高溫如何影響葡萄轉色？

Muscat Hamburg葡萄。圖片取自維基百科

小時候有一個名歌星叫做「陳蘭麗」，她的名曲是「葡萄成熟時」。記得那時候真的是街頭巷尾都可以聽到「葡～萄～成熟時，我一定回～來」！身為都市俗的我，雖然沒有種過葡萄，但是卻常常吃葡萄，每次看到葡萄，都會想到她呢！

許多果實在成熟的時候都會表皮都會變色，稱為「轉色」；葡萄也不例外。隨著全球暖化，許多農民發現，高溫會影響葡萄的轉色，讓葡萄看起來還沒熟的樣子，這樣會影響到銷路...真糟糕耶！

為了瞭解葡萄轉色的機制，有研究團隊就開始研究葡萄的花青素（anthocyanin）合成。原來，葡萄的轉色就是因為花青素的累積。

他們使用了漢堡麝香葡萄（Muscat Hamburg）進行實驗。控制組在攝氏23度，實驗組則是每天暴露於攝氏40度2小時。結果發現，大部分控制組的葡萄都變紅了，但是實驗組的花青素含量明顯降低。類似的結果，也出現在以癒傷組織進行的測試：以強光照射癒傷組織3天後，癒傷組織開始轉色，但是實驗組的癒傷組織並沒有出現這樣的現象。

由於許多植物對高溫的適應，常常與生長素（auxin）有關，所以研究團隊使用了天然的生長素、合成生長素、生長素合成抑制劑以及生長素運輸抑制劑（生長素是唯一會進行「極性」運輸的植物賀爾蒙）來處理，結果發現不論是使用天然或合成的生長素，都會抑制花青素的合成；而抑制生長素的合成，則可以促進花青素的合成；但最明顯的是，當他們使用抑制生長素運輸的藥劑，花青素合成明顯提高。

但是，在高溫處理時，若加入生長素，無論是天然的或是合成的，都會抑制花青素的累積；而抑制生長素合成時，即使以高溫處理也會累積花青素。這些發現意味著，高溫導致的花青素累積抑制與生長素有關。

由於花青素的合成發生在內質網（ER，endoplasmic reticulum），合成好的花青素會送到液泡中儲存；過去的研究也發現，高溫對蛋白質折疊所造成的影響，對花青素的合成非常重要。因此，研究團隊使用了對內質網造成壓力的藥劑，結果發現葡萄的轉色就變慢了；若他們使用可以緩解內質網壓力的藥劑，則葡萄的轉色就變快了。這些發現意味著，內質網的壓力對花青素合成也有影響。

調節花青素在高溫下的合成，跟什麼基因有關呢？研究團隊分析許多與花青素合成有關的基因，發現很多都含有FHY3/FAR1結合的序列。研究團隊使用了多種實驗方法測試，都發現葡萄的FHY3可以直接與這些基因的啟動子結合，讓這些基因的表現量上升，且高度表現FHY3可以讓葡萄轉色更快、更明顯，而將FHY3進行基因沉默後，葡萄的轉色就變慢了。

另外，研究團隊還發現高溫會讓FHY3分解變快，且以26S蛋白酶體抑制劑可以阻止FHY3的分解。也就是說，高溫造成的葡萄轉色變慢是因為FHY3的分解變快，讓花青素合成的基因表現量下降的關係。

那麼，生長素對葡萄高溫轉色的抑制，是否與FHY3有關呢？研究團隊發現，當他們把FHY3高度表現時，生長素還是可以抑制花青素的累積！也就是說，生長素可以抑制FHY3對花青素累積的促進作用。

由於生長素主要透過「生長素反應因子」（ARF，auxin response factor）作用，因此研究團隊測試了許多個ARF。測試後發現，有四個ARF，3、5、7、18與FHY3有互動；進一步的測試發現，只有ARF3真的與FHY3產生有意義的互動。

接著，他們想知道ARF3如何調節FHY3的功能。他們發現，ARF3可以抑制FHY3活化花青素合成基因；而高溫可以造成ARF3的轉錄上升。高度表現ARF3可以讓葡萄轉色變慢、花青素累積下降；當他們讓ARF3的基因沉默時，葡萄轉色變快、花青素累積也提高了。這些發現證明了ARF3是花青素合成的負調控因子，透過抑制FHY3，ARF3得以抑制花青素的合成，造成葡萄轉色變慢。

前面提到花青素和成與內質網壓力有關，那麼FHY3與內質網壓力有關嗎？研究團隊發現，當FHY3高度表現時，內質網對壓力的抵抗力似乎變好了；因為當他們用內質網壓力誘導劑處理高度表現FHY3的癒傷組織時，組織的未折疊蛋白反應比較弱。研究團隊分析與未折疊蛋白反應相關的基因，結果在其中一個基因上發現了FHY3結合位點，且後續的研究證明FHY3的確可以與這個基因的啟動子結合，從而抑制它的表現。更有趣的是，如果把這個基因給高度表現，一樣可以抑制葡萄的轉色，而把這個基因「關掉」則會讓葡萄轉色變快。也就是說，FHY3是使用「兩手策略」來促進花青素的合成：一方面它直接提高花青素合成基因的表現量，另一方面則去抑制降低花青素合成基因表現的基因！

那麼，生長素與未折疊蛋白反應有沒有關連呢？研究團隊發現，當他們用生長素抑制花青素的累積時，如果使用緩解內質網壓力的藥劑，花青素累積的抑制現象可以被部分緩解。他們發現，有一些未折疊蛋白反應的基因，會因為生長素的添加出現表現量上升的現象，但如果使用緩解內質網壓力的藥劑，則這些基因的表現會恢復到接近原來的狀態。另外，ARF3也可以提升那些未折疊蛋白反應的基因的表現，甚至可以抵銷FHY3對這些基因的抑制作用！

總而言之，FHY3可以促進轉色，而ARF3會抑制轉色，而高溫是如何抑制葡萄轉色的呢？高溫會造成ARF3的表現量上升，接著ARF3就會去抑制FHY3，造成FHY3無法施展它的「兩手策略」，於是葡萄就只能「表面不熟心裡熟」了！好辛苦啊！

參考文獻：

Yanzhao Sun, Yanyan Zheng, Wenyuan Wang, Heng Yao, Zain Ali, Mengwei Xiao, Zhaodong Ma, Jingjing Li, Wenfei Zhou, Jing Cui, Kun Yu, Yang Liu, VvFHY3 links auxin and endoplasmic reticulum stress to regulate grape anthocyanin biosynthesis at high temperatures, The Plant Cell, Volume 37, Issue 1, January 2025, koae303, https://doi.org/10.1093/plcell/koae303