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PBJ | 创新葡萄着色的理论机制：上交大王磊、王世平团队发现关键调控因子VvERF045，整合三大激素通路协同促进花青素合成
发布时间：
2025-10-08
来源：
植物生物技术
一颗颗晶莹剔透、色彩饱满的葡萄，不仅是味蕾的享受，更是视觉的盛宴。而迷人的颜色，主要归功于一类名为花青素的天然色素。花青素的含量和组成，直接决定了葡萄果实的商品价值与营养价值。然而，葡萄的着色过程并非易事，它受到遗传背景、环境因素以及植物内源激素的精密调控。长期以来，脱落酸（ABA）和油菜素甾醇（BR）被认为是调控非呼吸跃变型果实（如葡萄）成熟和着色的关键激素。而乙烯（ET），则更多地与苹果、香蕉等呼吸跃变型果实的后熟过程相关联。那么，在葡萄这类果实中，乙烯是否也扮演着重要角色？如果答案是肯定的，它又是如何与ABA和BR这两大激素“对话”，共同指挥花青素这支“色彩交响乐”的呢？
近日，上海交通大学农业与生物学院王磊副研究员（通讯作者）和王世平教授团队在国际知名期刊Plant Biotechnology Journal上发表了一项重磅研究成果“VvERF045 Integrates Ethylene, Brassinosteroid and Abscisic Acid Pathways to Orchestrate Anthocyanin Biosynthesis in Grapevine”，成功解答了这一难题。他们发现了一个名为 VvERF045 的乙烯响应转录因子，它如同一位技艺高超的“乐队指挥”，整合了乙烯、油菜素甾醇和脱落酸三大激素通路，协同激活花青素的生物合成，从而精准调控葡萄果实的着色过程。这一发现不仅深化了我们对果实成熟分子机制的理解，也为通过精准农业手段改善葡萄品质提供了新的理论依据和潜在靶点。
1. 打破认知：乙烯在非呼吸跃变型葡萄着色中也作为“启动器”角色发挥作用
研究团队首先从表型入手。他们用乙烯利（ETH，乙烯释放剂类植物生长调节剂）处理发育中的葡萄果实（‘瑞都红玉’和‘玫瑰香’品种）。结果发现，外源乙烯处理能够显著促进葡萄果皮的花青素积累，加速果实转色（图1a-c）。与此同时，果实内的可溶性固形物（糖分）也增加了，说明乙烯处理促进了果实的成熟进程。
更引人注目的是，当研究人员检测内源激素水平时发现，ETH处理不仅提升了花青素含量，还协调了BR和ABA的合成（图1d-e）。此外，ET释放量在转色前便达到了峰值，而ABA水平则在转色期达到峰值， BR含量在成熟期显着升高。在分子水平上，ETH处理上调了花青素合成关键基因（如 VvUFGT, VvDFR）、BR合成基因（如 VvCPD）以及ABA合成关键基因（VvZEP/ABA1）的表达（图1f, j）。这意味着，乙烯可能是通过调动BR和ABA这两路“兵马”，共同完成着色任务。同时发现葡萄果实发育过程中内源乙烯先于ABA和BR升高。这一系列证据初步表明，乙烯可能是葡萄着色过程中一个重要的上游信号，它能够启动一个包含花青素、BR和ABA生物合成在内的协同调控网络。
2. 锁定“主角”：VvERF045——一个关键的乙烯响应整合因子
那么此现象背后的分子开关是谁？通过对乙烯处理后果实进行转录组测序（RNA-Seq）和加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究团队将目光锁定在了一个名为VvERF045的基因上（图1k-l）。VvERF045隶属于AP2/ERF转录因子家族，其表达受乙烯强烈诱导（图1m-o），并且在葡萄果实成熟期特异性高表达。这些特征都暗示它可能是连接乙烯信号与下游着色事件的关键分子枢纽。
图1： ETH处理后葡萄果实颜色变深，伴随花青素、BR、ABA含量上升。
3. 功能验证：VvERF045是调控着色与激素合成的“核心枢纽”
为了证实VvERF045的功能，研究团队开展了一系列严谨的实验。
（1）在葡萄果实和愈伤组织中：瞬时过表达VvERF045，能够有效促进花青素积累，并同时提高BR和ABA的水平；反之，沉默VvERF045则得到相反的效果（图2，图3）。这表明VvERF045确实能同时正向调控花青素、BR和ABA的代谢通路。
（2）在异源番茄系统中：为了验证这一机制是否保守，研究人员还创建了稳定过表达VvERF045的转基因番茄植株。令人兴奋的发现是，转基因番茄不仅在叶片和茎秆中出现了花青素沉积（显著变红）（图4a, c, f, g），其内源的BR和ABA水平也显著升高（图4d, e, h, i），甚至出现了株型矮化、果实增大等典型的BR调控表型。这强有力地证明了 VvERF045的功能在不同物种中具有一定的保守性，其核心作用是协调色素代谢与激素平衡。
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图2、3、4：葡萄果实和愈伤组织过表达及沉默VvERF045后的颜色对比，番茄转基因植株的叶片/茎秆表型，以及相应的花青素、BR、ABA含量柱状图。
4. 揭秘机制：VvERF045如何“发号施令”？
VvERF045是如何精确调控下游基因的呢？深入研究揭示了其双重分子机制：
机制一：直接“开关”靶基因：研究人员通过酵母单杂交（Y1H）、凝胶阻滞实验（EMSA）和双荧光素酶报告基因（Dual-LUC）等实验证实，VvERF045能够直接结合到花青素合成基因（VvUFGT， VvDFR）、BR合成基因（VvDWF4， VvCPD）和ABA合成基因（VvZEP/ABA1）的启动子区域（图5）。它通过识别这些基因启动子上的特定顺式作用元件（如GCC-box和DRE core元件），像一把钥匙打开锁一样，直接启动这些基因的转录，从而促进相应物质的合成。
机制二：招募“得力助手”VvMYB62协同增效：研究团队进一步发现，VvERF045并非单独的发挥作用，它能与另一个MYB家族转录因子 VvMYB62 发生相互作用（图6a-e）。两者形成一个强大的“异源二聚体”复合物。且这个“VvERF045-VvMYB62”复合物的功能远超单一组分。当它们共同作用时，对下游花青素和激素合成基因的激活能力成倍增强，表现出显著的协同效应（图6f-p）。这就像指挥家（VvERF045）找到了首席乐手（VvMYB62），两人的完美配合使得整支乐团的演奏（基因表达）更加悦耳动听。
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图5、6：ET信号激活VvERF045，VvERF045既可单独结合靶基因启动子，又可与VvMYB62形成复合物，协同强力激活花青素、BR、ABA合成通路，最终导致果实显著着色。
5. 勾勒蓝图：三大激素如何有序协作？
综合所有试验证据，研究团队初步描绘出了VvERF045介导的葡萄着色调控网络蓝图（图7）：
（1）启动信号：在果实发育的特定时期，乙烯作为上游信号率先启动，诱导VvERF045的表达。
（2）核心整合：VvERF045被激活后，一方面直接促进BR和ABA的生物合成，为着色储备“物资”；另一方面与VvMYB62联手，为花青素合成“调配资源”。
（3）协同放大：新合成的BR和ABA不仅自身能促进着色，还可能通过反馈环路进一步强化VvERF045的功能，形成一个自我放大的正向循环，确保着色过程高效、彻底地进行。
（4）最终产出：在所有条件具备后，花青素合成基因被强力激活，大量的花青素被合成并积累，最终呈现出诱人的葡萄果实颜色。
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图7 由ET信号开始，经VvERF045整合，通向BR和ABA 合成，最终指向葡萄花青素合成的路径。
6. 研究意义与未来展望
（1）理论突破：首次在分子层面阐明了乙烯如何通过VvERF045整合BR和ABA通路，调控非呼吸跃变型葡萄果实的着色。打破了乙烯仅在呼吸跃变型果实中起主要作用的传统认知，揭示了激素网络在果实成熟中的复杂性和精确性。
（2）应用前景：本项研究指出，通过精准施用乙烯利，可以巧妙地利用作物自身的VvERF045调控网络来改善果实着色。这为生产上开发新的着色调控技术、植物生长调节剂复配方案，以提升葡萄外观品质和统一性提供了新思路，符合现代精准农业的需求。
当然，科学的探索永无止境。作者也表示，未来研究可以进一步通过基因编辑等技术直接操纵葡萄中的VvERF045及其上下游关键元件，为这一调控模式提供最直接的遗传证据，并最终将其应用于育种和栽培实践。
上海交通大学农业与生物学院果树栽培实验室已毕业博士李嘉佳（现为课题组博士后）为论文的第一作者，上海交通大学农业与生物学院王磊副研究员为本文的通讯作者。本研究得到了福建省科技项目、宁波市科技计划、国家葡萄产业技术体系和中国科学基金博士后计划等项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70381
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