红光通过调控花青素合成基因延缓尖尾茉莉花瓣褪色

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Red light delays petal discoloration in Brunfelsia acuminata by regulating anthocyanin biosynthetic genes

　　

摘要

Brunfelsia acuminata (Pohl) Benth. 在花后表现出从紫色到白色的独特花色转变，这与花青素降解密切相关。然而，调节花瓣衰老过程中色素稳定性的光生物学机制仍知之甚少。在本研究中，我们调查了不同光质如何影响离体花瓣和完整植株花朵上的花青素降解、类黄酮和酚类代谢以及关键花青素合成基因的表达。在九种连续光质处理中，红光最有效地延迟了花瓣褪色，而蓝光加速了花青素流失。在荧光、白色、红色和蓝光下的进一步分析证实，红光始终维持较高的花青素水平，而蓝光导致色素水平下降最快。HPLC 分析鉴定出锦葵色素 3-O-葡萄糖苷、翠雀色素 3-O-葡萄糖苷和天竺葵色素 3-O-葡萄糖苷为主要花青素，其中锦葵色素 3-O-葡萄糖苷是在红光下保留的主要色素。对花青素合成途径中关键结构基因的实时荧光定量 PCR 分析表明，CHS（查尔酮合酶）、CHI（查尔酮异构酶）、F3'5'H（类黄酮 3'5'-羟化酶）、DFR（二氢黄酮醇 4-还原酶）、ANS（花青素合酶）和UGT（花青素 3-O-葡萄糖苷 2″'-O-木糖基转移酶）在花瓣衰老过程中表达下降，但相对于蓝光和荧光，红光显著维持了 DFR, ANS, 和 UGT 的表达。这些结果表明，红光可能通过光敏色素介导的信号传导，通过维持花青素合成和糖基化能力来延迟花瓣褪色，从而增强色素稳定性，而蓝光可能与隐花色素相关信号传导和更大的光化学胁迫有关，无法维持这些途径，并与加速色素降解相关。本研究为光质调节花青素稳定性提供了机制见解，并确定红光处理是一种保存采后观赏品质的非化学方法。

引言

颜色是观赏作物和果树的关键品质属性，强烈影响消费者偏好和商业价值 [1]。花色和果色主要由类黄酮、类胡萝卜素和甜菜红素的积累决定 [2]，[3]。在这些色素中，花青素是水溶性类黄酮，产生从橙色、红色到紫色和蓝色的广泛颜色 [4]。尽管花青素合成途径已被广泛表征，包括 R2R3-MYB 转录因子在控制色素合成基因中的作用，但关于调节植物中花青素稳定性和降解的因素知之甚少 [5]，[6]。这种知识空白在花朵中尤为重要，因为花瓣颜色在发育和衰老过程中由于花青素合成、修饰、封存和降解之间平衡的转变而迅速变化。

Brunfelsia acuminata (Pohl) Benth. 是一种迷人的开花灌木，广泛用于景观，通常作为盆栽观赏植物种植。该物种的一个显著特征是其戏剧性的花色转变，在花后三至五天内从紫色变为淡紫色，最后变为白色。因为单个植株通常同时开有所有三种颜色的花，该物种通常被称为“昨日黄花” [7]，[8]。这种从紫色到白色的转变主要归因于花青素的快速降解 [9]。在 Brunfelsia calycina 中，BcPrx01，一种碱性液泡 III 类过氧化物酶，已被确定为花青素分解代谢的主要介导者 [5]，[10]，[11]。然而，在 B. acuminata 中，花瓣褪色期间花青素合成基因的时间表达模式以及调节这些变化的环境信号仍 largely 未知。

环境因素，特别是光和温度，在调节花青素积累和稳定性方面起中心作用 [12]。光照增强了许多园艺作物的花青素产生，包括收获后的葡萄 [13]。对各种水果的遮阴和套袋实验表明，光是通过上调途径基因来激活花青素合成所必需的 [14]，[15]。植物通过专门的感光受体感知不同的光谱，光敏色素主要响应红光和远红光，而隐花色素和向光素主要响应蓝光和 UV-A 光 [16]。花青素积累通常受 UV、蓝光或远红波长刺激 [17]。因此，包括红、蓝、绿和 UV 在内的不同光谱已被广泛用于改善蔬菜 [18]、观赏植物 [19]，[20]、水果 [13] 和茶叶 [21] 的颜色。然而，大多数先前的研究集中在发育组织中光诱导的花青素积累，而关于特定波长如何调节花朵衰老过程中花青素流失和色素稳定性的知识相对较少。

发光二极管（LED）技术提供精确的光谱控制，并越来越多地用于园艺生产系统 [22]。红光和蓝光的组合通常增强光合色素的吸收并改善作物性能 [23]。蓝光和 UV 光通过 UVR8/CRY-HY5-MBW 信号传导诱导类黄酮合成 [24]。相比之下，红光可能通过刺激无色花青素还原酶（LAR）和花青素还原酶（ANR）的活性来促进原花青素的生产 [15]。绿光可能减轻连续照明的不利影响，并可以抵消蓝光诱导的花青素积累 [17]。尽管众所周知光能促进花青素合成，但其在花青素降解和色素稳定性中的作用远未被理解 [12]。

因此，本研究的基本目的是确定光质如何影响 B. acuminata 花瓣程序性褪色过程中的花青素周转。具体而言，这项工作探讨了单独或组合应用的红、蓝和绿光是否以不同方式影响花瓣褪色速率和关键花青素合成基因的表达。通过比较在定义 LED 光谱和荧光光下的这些反应，我们试图区分光质对花瓣颜色稳定性的影响是否与花朵衰老过程中维持或抑制花青素合成基因表达有关。我们假设红光和蓝光将通过差异化调节花青素合成基因的表达，对花青素周转产生相反的效果。因此，本研究为理解波长特异性光信号如何调节花朵色素稳定性以及衰老花瓣中花青素合成和降解之间的动态平衡提供了分子框架。

章节片段

植物材料

总共有 90 株四年的 Brunfelsia acuminata 植物种植在装有泥炭和松皮基质的花盆中，在遮阴温室中生长。温室的日/夜温度分别维持在 20–25?°C 和 12–15?°C，光周期为 10?h 光/14?h 暗。相对湿度维持在 60–80%，光合光子通量密度（PPFD）为 100?±?0.05?μmol·m^?2·s^?1（图 1），使用照明智能控制系统（福州泰罗生物科技有限公司，福州，

离体花瓣对九种光质处理的反应

光质显著影响离体花瓣中的花青素含量（图 2B, C）。在 24?h 时，暴露于黑暗（An）、红（R）和黄（Y）光下的花瓣花青素浓度显著高于暴露于白（W）、蓝（B）和浅绿（L）光下的花瓣。在绿（G）、粉（P）和靛（I）光下的花青素水平与黑暗、红或黄光下无显著差异。

尽管在 48?h 时花青素含量与在 24?h 时相比 across 显著降低

讨论

本研究表明 B. acuminata 花瓣在四天内从紫色变为淡紫色，然后变为白色。在九种光质处理中，红光（R）最有效地延迟了褪色并维持了花青素含量。含有高比例红光的处理，如黄色（Y; R: G: B?=?8:2:0）、粉色（P; 7:0:3）和浅绿色（L; 5:5:0），也减缓了花青素降解，而蓝光（B）加速了色素流失。类似的反应已经 been

结论

综上所述，本研究的发现支持一个工作模型（图 6），其中红光和蓝光通过不同的感光受体介导途径调节花瓣花青素动态。红光可能通过光敏色素信号传导发挥作用，维持了关键花青素合成和修饰基因的表达，特别是 DFR, ANS, 和 UGT, 从而增强花青素稳定性并延迟花瓣衰老过程中的色素降解。相比之下，蓝光可能由 mediated

CRediT 作者贡献声明

Min Li: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，调查，形式分析，数据整理，概念化。Xiaohua Kui: 写作 – 审阅与编辑，调查，形式分析，数据整理。Biswojit Debnath: 写作 – 审阅与编辑，形式分析，数据整理。Xiaomei Chen: 写作 – 审阅与编辑，调查，形式分析，数据整理。Hongjuan Yang: 写作 – 审阅与编辑，调查，形式分析，数据整理。Jianjun Chen: 写作 –

资助

本工作得到了 国家留学基金委员会（201908350121）、福建农林大学 优秀博士学位论文基金，中国（102/712018011）的支持。

未引用参考文献

[52], [53], [54], [56]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

致谢

我们感谢北京标记生物技术有限公司以及武汉美通生物科技有限公司提供的自编代谢物数据库 MWDB。

Min Li|Xiaohua Kui|Biswojit Debnath|Xiaomei Chen|Hongjuan Yang|Jianjun Chen|Dongliang Qiu

福建农林大学园艺学院，中国福州 350002