大豆中花青素生物合成的分子调控

《Journal of Genetics and Genomics》：Molecular regulation of anthocyanin biosynthesis in soybean

　　**摘要**
花青素是一类特化的黄酮类色素，它们不仅参与大豆（Glycine max）种皮、下胚轴、茎和花朵的着色，还发挥着光保护、应对逆境和提升营养价值的作用。尽管花青素的核心生物合成途径在植物中具有广泛的保守性，但最近的研究表明，其积累过程受到黄酮代谢定向、组织特异性转录调控以及环境因素的影响。本文总结了大豆花青素生物合成和调控的最新进展，重点关注代谢定向、组织特异性调控机制、光响应途径以及与花青素相关的MYB转录因子的功能多样化。我们还讨论了与色素稳定性、逆境相关功能、多层次调控网络以及花青素相关性状的精准调控相关的一些未解问题。这些见解为通过分子育种、调控工程和代谢途径优化来提升大豆的质量、营养价值和抗逆性提供了理论基础。

**引言**
大豆（Glycine max）是一种全球重要的豆科作物，为人類提供蛋白质、食用油以及多种有益健康的代谢物（Duan等人，2026年）。除了其营养价值外，大豆在可见色素方面也存在显著的自然变异，包括种皮、种脐、花朵、下胚轴和茎部的着色。这些可见性状长期以来一直被用于大豆遗传学研究，因为它们易于观察，受发育调控，并且常常与驯化、种子品质和消费者偏好相关（Lepiniec等人，2006年；Duan等人，2026年）。特别是，黑色、棕色等深色种皮通常与较高的花青素或原花青素（PAs）及其他黄酮衍生物积累量相关，而黄色种皮则由于黄酮生物合成受到抑制而表现出较低的色素积累（Todd和Vodkin，1993年；Gupta等人，2015年；Gao等人，2021年；Yu等人，2024年；Fan等人，2025年；Suganami等人，2026年）。因此，大豆的色素特性为研究专门化代谢如何产生表型多样性以及如何通过分子育种改善色素相关性状提供了优良的模型。

**花青素的作用**
花青素是一类水溶性黄酮，负责花朵、果实、种子和营养组织的红色、紫色、蓝色和黑色着色（Grotewold，2006年；Petroni和Tonelli，2011年；Grünig等人，2026年）。这些色素通过吸引传粉者和种子传播者、增强光保护作用以及提高对环境压力的耐受性来促进植物的繁殖和适应（Nakabayashi等人，2014年；Naing和Kim，2021年；Shi等人，2022年；Khan等人，2025年）。此外，花青素因其抗氧化活性及其对人类健康的潜在益处而受到广泛关注（Petroni等人，2014年；Santos-Buelga等人，2014年；Mattioli等人，2020年；Sadowska-Bartosz和Bartosz，2024年）。在大豆中，花青素不仅影响种皮和花朵的着色，还影响幼苗组织和幼叶的光诱导着色、光保护作用以及营养价值（Todd和Vodkin，1993年；Gao等人，2021年；Hu等人，2021年；Jia等人，2024年；Niu等人，2025年）。

**花青素生物合成途径**
花青素的核心生物合成途径在植物中普遍保守，位于苯丙烷酸途径下游（Winkel-Shirley，2001年；Tohge等人，2017年；Xing等人，2024年；Gao等人，2025年）。在该途径中，苯丙氨酸通过苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）、肉桂酸4-羟化酶（C4H）和4-香豆酸：CoA连接酶（4CL）转化为对香豆酰-CoA。随后，查尔酮合酶（CHS）和查尔酮异构酶（CHI）启动黄酮类物质的生成。在大豆等豆科植物中，黄酮类物质可通过异黄酮合酶（IFS）转化为异黄酮，该酶利用油菜素和甘草素等底物生成2-羟基异黄酮，进而通过2-羟基异黄酮脱水酶（HID）转化为异黄酮。或者，黄酮类物质可通过黄酮醇3-羟化酶（F3H）以及黄酮醇3′-羟化酶（F3′H）和黄酮醇3′,5′-羟化酶（F3′5′H）的羟基化反应生成不同的二氢黄酮醇。二氢黄酮醇是一个关键分支点：它们既可以通过黄酮醇合酶（FLS）转化为黄酮醇，也可以通过二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）还原为白花青素苷，后者再通过白花青素苷合酶（ANS）、白花青素苷还原酶（LAR）和花青素苷还原酶（ANR）参与花青素和原花青素的生物合成。生物合成后，花青素苷通过UDP-葡萄糖：黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT）进行糖基化修饰，从而转化为更稳定的花青素。花青素还可通过酰基转移酶（ATs）的酰基化作用以及花青素O-甲基转移酶（AOMTs）的甲基化作用进一步稳定。这些修饰后的花青素通过谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）、多药和有毒化合物排泄（MATE）转运蛋白以及ATP结合盒（ABC）转运蛋白被运输到液泡中（Zhao和Dixon，2010年；Liu等人，2021年；Liang等人，2026年）。因此，大豆中花青素的积累不仅取决于晚期生物合成基因（LBGs）的表达（如DFR、ANS和UFGT），还受到前体供应、竞争性分支反应、色素修饰、转运、液泡储存和降解过程的影响（图1）。在调控层面，尤其是拟南芥（Arabidopsis thaliana）和矮牵牛（Petunia hybrida）的研究确立了控制花青素生物合成的MYB–基本螺旋-环-螺旋–WD40（MYB–bHLH–WD40，MBW）框架（Quattrocchio等人，1999年；Albert等人，2014年；Tohge等人，2017年；LaFountain和Yuan，2021年；Xing等人，2024年）。在这些体系中，R2R3-MYB激活因子与bHLH和WD40蛋白相互作用形成MBW复合体以激活LBGs，而MYB抑制因子则通过干扰MBW组装或靶基因调控来减弱途径活性（Borevitz等人，2000年；Dubos等人，2008年；Gonzalez等人，2008年；Matsui等人，2008年；Albert等人，2011年，2014年；Wang等人，2020年；Xing等人，2024年；Liang等人，2026年）。这些保守的调控原理为理解大豆中花青素生物合成的分子调控提供了理论基础；然而，大豆特有的调控机制仍需进一步研究。

**大豆中的特殊调控机制**
大豆作为一种古多倍体物种，保留了大量的基因重复，为调控分歧、亚功能化以及组织特异性的色素生成机制的演化提供了遗传基础。最新研究表明，大豆并不依赖于单一的通用花青素调控因子，而是在不同的器官和发育阶段采用不同的以MYB为中心的调控模块，包括种皮、花朵、幼苗、下胚轴、茎和幼叶（Gao等人，2021年，2024年；Hu等人，2021年；Jia等人，2024年；Jiao等人，2024年；Ma等人，2024年；Niu等人，2025年；Shan等人，2026年）。除了发育调控外，花青素的积累还受到环境信号的影响，尤其是光照（Niu等人，2025年；Shan等人，2026年）。本文总结了大豆花青素生物合成和调控的最新进展，重点关注黄酮分支的分配、组织特异性调控机制、光响应性着色以及与花青素相关的MYB转录因子的功能多样化，并探讨了与色素稳定性、逆境相关功能、多层次调控网络以及大豆性状精准调控相关的问题。外源性钙在蓝光下可以增强花青素的积累，而钙通道或磷脂酶C相关抑制剂则会抑制这种反应（Hu等人，2021年）。钙荧光的变化、肌醇1,4,5-三磷酸（IP3）水平的改变以及钙调蛋白含量的变化进一步支持了这样的观点：来自质外体和细胞内储存的钙在蓝光响应中起到了关键作用。这些研究共同表明，大豆下胚轴和幼嫩组织中花青素的积累是通过一个多层次的调控机制来组织的（图3）。在上游，GmCRY1a/2a、GmCOP1a/b和GmSTF1/2形成了一个对蓝光有响应的调控模块，其中GmCRY1a/2a促进GmSTF1/2的活性，而GmCOP1a/b则负调控GmSTF1/2的活性和蛋白质稳定性（Lin等人，2026年）。该模块使GmSTF1/2成为大豆蓝光信号传导的关键转录效应因子。

作为一种古多倍体作物，大豆保留了大量的重复基因，并且存在广泛的结构和调控变异，这为表达差异、功能特化和性状多样化提供了机会（Liu等人，2020年；Jiao等人，2024年）。与花青素相关的MYB调控因子就是这一过程的明显例证。系统发育和转录组分析发现了多种与花青素相关的MYB激活因子和抑制因子，表明大豆...

研究大豆花青素的进展已经超越了传统的色素遗传学范畴，现在提供了一个框架，有助于理解保守的黄酮类生物合成途径如何通过代谢分馏、组织特异性调控模块、环境信号以及重复的MYB转录因子而发生多样化。现有证据表明，种皮颜色、花色素沉着、光照诱导的胚轴着色以及幼嫩组织的色素沉着都是一个共同的花青素生成过程的下游结果。

稳定的可见色素沉着不仅依赖于花青素生物合成基因的激活，还依赖于下游的修饰、运输、隔离和化学稳定过程。与花青素途径中的核心结构基因相比，参与花青素糖基化、酰基化、甲基化、运输、液泡隔离和色素稳定性的大豆基因及其机制仍然了解得较少。其他大豆黄酮类途径的研究提供了有用的参考。

花青素对大豆 stress 适应的贡献是一个重要但尚未完全解决的问题。花青素广泛被认为与光保护、抗氧化能力和环境响应有关；然而，花青素的积累是否直接增强了大豆的耐逆性，或者主要反映了更广泛的 stress 诱导的黄酮类重组，目前尚不清楚。关于大豆黄酮类的研究提供了重要的概念基础。

未来的研究应该超越单一调控因子的范畴，致力于解析整合转录调控、信号输入和代谢控制的多层次调控网络。目前的大豆研究主要关注以MBW为中心的模块以及与组织或环境响应性花青素积累相关的BBX、STF和R3-MYB调控因子。然而，这些转录模块如何与上游信号通路以及表观遗传调控协调起来，还有待进一步研究。

花青素的改良不应该仅仅依赖于整个途径的持续激活，因为大豆黄酮类代谢涉及广泛的分支竞争和组织特异性调控。一种针对大豆的精准改良策略应该整合基因发现、功能验证、调控优化和多性状评估等方面。多组学、自然变异、全基因组关联研究（GWAS）、数量性状位点（QTL）定位以及基因调控...

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