基因；敲除花青素代谢的负调控因子（如抑制型MYB、代谢竞争基因FLS、降解相关基因PPO/POD）；以及通过同源定向修复（HDR）修饰花青素结构修饰基因（如用F3'5'H替代F3'H），创制稀有的蓝色叶片品种。尽管面临一些观赏植物遗传转化体系不成熟的挑战，该技术无疑将显著缩短育种周期，推动叶色改良创新。
结论
花青素在植物叶片着色中扮演着核心角色，其积累受到从生物合成、转运、降解到转录调控、转录后及表观遗传调控的复杂分子网络的精细控制。环境因子通过整合激素信号通路，深刻影响这一调控过程。随着空间组学、非编码RNA研究以及CRISPR/Cas9等前沿技术的深入应用，叶片着色机制的神秘面纱将被进一步揭开，并为花色叶植物的遗传改良和产业化开发奠定坚实的理论基础。
