克隆花青素代谢与调控的新基因以及它们的作用机理研究

Anthocyanins are a class of water-soluble flavonoid pigments having red to violet depending on the vacuolar pH and various modifications of the core. They function as visual signals to attract pollinators and as filters to absorb UV irradiation. For our human beings, anthocyanins can act as antioxidants and delay senescence. Although the pathway of anthocyanin biosynthesis and transcriptional factors involved in gene expression have been well elucidated, the degradation pathway and regulatory mechanisms underlying intra- and extra-cellular factors regulated anthocyanin biosynthesis remains largely unclear. In this proposal, we will use Arabidopsis as a model system and screen mutants with high levels of anthocyanins by a newly-established high-throughput method from different mutant stocks, and isolate new genes from these mutants. In addition, we will elucidate molecular mechanisms for ANUB1 and EMB1270 to affect anthocyanin metabolism using genetics, biochemical and molecular biological approaches. The results derived from this study will significantly strengthen our understanding of anthocyanin metabolism and its regulatory network, and provide new options to improve crop nutritional quality.

花青素属于苯丙烷类化合物，赋予了植物由红色到紫色的多种颜色，在植物授粉、抵抗紫外伤害等生理过程中起着积极作用，并且对人体来说具有抗氧化、延缓衰老等作用。经过多年的研究，花青素的生物合成途径及其转录调控因子已基本阐明。但是，花青素的降解途径以及花青素积累受到众多细胞内外因子复杂调控的分子机理有待深入研究。本项目利用模式植物拟南芥，通过我们已经建立的高通量突变体筛选方法，从不同类型的突变体库中筛选高积累花青素突变体，并克隆相关基因。同时，本研究将运用遗传学、生物化学和分子生物学等手段解析ANUB1和EMB1270调控花青素合成的分子机理。相关研究结果将完善我们对花青素代谢途径及其调控网络的认识，也为将来运用生物技术改良作物品质与抗性提供更多的选择。

迄今，花青素的生物合成途径及其转录调控过程已基本阐明。然而，花青素生物合成应答各种环境响应的分子机理有待进一步完善。我们利用花青素代谢异常突变体的新筛选方法，得到了3株花青素高积累的突变体。进一步研究显示，这3株突变体中花青素积累的表型并非是由于降解缺陷所致，而是由于蔗糖诱导的花青素过量合成所致。运用TAIL-PCR、图位克隆和遗传互补等实验手段，我们发现CS75072-2中花青素的过量合成是由于At4g01000的功能缺失所致，该基因编码一个在真核生物中保守的泛素类似蛋白silencing defective 2 (SDE2)。SDE2在各个组织中遍在表达，在糖诱导的花青素合成过程中主要在后期表达，因此可能作为否反馈因子参与花青素合成调控。sde2突变体中PAP1和TT8的表达量升高，但他们不与SDE2直接互作。SDE2负调控花青素合成的分子机理有待进一步阐明。该研究成果发表在Science Bulletin上。CS75175-1花青素的积累是由EMB1270 的表达下调所引起，同时该基因还可能通过PAP1参与到低温和强光胁迫诱导的花青素合成中。. 另外，我们阐明了赤霉素重要负调控因子DELLA介导低温、缺磷和缺氮等环境胁迫诱导的花青素合成机理。生理和遗传实验显示MBW复合体参与该过程，复合体任一成员的功能缺失都会抑制赤霉素合成抑制剂多效唑促进的花青素合成。进一步的研究发现负调控因子MYBL2参与DELLA调控的花青素合成。体内外蛋白互作实验结果表明MYBL2与DELLA相互结合；蛋白竞争实验结果也显示DELLA与bHLH能竞争结合MYBL2；启动子活性分析表明DELLA通过与MYBL2结合，解除后者对MBW复合体的抑制，从而促进花青素合成关键基因DFR的表达。同时，我们的研究发现DELLA蛋白还可以通过JAZ来促进花青素的合成。DELLA蛋白通过与茉莉酸信号途径重要抑制因子JAZ蛋白的相互结合，释放了PAP1和TT8转录因子，从而促进了花青素合成关键基因的表达。这些研究结果为我们认识代谢途径协调植物生长与发育的新机制。该研究成果发表在Molecular Plant上，并被评为该杂志2016年最佳十篇论文之一。