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园艺植物中类胡萝卜素合成与调控的研究进展汇总

花匠小妙招
2024-08-27 04:30

1、园艺学报，2015, 42 (9): 1633- 1648.1633acta horticulturae sinicadoi: 10.16420/j.issn.0513-353x.2014-0918; http:www. ahs. ac. cn园艺植物中类胡萝卜素合成与调控的研究进展高慧君，明家琪，张雅娟，徐娟收稿日期：2014-11-18;修回日期：2015- 08- 21基金项目：国家自然科学基金项目(31071762);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(ncet-13-0810) 通信作者 author for correspondence ( e-mail ： xujuanmail.

2、) 致谢：感谢 cecilia hong deng (the new zealand institute for plant & food research limited )在本文英文摘要修改校正时提出宝贵意见。(华中农业大学园艺林学学院，园艺植物生物学教育部重点实验室，武汉 430070 )摘要：园艺植物富含类胡萝卜素，提高类胡萝卜素含量是园艺作物育种目标之一。概述了近年来在高等植物中类胡萝卜素的合成、氧化裂解和其它衍生代谢途径的研究进展，并在结构基因调控、转录因子调控、转录后调控和库源调控等多个层面上阐述了类胡萝卜素生物合成调控机制。其中，调控类胡萝卜素合成

3、的转录因子已经成为近年来研究的热点，主要分为直接调控类胡萝卜素合成和影响果实成熟进而间接调控类胡萝卜素合成两大类。随着研究的不断深入，新转录因子、新基因和新调控方式正不断被挖掘。关键词：园艺作物；类胡萝卜素合成；调控；转录因子中图分类号：s 66文献标志码：a文章编号：0513-353x (2015) 09-1633-16regulation of carotenoids biosynthesis in horticultural crops一一*gao hui-jun , ming jia-qi , zhang ya-juan , and xu juan(key laboratory o

4、f horticultural plant biology ( ministry of education ) , college of horticulture & forestry sciences , huazhong agricultural university , wuhan 430070, china)abstract : carotenoids are the most prevalent natural products. horticultural crops are principal dietary sources of carotenoids , thus, the

5、innovation of new germplasm packed with carotenoids becomes one of the long term focus for breeding goals. in this review , recent progress on precursor , linear carotenoids, cyclic carotenoids biosynthesis and other metabolism pathways were reviewed. furthermore , the modulations of carotenoid prod

6、uction were divided into three levels : the direct regulation on structural genes in the biosynthetic pathway ; the regulation through effects of transcription factors ; the post- transcriptional control and the source-sink regulation. the transcription factors that directly involved in carotenoid b

7、iosynthesis and ripening process related but indirectly altered carotenoids profiles were also reviewed. it is believed that more new genes , transcription factors or modulations was to be discovered in the near future.key words : horticultural crop ; carotenoid biosynthesis ; regulation ; transcrip

8、tion factors1园艺植物中主要的类胡萝卜素类胡萝卜素是由异戊二烯骨架构成的c40或c30菇类化合物，是一类重要的天然色素的总称，高慧君，明家琪，张雅娟，徐娟.园艺植物中类胡萝卜素合成与调控的研究进展园艺学报,2015, 42 (9): 1633 1648.16351634在自然界中广泛存在。在少数细菌中还存在c45和c50的类胡萝卜素(walter & strack , 2011)。自从19世纪初分离出胡萝卜素，迄今已发现近800种天然类胡萝卜素(johnson, 2009)。由于其分子中普遍存在共轲双键结构，因此在可见光下呈红色、橙色或黄色( hirschberg , 2001

9、)。在高等植物中，类胡萝卜素在光合作用中作为天线色素并将捕获的光能传递给叶绿素(pol i vka & frank 2004),同时具有光保护和清除自由基的作用(dallosto et al. , 2007; pol i vka & frank 2010)。它们主要存在于植物叶、花、果实和根等器官中，具有吸引昆虫、鸟类传播花粉和种子的作用，兼具观赏和经济价值(cazzonelli & pogson , 2010)。类胡萝卜素代谢途径在植物体内相对保守，然而不同物种间的类胡萝卜素积累具有鲜明的特异性。例如在园艺植物中，胡萝卜积累 3-胡萝卜素和叶黄素；番茄积累番茄红素和3-胡萝卜素；红辣椒

10、中主要积累辣椒红素；温州蜜柑果肉中富集3-隐黄质，红肉脐橙果肉中积累了大量的番茄红素和3-胡萝卜素；粉红肉西瓜以积累顺式-番茄红素、反式番茄红素、八氢番茄红素及3-胡萝卜素为主，黄肉西瓜含少量的广胡萝卜素，橙肉西瓜则富含3-胡萝卜素、八氢番茄红素和六氢番茄红素(liu et al., 2012)。类胡萝卜素的这种保守性和多样性共存的特征，反映了植物类胡萝卜素代谢合成调控的复杂性。同时，园艺作物成熟常常伴随着类胡萝卜素的偏好性积累，例如柑橘叶片中的类胡萝卜素含量(干质量)甚至高于果实的外果皮层中的含量，红肉脐橙叶片中番茄红素极低，只检测到八氢番茄红素的存在，而行使光合作用和光保护功能的3-

11、胡萝卜素和叶黄素含量较高，与果肉中八氢番茄红素、番茄红素和3-胡萝卜素大量积累的状态大不相同(xu et al., 2011),表现出明显的组织特异性。因此，园艺植物中类胡萝卜素积累的多样性为研究类胡萝卜素的合成代谢提供了理想的材料，而园艺植物中类胡萝卜素的研究也将为高品质育种提供新的信息和线索。2园艺植物中类胡萝卜素代谢途径研究进展2.1 前体合成在高等植物中，类胡萝卜素的合成主要是在质体中完成。类胡萝卜素生物合成的前体物质是异戊二烯焦磷酸(ipp), ipp通过质体中的2-c-甲基-d-赤群醇-4-磷酸(mep)途径合成。整个mep途径包含7个生物合成步骤：1-脱氧-d-木酮糖-5-

12、磷酸还原异构酶(dxs)是mep 途径中第一个催化酶，也是关键限速酶，最先从拟南芥cla1-1突变体中分离得到。该突变体不能积累叶绿素和类胡萝卜素表现出白化特征，说明 dxs与类胡萝卜素等菇类代谢密切相关( est e vez et al., 2001 )。超量表达 dxs2能有效促进类胡萝卜素和异戊二烯的积累，进一步验证了dxs的功能(ohmiya et al. , 2006; paetzold et al., 2010)。mep途径中的第二步由1-脱氧-d-木酮糖-5-磷酸合成酶(dxr)催化完成。dxr特异性抑制剂可完全抑制番茄幼苗的发育，但不影响果实的成熟( rodr 1 guez-

13、concepci o n et al2001 )。 2-c-甲基-d-赤群糖醇-4-磷酸胞甘酰转移酶(mct)、4- (5-二磷酸胞昔)-2- c-甲基- d -赤群糖醇激酶(cmk )、2-c -甲基-d -赤群糖醇2,4 -环二磷酸合成酶(mds )和羟甲基丁烯基-4-磷酸合成酶(hds)共同催化 mep生成羟甲基丁烯基-4-磷酸(hmbpp)。羟甲基丁烯基-4-磷酸还原酶(hdr)是mep途径中最后一个酶，它能催化ipp和dmapp的合成，而两者能在异戊烯基二磷酸异构酶(idi )的作用下相互转换(tritsch et al., 2010)。对拟南芥clb6突变体 mep途径中所有基

14、因转录和蛋白表达水平进行分析比较，显示 mep途径中存在转录后的反馈调控机制(guevara-garc i a et aj.2005)。最后,在ipp异构酶(ipi)和拢牛儿拢牛儿基焦磷酸合酶(ggpps) 的作用下，二甲基丙烯焦磷酸(dmapp)与3分子ipp缩合成c20的拢牛儿拢牛儿基焦磷酸 (ggpp)。ipp作为重要的菇类物质合成前体，人们对园艺作物中的 mep途径研究的越来越多。对长春花施用dxs和dxr的酶抑制剂，结果表明dxr的蛋白稳定性可以通过底物结合而被影响(han et al.,2013)。最近一个有意思的报道表明前体物质可以在胞质和质体间转运，番茄果实胞质内单菇类化合

15、物的生物合成是需要质体中合成的gpp为底物(gutensohn et al., 2013)。通过比较基因组学分析表明，红肉西瓜、番茄成熟过程中，多个编码 mep途径上的基因在西瓜果肉呈粉红色前都上调表达 (grassi et al., 2013; smita et al. , 2013; perez-fons et al., 2014)。2.2 直链态类胡萝卜素合成ggpp是类胡萝卜素生物合成的直接前体，类胡萝卜素的合成起始于两分子的ggpp在八氢番茄红素合成酶(psy)的作用下缩合产生无色的八氢番茄红素。psy是决定植物组织中类胡萝卜素积累总量的核心酶，也是至今研究最为深入的类胡萝卜素代谢酶

16、( burkhardt et al. , 1997)。通常在植物中有多个psy基因，例如在烟草中含有两个psy基因；水稻、玉米、番茄和木薯中各有3个；在拟南芥只发现 1个，而柑橘中存在 3个(ruiz-sola & rodr f guez-concepci q 2012)。在植物体中，八氢番茄红素经过八氢番茄红素脱氢酶(pds)、l胡萝卜素异构酶(z-iso)、l胡萝卜素脱氢酶(zds)和胡萝卜素异构酶(crtiso)的共同作用下生成粉红色的全反式番茄红素。pds和zds的脱氢催化反应需要质体醍或者质体末端酶( ptox)作为电子传递的辅助因子 (josse et al., 2000)。自

17、然界中的类胡萝卜素主要以反式结构存在，所以异构化作用是自然条件下类胡萝卜素合成的重要环节。crtiso和z-iso是催化顺式结构类胡萝卜素向反式结构转化的关键异构酶。crtiso催化的异构反应需要黄素腺喋吟二核甘酸( fad)作为辅助因子参与(yu et al., 2011),并且该基因的表达受组蛋白甲基化酶sdg8的调控(cazzonelli et al. , 2009)。除了使用传统的遗传转化技术， fantini等(2013)使用病毒诱导基因沉默技术( vigs)证实了其信号限制沉默的果实和突变体有相似的表型，另外基因沉默果实在不同的代谢步骤可分为3个功能单元，包括psy1, pds

18、和ziso, zds和crtiso,分别负责15顺式番茄红素,9,9-顺式- 胡萝卜素和全反式番茄红素的合成。gady等(2012)使用定向诱导基因组局部突变技术(tilling )获彳导psy1等位基因突变体番茄，证实了 psy1是果实成熟过程中唯一将底物转化为类胡萝卜素的基因。并且，基因表达分析显示，在低含量的类胡萝卜素果实中，类胡萝卜素合成相关基因的表达水平不受反馈调节。2.3 环氧化分支番茄红素环化是类胡萝卜素代谢中的一个主要分支点，植物中存在两种番茄红素环化酶(lcyb和lcye),相应地，直链态番茄红素下游产物也出现两个分支。lcyb能对称地催化番茄红素的两端各生成1个3环。只

19、有一端被环化时，生成胡萝卜素，另一端进一步被环化后则生成3-胡萝卜素。大多情况下，lcye仅能催化番茄红素的一端生成e环，即 v胡萝卜素，另一端再由lcyb进一步催化生成胡萝卜素。氨基酸序列分析表明拟南芥中的lcyb和lcye同源性为36%,可能有共同的起源(cunningham et al. , 1996)。两种环化酶的反应均需要还原型 fad的参与(yu et al., 2010)。lcye的表达水平在一定程度上决定了3-和两个分支之间类胡萝卜素的比例(pogson &rissler, 2000)。而在某些特殊突变体中， lcye具有更强的催化番茄红素生成e环的活性。如cunningha

20、m 和 gantt (2001)在所苣(lactuca sativa var. romaine)中检测到含有两个e-环的离苣1636黄素(lactucaxanthin ),证实其源于lcye上的单氨基酸突变从而具备了催化形成两个-环的活性；而玉米lcyb突变体胚乳中产生了大量稀有的类胡萝卜素，如胡萝卜素和葛苣黄素等，均是番茄红素的两端e环化产物(bai et al., 2009),也是源于lcye活性的增强。在“分支中，类胡萝卜素的合成及产物相对简单。厂胡萝卜素在广胡萝卜素羟化酶(bch)和环羟化酶(ech)的共同作用下合成叶黄素( tian et al., 2004)。bch和ech分别属

21、于两类不同的类胡萝卜素羟化酶一一非血红素铁加氧酶类羟化酶和细胞色素p450加氧酶。拟南芥中有两个bch基因，其基因序列很相似，编码的蛋白质有近70%同源(moehs et al. , 2001 ; tian et al.,2004)。柑橘中也有两个 bch基因(genbank af296158和af315289 ),它们只在开放阅读框(orf)中存在6个核甘酸的差异(kim et al. , 2001)。对多种生物的研究表明，bch的表达调控主要在转录水平上完成，该基因的表达可能受到光敏色素系统、aba 和可溶性糖含量的调控( woitsch &r?mer, 2003; zhou et al

22、. , 2011)。ech以多基因形式存在，tian等(2003)通过图位克隆的方法从拟南芥lut1突变体中分离得到 ech序列。有意思的是，在 2006年从拟南芥中分离得到了第4个羟化酶基因cyp97a3,它对胡萝卜素上的3环具有较高的生物活性，而对胡萝卜素上的3环催化活性较低。由此推测，植物体内生成叶黄素的最佳途径是先由cyp97a3催化a-胡萝卜素中的 3环，再由 ech 催化 a环得到(kim & dellapenna , 2006)。在3分支中，类胡萝卜素的合成与分解则较为复杂。广胡萝卜素经过一次bch羟基化反应生成广隐黄质，3-隐黄质再经羟基化生成玉米黄质。玉米黄质环氧酶( ze

23、p)催化玉米黄质转化成花药黄质，进而生成紫黄质。目前已经从烟草( marin et al. , 1996)、拟南芥(merlot et al. , 2002)、番茄(burbidge et al. , 1997)、辣椒(bouvier et al. , 1996)和柑橘(kato et al., 2004)等多种作物中克隆得到zep基因。zep编码的蛋白序列包含adp和fad的结合域，并需要 fad作为辅助因子(bu ch et al., 1995; marin et al. , 1996)。在强光下，紫黄质可在堇菜黄质脱环氧酶( vde )作用下重新生成玉米黄质，这种可逆反应能对植物

24、起到良好的光保护作用，并被称为叶黄素循环(xanthophyll cycle )。紫黄质在新黄质合成酶(nsy)的催化作用下生成新黄质，它被认为是aba的合成前体，也是 3支路上的最后一个产物(fraser & bramley , 2004; dellapenna & pogson , 2006; cazzonelli et al.,2009)。nsy与lcyb的基因序列有很高的同源性，随后在番茄nsy突变体中发现，该基因可影响番茄红素向 3-胡萝卜素的转变，表明nsy和lcyb可能是同工酶(bouvier et al. ,2000; ronen et al.,2000)。辣椒果实中存在一种辣

25、椒红素合成酶(ccs),可以催化花药黄质转化为辣椒红素，然后在zep的作用下转变为辣椒红素-5,6-环氧化物，再在 ccs催化下生成辣椒玉红素。堇菜黄质也可以在ccs的催化下直接转化为辣椒玉红素( hugueney et al., 1995)。辣椒中ccs与番茄中的 cyc-b的蛋白同源性较高(ronen et al. , 2000),且与柑橘中质体特异的3环化酶(cs3-lcy2 )的氨基酸序列同源性达70% (alquezar et al, 2009)。guzman等(2010)发现橙肉辣椒品种中失去活性的ccs可能阻断了辣椒红素的合成。2.4 酮式类胡萝卜的合成及类胡萝卜素的降解2.4

26、.1 酮式类胡萝卜素的生物合成酮式类胡萝卜素是一种非维生素a源的类胡萝卜素，在动物体内不能转变为维生素a,但它却是一种断链抗氧化剂，有极强的抗氧化能力，在食品添加剂、水产养殖、化妆品、保健品和医药工业方面有广阔的应用前景。酮式类胡萝卜素(ketocarotenoid )比较特殊，极少在植物体中合成 (zhonggao hui-jun , ming jia-qi , zhang ya-juan, xu juan.regulation of carotenoids biosynthesis in horticultural crops.1638acta horticulturae sinica,

27、 2015, 42 (9) : 1633- 1648.et al. , 2011),目前在园艺作物中也未有报道。在自然状态下，角黄质( canthaxanthin)、虾青素 (astaxanthin )等酮式类胡萝卜素在植物中检测不到。在微生物中它们的生物合成可分为两个步骤：第一步是 3-胡萝卜素的合成。除了作用的酶有所不同，此阶段与高等植物的类胡萝卜生物合成途径的相应阶段类似；第二步是由广胡萝i素在 c-3和c-3位羟基化形成中间产物3-隐黄质和玉米黄质(图1),再在c-4位氧化形成中间产物金盏花黄质( adonixanthin ),进一步氧化后形成虾青素。3-胡萝卜素也可以先在c-4,

28、 c4氧化形成中间产物海胆酮(echinenone)和角黄质，再经多次羟基化形成虾青素( gerjets et al., 2007; zhong et al., 2011; huang et al., 2013)。3-胡萝卜素酮基化酶(carotene ketolase, bkt ,藻类中为 crto ,细菌中为 crtw)是虾青素合成过程中的关键酶，能分别以广胡萝卜素和玉米黄素为底物，最终催化合成虾青素、金盏花红素(adonirubin )等稀有酮式类胡萝卜素。近年来，zhong等(2011)发现单独将 bkt基因转化入植物中时，虾青素的产量并不高。而且当转化的bkt基因来源于不同的藻类时，

29、拟南芥转化植株中的虾青素含量差异很大。huang等(2013)在番茄中共表达来自莱茵衣藻(chlamydomonas reinhardtii )的和来自雨生红球藻( haematococcus pluvialis )的 bhy ( carotene hydroxylase )基因，则成功获得了番茄的虾青素高产植株，说明这两种酶在酮式类胡萝卜素合成中的互补作用。作者曾将雨生红球藻中的bkt基因转化入red marsh葡萄柚的愈伤组织中，证实其产生了对照中所没有的酮式类胡萝卜素，但产量很低(数据未发表)。加胡产卜索bkbkteqlimt:nonc角黄jcunthnxanthinehyhi1y

30、bkt整据海胆阐&a呼基海胆用rrt- 3j-uh-xhiiiunune7 -t if i-4iclsincrtiortk；金务徒红素ackminibinbhyri iybl iybkt金急花黄旗adonixanthinijki虾黄廉jwaxelnlhinzep de筏的戢质bkt.an i h crax a ii th 1714-第基一花药黄岐4-kctoanlhcrannthiiizep vpff鬻黄质violas ftnthinnsy新黄啦ncwsanthinnced脱落限abscisic jicid图1可能的酮式类胡萝卜素生物合成途径(修改自zhong et al., 2011； hu

31、ang et al., 2013)bkt :胡萝卜素酮化酶；bhy :胡萝卜素羟化酶；nced : 9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶； nsy :新黄质合成酶；vde:紫黄质脱氧环氧酶；zep:玉米黄质环氧酶。fig. 1 possible biosynthetic pathway of ketocarotenoids (modified from zhong et al. , 2011； huang et al., 2013)bkt ：止carotene ketolase； bhy： carotene hydroxylase ； nced： 9-cis-epoxycarotenoid di

32、oxygenase； nsy ： neoxanthin synthase；vde ： violaxanthin de-epoxidase； zep ： zeaxanthin epoxidase.2.4.2 ccd 及nced在类胡萝卜素降解中的作用在植物体中有两条主要的类胡萝卜素裂解途径，分别通过类胡萝卜素双加氧酶(ccd)和9 -顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶( nced)作用完成(ruiz-sola & rodr 1 guez-concepci ,o 2012) o类胡萝卜素裂解双加氧酶(ccd)是古老的小基因家族，其中拟南芥包含 9个ccds同源基因，它能在特定的位点裂解氧化类胡萝卜素而形

33、成多种辅基类胡萝卜素。拟南芥ccd1缺陷型突变体的种子中类胡萝卜素含量增加，说明ccd1具有催化类胡萝卜素裂解的作用( schwartz et al., 2001 )。桃ccd4功能的缺失突变体果实成熟后期果肉中3-胡萝卜素含量发生变化，果肉颜色变黄，说明ccd4与桃果肉中类胡萝卜素降解有关( ma et al. , 2014)。ccds的催化底物丰富，包括直链类胡萝卜素、环化类胡萝卜素和氧化类胡萝卜素等( vallabhaneni et al. , 2010)。其产物主要是芳香类物质、藏花素、胭脂树橙、独脚金内酯和 carlactone,其中独脚金内酯和 carlactone是植物激素，

34、功能类似。独角金内酯主要是由 ccd7和ccd8催化形成的脱辅基类胡萝卜素( apocarotenoid),通过抑制地上部分分枝影响植株形态( umehara et al., 2008)。ccd7和ccd8均定位于质体，ccd7剪切类胡萝卜素的 c9-c10位点，产物中的广脱辅基-10-类胡萝卜素作为 ccd8的底物被进一步剪切形成 3-脱辅基-13 -类胡萝卜素，此为独角金内酯的前体( tsuchiya & mccourt , 2009)。试验证明，拟南芥 ccd1能将广阿朴-8-胡萝卜醛裂解生成3-紫罗酮，裂解 3-胡萝卜素生成3-紫罗酮和c17的二醛(schmidt et a

35、l. , 2006)。植物的脱辅基类胡萝卜素参与色素、风味和香气的形成，是番红花(crocus sativus)香气物质的重要组分( walter et al., 2010),相应地，类胡萝卜素的组成对番茄和西瓜脱辅基类胡萝卜素和单据芳香性挥发物的组成有一定的影响(liu et al.,2012)。necds是控制类胡萝卜素向 aba转化的限速酶，它催化紫黄质或新黄质裂解形成aba前体c15黄氧素(nambara & marion-poll , 2005)。nced最早在玉米 vp14突变体中分离得到，该突变体产生的内源 aba含量很低，气孔不能正常关闭，呈现 aba合成缺陷性(schw

36、artz et al. , 1997)。目前在拟南芥中鉴定出 9个nced基因，其中有5个定位在质体中。缺少了 nced基因的番茄突变体not与野生型相比，枝条和根系的生长量显著减少，但是侧根大量发生，叶片生长呈明显的偏上性(thompson et al. , 2004)。nceds作为类胡萝卜素双氧合酶家族中的成员，它催化的氧化裂解反应是aba合成的限速步骤，同时 aba作为一种重要的植物内源激素，不仅促进衰老和脱落，而且对植物胚胎发育、种子休眠、果实成熟、逆境胁迫适应、气孔运动以及基因表达等许多方面具有重要的调节作用。3植物类胡萝卜素的合成调控3.1 生物合成相关基因的调控研究

37、表明，番茄果实发育过程中，1 -脱氧-d-木酮糖-5-磷酸合成酶(dxs)基因表达量与类胡萝卜素含量呈正相关。 dxs过量表达的番茄株系和马铃薯块茎中，八氢番茄红素和广胡萝卜素的含量显著增加( enfissi et al. , 2005; morris et al. , 2006)。八氢番茄红素合成酶(psy)受多种因素的严格调控。psy启动子上存在 atcta顺式作用元件，该元件被认为是光照调控psy表达的重要元件(welsch et al., 2003)。目前众多研究发现，昼夜节律能影响psy和mep途径基因的表达，它们的活性受光敏色素调控(cordoba et al.,2009; fu

38、kushimaet al., 2009)。在光敏色素介导的光形态建成过程中，psy的表达受正调控，红光和远红光均能增强psy的表达，但该诱导在拟南芥phya突变体中并不起作用( welsch et al., 2000, 2008)。除光敏色素外，光也可通过蓝光受体 (phototrophins和crytochrome )诱导玉米叶片中的 zmpsy2的表达(li et al., 2008)。此外，光敏色素作用因子( phytochrome-interacting factor , pif)对psy表达量有直接高慧君，明家琪，张雅娟，徐娟.园艺植物中类胡萝卜素合成与调控的研究进展园艺学报,2

39、015, 42 (9): 1633 1648.1641调控作用(toledo-ortiz et al. , 2010)。通过超量表达 psy,也能成功地在一些的原本少量积累类胡萝卜素的组织或器官中实现类胡萝卜素的富集，比如马铃薯块茎、油菜种子和玉米胚乳等(shewmakeret al., 1999; ducreuxet al., 2005; aluru et al. , 2008)。crtb 编码微生物中 psy 基因, 功能与植物中的 psy类似，由于其活性高，被广泛用于植物类胡萝卜素代谢调控中(张建成等，2010; cao et al., 2012)。八氢番茄红素脱氢酶(pds)基因与p

40、sy一样，其启动子上都含有光调控元件 atcta (welsch et al., 2003),在red marsh葡萄柚的愈伤组织中 pds的活性在光下受到显著地抑制，导致 / 胡萝卜素和总类胡萝卜素含量的显著降低(gao et al., 2011)。在murcott 橘橙的愈伤组织中，胡萝卜素异构酶基因crtiso的表达受光促进达 12倍左右(gao et al., 2011)。在拟南芥中，crtiso缺失突变体表现出转绿延迟伴随叶黄素含量的大幅减少，在番茄和水稻突变体上也有相同的表型(isaacson et al., 2002; park et al., 2002; fang et al.

41、, 2008)。在番茄成熟果实中，超量表达柑橘的番茄红素3-环化酶基因lcyb促进了番茄红素更有效地向3-胡萝卜素转化(zhang et al., 2013)。3-胡萝卜素羟化酶基因bch对强光敏感，它的表达受强光诱导，而紫黄质脱氧环氧酶基因vde则表现相反(rossel et al., 2002)。超量表达bch能改变组织中类胡萝卜素的构成，增加含氧类胡萝卜素的含量，提高植物抗强光的能力。而在强光或黑暗条件下，叶黄素循环能有效地防止光抑制( demmig-adams & adams , 2000)。超量表达类胡萝卜素合成相关基因，能提高类胡萝卜素代谢速率促进类胡萝卜素的积累。同样，抑制类

42、胡萝卜素合成相关基因的表达，能提高上游产物的积累。抑制番茄红素丁环化酶基因lcye的表达，马铃薯块茎中3-胡萝卜素和总类胡萝卜素的含量都显著增加( diretto et al., 2006)。马铃薯块茎中抑制玉米黄质环化酶基因zep的表达，可以提高玉米黄质和总类胡萝卜素的含量(r?mer etal., 2002)。而抑制类胡萝卜素降解相关基因能提高植物体内类胡萝卜素的含量。例如利用rnai技术抑制马铃薯块茎中胡萝卜素裂解双加氧酶基因ccd4的表达，块茎中总类胡萝卜素含量提高了2 5倍(campbellet al., 2010)。在菊花中干涉 ccd4的表达可以使白色花瓣转变成黄色花瓣，从而证

43、实该基因对类胡萝卜的降解作用( ohmiya et al. , 2006)。利用rnai特异性抑制番茄果实中 9 - 顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因nced的表达，可以提高成熟果实中番茄红素和3-胡萝卜素的含量，降低 aba的含量(sun et al., 2012)。此外，类异戊二烯前体的合成受到逆境和非逆境胁迫影响时，植物菌根真菌可通过提高mep、类胡萝卜素合成和裂解相关基因的表达水平，激活 mep途径，从而引起类胡萝卜素及其裂解产物含量的增加(akiyama et al. , 2005)。3.2 转录因子调控目前，关于调控类胡萝卜素合成转录因子报道有限( lu & li , 2008)

44、,但随着研究的深入，越来越成为研究的热点。关于类胡萝卜素转录因子调控在模式植物有很多报道，在园艺植物上相关研究却不是很多。虽然将转录因子应用于类胡萝卜素代谢工程研究实例较少(davuluri et al. , 2005;giuliano et al. , 2008),但前景诱人。因此，借助模式植物中的研究将有利于进一步分析园艺植物中类胡萝卜素调控机制的研究。迄今为止，报道的转录因子中，一些能直接调控类胡萝卜素的积累，而另一些则与果实成熟相关，可能间接引起了类胡萝卜素含量和组成的改变。3.2.1 直接调控类胡萝卜素生物合成的转录因子近期报道的这类转录因子大多能直接调控psy,导致整个代谢

45、路径发生巨大的变化( welsch et al., 2003)。拟南芥中的 pif1 (phytochrome-interaction factors 1 )和 rap2.2 (aptala 2/ethylene1640responsive element binding factor )能分别结合 psy启动子上的两个主要的顺式元件g-box和atcta。除此之外，番茄中的滞绿蛋白slsgr1 (stay-green)能够与slpsy1蛋白互作抑制该酶的活性。pifs是bhlh转录因子家族，为光敏色素互作蛋白，参与了广泛的光调控反应，并在光敏色素介导的光信号网络调控中处于中心地位(cast

46、i110n et al. , 2007)。拟南芥中pif1、pif3、pif4和pif5的四重突变体在黑暗中仍表现出与红光处理野生型相似的表型。而且，突变体中与叶绿素合成和叶绿体形成相关的基因均上调表达(leivar et al. , 2008; shin et al. , 2009),同时psy表达量也大幅上调(rodri guez-villal o n 4 3009)。在pifs单突变体，pif1、pif3双突变体及四重突变体中，黑暗或红光促进了psy表达量和类胡萝卜素含量的显著上升。研究证实，pif1能够与psy启动子上的g-box顺式元件发生作用从而阻碍psy的表达(toledo-

47、ortiz et al. , 2010)。最新研究表明，pif5能正向调控 mep途径，在过量表达的细胞中叶绿素和类胡萝卜素的含量都有所增加。进一步的分析表明，一些类胡萝卜素生物合成也随之上调，可能是ipp的合成增强引起的(kazuto et al. ,2014)。rap2.2转录因子是 ap2的家族成员之一。在含有 t-dna插入rap2.2的拟南芥突变体的根愈伤组织中，发现 rap2.2的表达量低于野生型，同时伴随着 psy和pds表达量显著下调，类胡萝卜素的含量减少了近 30% (welsch et al., 2007)。最近研究表明，番茄中的slsgr1能直接与slpsy1作用进

48、而调控果实成熟时番茄红素和3-胡萝卜素的积累。原核表达试验证明，slsgr1能显著抑制番茄红素的合成。此外，在 slsgr1沉默的转基因番茄中，slsgr1通过与slpsy1的蛋白互作反馈调节slpsy1基因的表达，影响果实成熟早期质体的转换，显著提高转基因果实中番茄红素和3-胡萝卜素含量达 4倍和9倍(luo et al. ,2013)。3.2.2 间接调控类胡萝卜素合成的转录因子果实成熟是一个复杂的过程，伴随着颜色、质地、香气和风味的显著变化(carrari & fernie ,2006),因此，一部分与果实成熟相关的转录因子也会影响果实中类胡萝卜素的积累。rin ( ripening i

49、nhibitor )是 mads-box 转录因子家族成员( vrebalov et al. , 2002)。rin 番茄突变体果实在成熟时仍为绿色，且最后呈现柠檬黄色，没有或只有少量番茄红素的合成(sink et al.,1974)。通过染色质免疫共沉淀试验，发现 rin主要通过结合果实中各主要成熟路径基因的启动子，如乙烯合成、乙烯感应、细胞壁代谢、类胡萝卜素积累及调控其它成熟相关转录因子来发挥作用。在类胡萝卜素合成途径上发现了rin能与psy1启动子结合，且psy1与rin的表达趋势一致(martelet al., 2011),但rin是否真能调控psy1的表达，目前还没有看到相关文献

50、报道。ap2a (apetala2a )转录因子的主要功能是调控番茄的成熟，属于 ap2/erf家族的另一个成员，它的表达具有果实特异性，且与乙烯的生物合成和信号传递相关。在番茄果实成熟过程中，ap2a干涉突变植株果实的八氢番茄红素和番茄红素含量均减少，而3-胡萝卜素的含量增加；同时，pds、bch和crtiso均显著下调表达，但 zep1基因表达上调了 4倍，与此同时，苯丙烷合成、激素合成与响应等途径及果实的软化也受到了影响( karlova et al. , 2011)。sierf6也属于ap2/erf家族成员，lee等(2012)通过关联分析发现 sierf6的表达量与番茄果实中的

51、顺式-番茄红素和3-胡萝卜素的积累呈负相关。通过sierf6沉默转基因植株中发现，总类胡萝卜素及乙烯含量均显著上升，由此推断 sierf6可能作用于在类胡萝卜素合成路径中的上游基因。基因芯片分析则进一步表明sierf6影响dxs表达，说明sierf6可能通过影响 dxs的表达进而调控类胡萝卜素的合成。除此之外，与果实成熟相关且影响类胡萝卜素合成的转录因子还有cnr ( colourless noripening )、tagl1 (tomato agamous-like 1 )、lehb-1 hd zip ( lycopersicon esculentum homeobox 1 )、 nac

52、(nam/ataf1/2/cuc2 )等(manning et al. , 2006; lin et al. , 2008; vrebalov et al. , 2009)。同前面介绍的转录因子一样，它们都能够广泛调控果实成熟的各个方面，并不仅仅调控某一条代谢途径。3.2.3 其它相关的转录因子det1 ( de-etiolated1 )是光形态发生的一个调控基因，是目前首个发现能够同时调控类黄酮及类胡萝卜素生物合成代谢，并对果实产量和品质没有副作用的调控基因。利用果实特异性启动子及rna干涉技术，发现 det1下调表达能显著提高番茄成熟果实中的类胡萝卜素(3-胡萝卜素和番茄红素)和类

53、黄酮含量，且并未对植物正常发育造成不良影响( davuluri et al. , 2005)。未成熟的番茄果实则类似于番茄质体相关突变体hp-2 (high pigment-2 )的表型(davuluri et al. , 2005)。此外，从观赏烟草中克隆得到的金鱼草( antirrhinum majus )同源序列 myb305与其类胡萝卜素的形成有关，野生型的烟草蜜腺中含有大量的3-胡萝卜素，但对该基因进行干涉后发现蜜腺中不再积累3-胡萝卜素(liu et al., 2009),证明了 myb305对类胡萝卜素合成的作用。3.3 转录后调控和库源调控在植物体内，转录后调控机制在类胡萝

54、卜素生物合成过程中也起到重要作用。welsch等(2000)研究发现，在白芥幼苗的白化体中，psy以无活性状态定位于原片层体上，但在光照条件下，psy与内囊体膜相结合，其活性和含量也迅速增加。在水仙有色体中，游离态的psy和pds均没有生物活性，但与膜结合后其活性迅速激活(schledz et al., 1996)。lcyb和lcye的底物偏好性对植物体中环化类胡萝卜素的比例有调控作用，因此类胡萝卜素终产物的反馈抑制作用也是类胡萝卜素合成过程中的一种重要调控方式(cunningham , 2002)。例如，向日葵中八氢番茄红素的积累会导致psy基因表达量的降低(campisi et al.

55、, 2006),柑橘的红肉突变体中也可能存在这种调控机制( liu et al. , 2007)。xu等(2010)利用高通量测序的方法分析了暗柳和红暗柳甜橙花后 170 d 的果实中microrna的差异，结果发现 60个microrna有显著性表达差异，进一步对差异表达的 microrna靶定到的418个基因进行分析，发现这些基因大多参与转录调控、光合作用和蛋白修饰。植物细胞内类胡萝卜素的储存方式和空间分布对类胡萝卜素的合成和积累有着重要的调控作用。类胡萝卜素因其疏水特性，可与质体中脂蛋白复合体结合，形成球形、膜状、晶体和管状等多种特殊结构进行储存(vishnevetsky et a

56、l. , 1999)。通常认为，有色体是植物中类胡萝卜素合成及储存的主要场所。在辣椒果实中富含一种32 kd的原纤维蛋白(fibrillin ),黄瓜花冠中则含有35 kd的有色体特异蛋白质 chrc (chromoplast-specific carotenoid-associated protein ),它们是类胡萝卜素积累在有色体中的重要结构成分( smirra et al. , 1993; derue re et al, 1994)。质体的生物合成为类胡萝卜素提供更大的储存空间，从而影响类胡萝卜素的积累。在高色素突变体番茄hp-2中发现，质体体积和色素含量都显著增加，可见质体发育

57、是类胡萝卜素积累的重要影响因素(kolotilin et al.,2007)。在hp-3番茄突变体中不但检测到zep基因的突变现象，还发现质体体积增大两倍以上，使绿果中的类胡萝卜素和口t绿素含量增加，aba含量减少(galpaz et al., 2007)。花椰菜有色突变体中的or (orange)基因是一个功能获得型基因，为胡萝卜素创造了一个新的贮存库，使该色素大量积累(lu et al., 2006; li & van eck , 2007)。马铃薯or转基因系块茎也因大量积累类胡萝卜素而呈现橙黄色，显微观察也检测到类胡萝卜素晶体的存在(lopez et al., 2008)。galpaz等(2007)从番茄中分离出与质体分裂相关的类微管蛋白基因ftsz和mind ,与野生型相比，突变体中ftsz基因表达量增加了近 60%,导致其质体体积增大和类胡萝卜素含量增加。同样地，万寿菊黄色和橙色花瓣中ftsz的表达量也远远高于其白色花瓣( moehs et al., 2001 )。1642同时，类胡萝卜素在不同质体中的储存和分流也是库源调节的关