近日，园艺学院花卉研究团队取得一系列研究成果，在期刊New Phytologist在线发表题为“A new small subunit of the mitochondrial F-ATPase, PhDC, determines flower color by acidifying vacuoles”的研究论文，在期刊Horticulture Research在线发表题为“Transketolase-mediated erythrose-4-phosphate provides an essential source for anthocyanin biosynthesis in petunia”的研究论文。
花色是观赏植物的重要性状，植物细胞液泡pH决定花色苷吸收光谱并影响花色。人们已经知道，细胞液泡膜上的质子泵蛋白 P-ATP酶和 V-ATP酶像“水泵”一样，能把H+泵进液泡，使其保持酸性，如矮牵牛中的PhPH1和PhPH5，它们失活会导致液泡碱化，花色变深变蓝。除了这些已知的质子泵蛋白，是否还有其他蛋白质也参与调节液泡的酸碱度呢？在第一篇论文中，该团队利用基因沉默技术，从矮牵牛基因组中156个功能未知基因中筛出了一个基因PhDC（DEEPENING COLOR），该基因沉默的花瓣颜色明显变深。PhDC定位于线粒体中，进一步研究表明PhDC是线粒体F-ATP酶的一个新亚基。PhDC沉默导致的颜色变深的花瓣，其花青素的总量和种类并没有明显变化，而其液泡pH值显著升高了，这是花色变深的直接原因。PhDC缺失导致F-ATP酶复合体合成ATP效率下降。负责给液泡泵入氢离子、维持酸性的 P-ATP酶（如PhPH1和PhPH5）活性降低，因为给这个“水泵”供能的正是ATP。
图1 矮牵牛线粒体F-ATP酶复合体失活会降低P-ATP酶转运H+到液泡的能力
该项研究揭示了细胞能量代谢与色素表型之间的一条联系通路。它显示生命的各个过程是高度互联的，“能量工厂”线粒体的一个微小变动，竟能体现在花色的性状上。研究结果对观赏植物花色育种有潜在应用价值，也极大地增进了人们对植物细胞内部协同工作的基础认知。
花青素合成依赖于上游的莽草酸途径。莽草酸途径需要两种关键前体物质：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和赤藓糖-4-磷酸（E4P）。E4P在植物中主要由转醛醇酶（Transaldolase, TA）和转酮醇酶（Transketolase, TK）催化合成，然而花色形成过程中所必需的E4P的具体来源方式目前还尚不清晰。在第二篇论文中，该团队发现沉默矮牵牛PhTA的两个成员并未引起植株表型变化，而共同沉默PhTK1与PhTK2则导致花朵颜色显著变浅、叶片黄化。进一步分析表明，PhTK1与PhTK2共同沉默植株中E4P含量显著下降，伴随花青素、叶绿素、类黄酮及三种芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）的含量均明显降低。代谢组学分析显示，共同沉默PhTK1与PhTK2扰乱了花瓣中类黄酮代谢物的组成。该结果显示花色形成过程中E4P来源于TK催化的果糖-6-磷酸。结合团队前期研究发现PhENO1和PhPPT共同为花色形成提供了关键的PEP来源(https://doi.org/10.1093/hr/uhaf040)。该团队揭示了花色形成过程中莽草酸途径的两种关键前体物质PEP和E4P的来源方式，为观赏植物花色改良和花色素代谢工程提供了重要理论依据。
图2 RNAi介导的PhTK1-TK2沉默引起的矮牵牛植株表型变化
园艺学院博士研究生袁浚玮（已毕业，现工作单位为广州市林业与园林科学研究院）、博士后杨伟苑（已出站）为第一篇论文的共同第一作者，园艺学院博士研究生李欣（已毕业，现为北京大学生命科学学院博士后）和杨文洁为第二篇论文的共同第一作者，余义勋教授、刘娟旭副教授和钟诗蔚副教授为两篇论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金项目的资助。
论文相关链接：http://doi.org/10.1111/nph.70676
https://doi.org/10.1093/hr/uhaf285
文图/园艺学院
