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果实的色泽是苹果重要的商品性状,它直接影响苹果的商品价值。苹果果实的颜色是由花青苷决定的。花青苷是一类重要的次生代谢物质,参与植物生长发育的许多方面,包括吸引动物取食果实,进而促进种子和花粉的传播,提高植物对紫外线和干旱胁迫的抗性等。此外,富含花青苷的水果因其具有抗氧化和清除活性氧的能力而尤其受到人们的欢迎。花青苷通过苯丙氨酸途径合成,苯丙氨酸解氨酶(Phenylalnine ammonialyase,PAL)、查尔酮合成酶(Chalcone synthase,CHS)、查尔酮异构酶(Chalcone isomerase,CHI)、黄烷酮3-羟化酶(Flavanone 3-hydroxylase,F3H)、二氢黄酮醇4-还原酶(Dihydroflavonol 4-reductase,DFR)、花青苷合成酶(Anthocyanin synthetase,ANS)、UDP-glucose:黄酮类 3-O-葡糖基转移酶(UDP-glucose:flavonoid 3-o-glucosyl transferase,UF3GT)等几个关键的催化酶参与这一过程。证据表明,花青苷的生物合成受到MYB-bHLH-WD40蛋白复合物的转录调控。特别是MYB转录因子在调控花青苷生物合成过程中发挥至关重要的作用。在苹果中,MdMYB1和它的等位基因(MdMYB10和MdMYBA)被认为是花青苷生物合成的正调控因子,它们通过直接激活MdDFR和MdUF3GT基因的表达促进花青苷的生物合成。此外,bZIP转录因子MdHY5也被鉴定为花青苷生物合成的正调控因子,它通过激活MdMYB10和MdCHS基因的表达促进花青苷生物合成。花青苷的生物合成受到激素和环境胁迫的影响,如乙烯、脱落酸(ABA)、光照强度、UV-B紫外线、低温、干旱胁迫、机械损伤等。然而,对于激素和环境胁迫调控花青苷生物合成的分子机制尚不清楚和不系统。为了系统性研究激素和环境胁迫调控花青苷生物合成的分子机制,本研究以苹果为试材,探索了乙烯、ABA、光照强度、UV-B、低温、干旱胁迫和机械损伤调控花青苷生物合成的分子机制,主要结果如下:1、乙烯利处理促进苹果果实花青苷生物合成。乙烯利处理诱导乙烯响应基因MdEIL1的表达,MdEIL1通过直接激活MdMYB1基因的表达,促进花青苷生物合成。红肉苹果果实中乙烯释放速率高于非红肉苹果果实。进一步研究表明,MdMYB1通过直接激活乙烯响应基因MdERF3的表达,促进乙烯释放。“MdEIL1-MdMYB1-MdERF3”模块揭示了乙烯和花青苷之间的正向反馈调控关系。2、ABA处理促进苹果果实花青苷生物合成。ABA处理激活bZIP转录因子MdbZIP44的表达,MdbZIP44通过与MdMYB1互作,增强MdMYB1对下游靶基因MdDFR和MdUF3GT启动子的结合,进而促进ABA介导的花青苷生物合成。苹果BTB/TAZ蛋白MdBT2通过与MdbZIP44互作,促进MdbZIP44蛋白的泛素化降解,进而抑制MdbZIP44促进的花青苷积累。“MdBT2-MdbZIP44-MdMYB1”模块动态调控ABA介导的花青苷积累过程。3、强光处理促进苹果果实花青苷生物合成。强光处理诱导TCP转录因子MdTCP46的表达,MdTCP46通过与MdMYB1互作,增强MdMYB1对下游靶基因MdDFR和MdUF3GT启动子的结合,进而促进强光介导的花青苷生物合成。苹果BTB/TAZ蛋白MdBT2通过与MdTCP46互作,促进MdTCP46蛋白的泛素化降解,进而抑制MdTCP46促进的花青苷积累。“MdBT2-MdTCP46-MdMYB1”模块动态调控强光介导的花青苷积累过程。4、UV-B处理促进苹果果实花青苷生物合成。UV-B处理诱导BBX转录因子MdBBX22的表达,MdBBX22通过与MdHY5互作,增强MdHY5对下游靶基因MdMYB10和MdCHS启动子的结合,进而促进UV-B介导的花青苷生物合成。苹果BTB/TAZ蛋白MdBT2通过与MdBBX22互作,促进MdBBX22蛋白的泛素化降解,进而抑制MdBBX22促进的花青苷积累。“MdBT2-MdBBX22-MdHY5”模块动态调控UV-B介导的花青苷积累过程。5、低温处理促进苹果果实花青苷生物合成。低温处理诱导MYB转录因子MdMYB308L的表达,MdMYB308L通过与MdbHLH33互作,增强MdbHLH33对MdCBF2和MdDFR基因启动子的结合,进而提高植物抗冷性和花青苷生物合成。苹果E3泛素连接酶MdMIEL1通过与MdMYB308L互作,促进MdMYB308L蛋白的泛素化降解,进而降低植物抗冷性和花青苷积累。“MdMIEL1-MdMYB308L-MdbHLH33”模块动态调控冷胁迫响应和花青苷积累过程。6、干旱胁迫处理促进苹果植株花青苷生物合成。干旱胁迫处理诱导ERF转录因子MdERF38的表达,MdERF38通过与MdMYB1互作,增强MdMYB1对下游靶基因MdDFR和MdUF3GT启动子的结合,进而促进干旱胁迫介导的花青苷生物合成。苹果BTB/TAZ蛋白MdBT2通过与MdERF38互作,促进MdERF38蛋白的泛素化降解,进而抑制MdERF38促进的花青苷积累。“MdBT2-MdERF38-MdMYB1”模块动态调控干旱胁迫介导的花青苷积累过程。7、机械损伤处理促进苹果果实花青苷生物合成。机械损伤处理诱导WRKY转录因子MdWRKY40的表达,MdWRKY40通过与MdMYB1互作,增强MdMYB1对下游靶基因MdDFR和MdUF3GT启动子的结合,进而促进机械损伤介导的花青苷生物合成。苹果BTB/TAZ蛋白MdBT2通过与MdWRKY40互作,促进MdWRKY40蛋白的泛素化降解,进而抑制MdWRKY40促进的花青苷积累。“MdBT2-MdWRKY40-MdMYB1”模块动态调控机械损伤介导的花青苷积累过程。8、MdBT2 和 MdMIEL1 通过调控 MdbZIP44、MdTCP46、MdBBX22、MdERF38、MdWRKY40和MdMYB308L蛋白的稳定性,动态参与ABA、强光、UV-B、干旱胁迫、机械损伤和低温介导的花青苷积累过程。MdBT2和MdMIEL1响应多种激素和环境信号,它们通过调控不同靶蛋白的稳定性,进而参与调控不同激素和环境信号介导的花青苷生物合成过程。9、“MdBT2-靶蛋白-MdMYB1”模块实现了激素和环境胁迫对花青苷生物合成的动态调控。该调控模块可能在植物体内广泛存在,它能够通过调节不同靶蛋白的稳定性,动态调控不同激素和环境胁迫介导的花青苷生物合成过程。这些动态调控途径之间可能存在一定程度的功能冗余,但功能冗余的存在也恰好确保了植物对激素和环境胁迫信号的及时响应,这也是物种高度进化的一个特征。本研究表明,MdMYB1和MdHY5在调控花青苷生物合成过程中发挥核心作用,MdBT2和MdMIEL1能够整合激素和环境胁迫调控的花青苷积累过程。我们的研究丰富了花青苷代谢的转录和翻译后调控网络,也为进一步研究激素和环境胁迫介导花青苷生物合成的分子机制奠定了理论基础。