本研究以花色模式植物圆叶牵牛(Ipomoeapurpurea)的花青素代谢途径为主要研究对象，深入解析其调控复合物IpMYB1-IpbHLH2-IpWDR1对应在相关靶基因启动子上的顺式元件，并在模式植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)中对部分研究结论进行了检验。随后本研究将考察对象扩展到其它已有部分研究数据的被子植物，包括紫玉兰(Magnolialiliflora)、玉米(Zeamays)和非洲菊(Gerberahybrida)这些代表被子植物主要类群的物种，试图从转录因子和顺式调控元件两个方面探寻花青素代谢途径在表达调控上的特点及可能存在的进化信号。

前　　言花青素（anthocyanin）是大部分被子植物花朵颜色的决定性色素，可使花朵呈现出粉、红、紫、蓝等一系列颜色。同时，它与叶绿素（chlorophyll）和类胡萝卜素（carotenoid）配合，也可以使植物的果实和叶片呈现出五彩斑斓的着色模式。植物美丽的色彩不仅有观赏价值，更对植物的生活有直接的作用。鲜艳的花朵和果实可以帮助植物吸引传粉者和果实传播者，有利于植物的繁殖。红色的叶片则可以保护植物对抗紫外线、病虫害以及食草动物的进食等。对人类而言，花青素是一种天然强效的自由基清除剂，具有抗氧化、抗突变、预防心脑血管疾病、保护肝脏、抑制肿瘤等多种保健功能。在心血管疾病和癌症频发的现代社会，各种富含花青素的食物品种也受到人们的青睐。花青素属于植物的次生代谢产物，由一系列结构基因编码的酶催化合成。这一系列结构基因构成了花青素合成途径，是被子植物中较为保守的一个途径，可以被众多的环境因素诱导表达。多个物种的研究表明，由MYB、bHLH和WDR三类调控因子（TFs）组成的MBW复合体调控着花青素代谢途径上众多结构基因，让它们得以协同地表达。基因的表达调控是基因功能得以实现的重要过程，基因间的协同表达是基因组整体功能的重要方面。关于花青素代谢途径中结构基因的表达和调控基因的功能已有较广泛的研究，但对于MBW复合体如何协同调控整个途径众多基因的表达还不太清楚。以上疑问的解决，关键在于结构基因和调控基因之间的联结纽带顺式调控元件。深入比较花青素代谢途径上众多靶基因对应于MBW复合体的顺式调控元件，对于人们从整体的角度了解基因组内代谢途径的调控具有重要的意义。本书以花色模式植物圆叶牵牛（Ipomoea purpurea）的花青素代谢途径为主要研究对象，深入解析其MBW调控复合体在相关靶基因启动子上对应的顺式元件，直观展现了花青素代谢途径多个基因启动子上顺式元件的排列组合，这些顺式元件的分布差异直接影响了花青素代谢途径上基因的表达水平。随后本研究将考察对象扩展到其他植物类群，试图从转录因子和顺式调控元件两个方面探寻花青素代谢途径在表达调控上的特点及可能存在的进化信号。对于调控花青素代谢途径的MBW复合体，研究发现，MYB的表达是花青素积累的关键：①MBW复合体的靶基因众多。一方面包括了复合体本身的两个成员bHLH和WDR，另一方面也包括了途径上的几乎所有核心结构基因，以及下游的部分修饰、转运基因如3GGT等。②MYB单独对以上靶基因具有弱激活功能，使得植物在信号诱导下产生特异的MYB后，可以反馈性地完成复合体中另两个成员bHLH和WDR的积累。③由MYB、bHLH和WDR形成的MBW复合体对靶基因的激活能力相对于单独MYB有大幅的提高，可以有效地开启花青素合成、修饰和转运相关基因的表达。对于MBW复合体中MYB和bHLH对应的顺式元件，研究发现它们均有较大的变异范围，分别总结为MRE［MYB识别序列，ANCNN（C/A）C］和BRE［bHLH识别序列，CACNN（G/T）］。这可以允许MBW复合体识别多个靶基因。此外，MRE和BRE在靶基因启动子上的组合排列可以直接影响该靶基因的转录激活水平。紫玉兰（Magnolia liliflora）、玉米（Zea mays）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、非洲菊（Gerbera hybrida）和圆叶牵牛代表了被子植物主要类群的物种。对它们MBW调控复合体成员的比较表明，花青素代谢途径并非是普遍保守的。在被子植物内，不论是调控因子的调节强度还是启动子的反应性都经历着缓慢而深刻的进化。就代谢途径上的各基因而言，启动子的不同可以引起基因间表达的差异，这种差异大于调控因子分化带来的影响；对物种间同源的结构基因而言，转录因子间的分化则是基因表达强度变化的一个重要因素。本书在多年课题研究的基础上总结撰写而成，在撰写过程中，得到了鲁迎青研究员的悉心指导；肖大洲老师对本书的出版也做了不少辅助工作，在此一并表示感谢！本书引用了大量的相关文献，其中大多数已在书中注明出处，但难免有所疏漏。在此，向有关作者和专家表示感谢，并对没有注明出处的作者表示歉意。本书的出版由海南省自然科学基金项目（No.317012）、国家自然科学基金项目（No.31660074）、海南大学科研启动基金（No.kyqd1840）共同资助完成，在此表示诚挚的感谢。本书对花青素代谢途径进行了直观的描述，研究结果对认识花青素代谢途径的调控具有良好的促进作用。对植物花色、叶色和果色感兴趣的植物爱好者、观赏植物的育种工作者以及研究基因调控的科研工作者，本书可作为参考书籍。尽管本书在撰写过程中力求逻辑严谨，内容充实，但由于著者水平有限，难免有所疏漏，恳请各位专家、同仁和广大的读者批评指正，以便今后完善。著　者2018年10月于海南大学

祝志欣，女，1986年4月出生，湖北武汉市人，植物学博士，现任海南大学热带农林学院讲师。2015年7月毕业于中科院植物研究所，获植物学博士学位。2015年9月至今在海南大学热带农林学院从事教学和科研工作。教学课程主要为《生物化学》、《植物生理学》、《植物生理生化》的理论及实验。科研方面一直从事植物花青素及类黄酮代谢网络的调控研究，研究物种主要为圆叶牵牛和甘薯。目前主持国家自然科学基金1项，负责海南省自然科学基金1项，以第一或通讯作者发表多篇论文，分别刊于JournalofExperimentalBotany，PlantMethods、植物学报、南方农业学报、热带作物学报等。

1 绪 论 …………………………………………………………………1
1.1 基因的转录调控 …………………………………………………1
1.2 花青素代谢途径及其调控 ………………………………………11
1.3 花青素代谢途径改变导致的颜色变异 …………………………22
1.4 花青素途径调控研究中存在的问题和本研究的目的 …………27
2 圆叶牵牛花青素代谢途径基因启动子克隆及序列分析 ……29
2.1 引 言 ……………………………………………………………29
2.2 材料和方法 ………………………………………………………29
2.3 结 果 ……………………………………………………………34
2.4 讨 论 ……………………………………………………………44
3 圆叶牵牛花青素代谢途径MBW调控复合体的功能研究
及其靶基因的确定 …………………………………………………46
3.1 引 言 ……………………………………………………………46
3.2 材料和方法 ………………………………………………………47
3.3 结 果 ……………………………………………………………56
3.4 讨 论 ……………………………………………………………61
4 圆叶牵牛花青素代谢途径基因启动子MBW复合体
相关顺式元件的解析 ………………………………………………64
4.1 引 言 ……………………………………………………………64
4.2 材料和方法 ………………………………………………………64
4.3 结 果 ……………………………………………………………68
4.4 讨 论 ……………………………………………………………87
5 被子植物MBW复合体的进化初探 ………………………………90
5.1 引 言 ……………………………………………………………90
5.2 材料和方法 ………………………………………………………92
5.3 结 果 ……………………………………………………………96
5.4 讨 论 ……………………………………………………………102
6 结论与展望 ……………………………………………………………105
6.1 结 论 ……………………………………………………………105
6.2 展 望 ……………………………………………………………108
附 录 ………………………………………………………………………110
参考文献 ……………………………………………………………………121