花器官液泡pH對花色的影響

在花青素類(lèi)觀(guān)賞植物中，顯色物質(zhì)組成相同，顯色物質(zhì)存在的狀態(tài)不同，呈現的花色不同。保持這類(lèi)植物顯色物質(zhì)穩定性的方式有花色苷的自締合作用和花色苷與輔色素結合的共色素沉著(zhù)作用。自締合作用中多個(gè)花青素發(fā)色團疊加在同一個(gè)左旋軸上，不同角度的遷移導致分裂的圓偏光二色性曲線(xiàn)產(chǎn)生，即光譜有不同的紅移或藍移趨勢（圖1）；共色素沉著(zhù)是顯色物質(zhì)疏水堆積使結構穩定，對花色苷與輔色素濃度、種類(lèi)有要求，即濃度越高，疏水力越強，顯色物質(zhì)越穩定，顏色可由紅向藍紫移動(dòng)。這些全部依賴(lài)于一定的液泡pH，液泡pH改變時(shí)水合能力改變，著(zhù)色物質(zhì)為適應水合環(huán)境，調整自身使其穩定，顏色發(fā)生改變。合適的花色苷與輔色素形成共色素沉著(zhù)后，還可避免花色苷不穩定的無(wú)水堿基形成甲基醇從而不顯色，且pH在3-6的區間內輔色素槲皮苷才能和花色苷、金屬離子形成絡(luò )合物。

大豆紫花胞液pH為5.73-5.77，而藍花胞液pH為6.07-6.10。類(lèi)似地，矮牽牛紅色花花瓣勻漿pH在5.5左右，而紫色花瓣勻漿pH在6.0左右；飛燕草花瓣表皮組織在紫紅色時(shí)pH為5.5，紫藍色時(shí)pH為6.6。另外，一些植物花瓣液泡的pH也顯示出類(lèi)似的變化趨勢。日本牽牛從花蕾到綻放，花瓣液泡pH一直升高，花蕾時(shí)期紫紅色的細胞液泡pH為6.6，而開(kāi)花后藍色細胞液泡的pH為7.7；同樣，在八仙花上，用質(zhì)子選擇微電極精準測量著(zhù)色細胞液泡，藍色花的液泡pH均值為4.1，而紅色花為3.3。葡萄風(fēng)信子的穗狀花序上半部分為藍色，下半部分為紫色，紫色部分的勻漿pH為5.84，藍色部分為5.91。葛根花序上同時(shí)有不同時(shí)間開(kāi)放的花，新開(kāi)的花為紫紅色，pH為5.2，老花為紫羅蘭色，pH為5.5。

自然界中沒(méi)有藍色月季花，月季的DRF基因無(wú)法將二氫楊梅酮作為底物反應生成飛燕草素花色苷，致使無(wú)藍色月季的誕生。研究人員在試驗了多種月季品種后選擇了輔色素含量和液泡pH均高的品種作為寄主，將三色堇的F3′5′H基因與荷蘭鳶尾的DFR基因構建二元載體導入寄主，在月季DFR基因SiRNA表達的共同作用下，寄主花瓣最終呈現淡紫色。這對藍色月季的培育具有里程碑式的意義。由此可以得出結論，除飛燕草素花色苷外，較高的液泡pH與高含量的輔色素也是藍色月季花形成必不可少的元素，這兩個(gè)重要因子在在仙客來(lái)、菊花和康乃馨上同樣有所印證。

圖1花色苷堆積偏旋模式及CD曲線(xiàn)展示

調控花器官液泡pH的分子機理

在水稻和玉米上發(fā)現，將原來(lái)的pH為5.0的營(yíng)養液調至pH為8.5，兩種作物根部液泡pH均出現一定的下降趨勢，5-10 min后恢復原來(lái)的pH；在玉米營(yíng)養液中加入NH3，使營(yíng)養液pH升至8.5，玉米根部液泡pH由5.5左右升至6.1左右，并穩定下來(lái)；在水稻營(yíng)養液中加入NH3，水稻根部液泡pH由5.4左右升至5.9左右，很快恢復至pH為5.4左右，并趨于穩定，這表明液泡具有一套隔離外界環(huán)境、獨立調控內部pH的系統。

由于著(zhù)色細胞液泡的pH在花色調控中起重要作用，因此研究調控花器官液泡pH的分子機理對于花色調控具有非常重要的價(jià)值。前人在調控著(zhù)色細胞液泡pH的研究中，以日本牽牛與矮牽牛作為模式植物，闡明了著(zhù)色細胞液泡堿化與酸化的分子機理。

液泡酸化

野生型矮牽?；ü诔始t色，矮牽牛突變體出現與原有表型有色差的扇形色塊，或花冠整體顏色偏紫。研究發(fā)現，不同顏色區域，其液泡pH也不同。

通過(guò)進(jìn)一步分離雜交實(shí)驗，共分離出PH1-PH7 7個(gè)調控著(zhù)色細胞液泡pH酸化的基因。其中PH4編碼R2R3 MYB蛋白（myeloblastosis蛋白），PH6（后更名為AN1）屬于bHLH蛋白（basic helixloop-helix蛋白），這兩個(gè)蛋白與WDR蛋白（WD是由40個(gè)氨基酸組成，以色氨酸W、天冬氨酸D結尾的結構域；WDR是WD重復）AN11結合，形成MBW（MYB-bHLH-WD）復合物，調節花青素晚期合成通路；PH4-AN1-AN11還激活PH3轉錄，PH3編碼WRKY蛋白（含WRKYGQK 7個(gè)保守的氨基酸序列和16個(gè)氨基酸的鋅指結構域的轉錄因子），可與AN11綁定，與PH4-AN1-AN11形成復合蛋白，在前饋環(huán)中轉錄PH5，同時(shí)，PH1也受PH4-AN1-AN11以及PH3的調控（圖2）。PH5表達還受AN2轉錄激活調控；PH1、PH5表達均略晚于DRF基因的表達，可能是因為PH1、PH5表達需要花青素積累；PH1、PH5表達不影響花青素種類(lèi)、數量及結構的變化，不影響細胞形狀］。

矮牽牛在PH3調控下花冠呈紅色，ph3突變體中，PH1、PH5表達減少，花冠表皮著(zhù)色細胞液泡pH升高，顏色呈灰紫色。即使PH5過(guò)表達，也不足以使突變體表型恢復正常，但是當PH1也同時(shí)過(guò)表達時(shí)，ph3突變體可以恢復正常表型。這說(shuō)明PH1、PH5形成復合體后，向花冠表皮著(zhù)色細胞液泡泵入H+的能力成倍提高。PH5編碼一個(gè)P3AATPase質(zhì)子泵，該質(zhì)子泵主要負責向花冠表皮著(zhù)色液泡泵入H+。PH1編碼的P3B-ATPase，缺乏陽(yáng)離子結合與易位的關(guān)鍵——保守天冬氨酸殘基，故不能行使質(zhì)子泵功能，故液泡酸化過(guò)程中作為PH5的輔因子，與PH5形成雜聚肽復合物，共定位于花冠表皮著(zhù)色液泡上，增強PH5轉運H+的能力，實(shí)現液泡高酸化。PH1、PH5的同源基因廣泛分布于被子植物中。

圖2 PH基因編碼蛋白調控液泡酸化可能的模式圖

除控制液泡酸化之外，PH基因還在花青素合成通路、花器官著(zhù)色細胞小型液泡類(lèi)似物vacuolino與中央大液泡融合以及花器官發(fā)育等其它方面起著(zhù)特殊作用。

PH1與膜蛋白運輸有關(guān)。在矮牽?；ü谥?zhù)色細胞與月季的花瓣表皮著(zhù)色細胞中，發(fā)現了一類(lèi)在花器官表皮著(zhù)色細胞中存在、而在葉肉細胞中并不存在的液泡類(lèi)似物vacuolino。復合質(zhì)子泵PH1-PH5出現在vacuolino膜上，中央大液泡上的蛋白受體識別PH1后，二者形成鏈栓結構，相互融合，PH1-PH5進(jìn)入之前無(wú)這兩種蛋白的中央大液泡，這是一種膜蛋白運輸方式的分支。矮牽牛突變體ph3和ph4中，vacuolinos無(wú)法產(chǎn)生；ph1突變體中vacuolinos與中央大液泡無(wú)法融合。

矮牽牛PH3基因與擬南芥TTG2基因高度同源且功能上可以互相代替，由于TTG2參與植株毛狀物的形成以及原花青素積累和液泡酸化，因此PH3基因除了液泡酸化功能外，也參與植株毛狀物的形成以及原花青素積累。

矮牽牛中純合ph3會(huì )導致雌性不育，且會(huì )遏制F3′5′H基因的表達；花褪色顯性等位基因Fa，只在ph3ph3和ph4ph4背景下表達；隨著(zhù)矮牽?；ü诘睦匣?，變紫的背景下出現的紅色斑點(diǎn)與扇區和ph7有關(guān)。

另外，PH基因還參與果實(shí)風(fēng)味調控。從柑橘果實(shí)液囊中分離出CsPH5，CsPH5為PhPH5的同源基因，主要負責向果肉液囊中泵入氫離子，提高果實(shí)風(fēng)味。但甜瓜中的PH基因編碼的蛋白相似性最高的蛋白是PINs家族的蛋白，即H+/auxin泵，且該蛋白定位于內質(zhì)網(wǎng)中，基因沉默后并未發(fā)生生長(cháng)素缺失的表型。

對這兩種調控植物花器官與果實(shí)器官酸度的不同基因家族的研究表明，不同植物、不同部位PH基因需要深入研究其功能與意義。