Anthocyanin Biosynthesis Associated with Skin Coloration in Highbush Blueberry Fruit during Ripening

Abstract

비급등형 과실로 알려진 블루베리(Vaccinisum spp.)는 숙성되는 동안 착색과 연관된 색소인 안토시아닌을 다량 축적한다. 본 연구에서는 블루크랍 하이부쉬 블루베리(V. corymbosum)를 대상으로 과실의 숙성에 영향을 미치는 신호 전달 기작과 과피 착색에 영향을 미치는 안토시아닌 생합성 과정을 구명하고자 하였다. 과실의 숙성 기간을 엷은 초록색(pale green, 만개 후 약 30일), 적자색(reddish purple, 만개 후 약 40일), 어두운 자주색(dark purple, 만개 후 약 50일)의 3단계로 나누어 과피 색의 변화, 안토시아니딘과 안토시아닌의 함량 변화를 측정하였다. 과실 숙성의 신호 기작인 앱시스산의 착색 효과를 확인하기 위해 1g L-1의 앱시스산에 과방을 침지하였다. 이후 전사체 분석을 통해 앱시스산 생합성과 신호 전달 체계 및 안토시아닌 생합성 과정을 조사하였다. 블루베리 과실이 숙성됨에 따라 과피는 L*과 b* 값이 낮아졌으며, 총 안토시아닌 함량은 증가하였다. 블루베리 과실에서 5종류의 안토시아니딘이 발견되었다. 엷은 초록색 단계에서 시아니딘만 발견되었지만, 적자색 단계 이후에서는 시아니딘, 델피니딘, 말비딘, 피오니딘, 페투니딘이 발견되었다. 이 중 델피니딘과 말비딘의 함량이 가장 많았다. 5종류의 안토시아니딘들은 전부 글루코오스, 갈락토오스, 아라비노오스와 함께 글리코실화되었다. 앱시스산 처리는 과피 착색 및 안토시아닌 축적을 촉진시켰다. 전사체 분석 결과, 앱시스산 생합성, 신호 전달 및 안토시아닌 생합성에 관여하는 143개의 전사체를 확인하였다. 이중 nine-cis-epoxycarotenoid dioxygenase, SQUAMOSA- class MADS box transcription factor, flavonoid 3,5-hydroxylase를 포함하는 11개의 전사체가 과실이 숙성하는 동안 발현량이 지속적으로 증가하였다. 과실이 숙성하는 동안 flavonoid 3,5-hydroxylase의 전사체가 flavonoid 3-hydroxylase의 전사체보다 많이 발현한 것은 델피니딘과 말비딘 계열의 안토시아닌 축적에 영향을 끼치기 때문인 것으로 판단되었다. 앱시스산을 처리한 블루베리 과실에서 flavonoid 3,5-hydroxylase와 flavonoid 3-hydroxylase를 포함한 9종류의 전사체를 대상으로 정량적 중합 효소 연쇄 반응을 시행한 결과, 과실 숙성 동안과 유사한 발현 양상을 보였다. 본 연구 결과는 앱시스산이 과실이 숙성하는 동안 과피 착색 및 안토시아닌 축적에 영향을 미치고, 안토시아닌 생합성 전사 인자 및 효소가 안토시아닌의 종류별 함량를 결정할 수 있음을 시사한다.

Blueberry fruit accumulate high levels of anthocyanins with noticeable coloration process during ripening. For understanding anthocyanin biosynthesis associated with skin coloration during ripening, anthocyanin and anthocyanidin accumulation was monitored in Bluecrop highbush blueberry fruit at three ripening stages, categorized based on fruit skin coloration: pale green at ca. 30 days after full bloom (DAFB), reddish purple at ca. 40 DAFB, and dark purple at ca. 50 DAFB. After the effects of abscisic acid (ABA) as a ripening signal were evaluated, transcriptional regulation of ABA biosynthesis, signal transduction, and anthocyanin biosyntehsis using transcripome analysis were also investigated at the three stages. Total anthocyanin contents increased during ripening, while fruit skin color steadily became darker and bluer, as reflected in decreasing L* (a color space coordinate describing lightness) and b* (describing blue-yellow coloration). Of the five anthocyanidins found in the fruit, cyanidin was first detected at the pale green stage. Peonidin, delphinidin, petunidin, and malvidin were detected after the fruit had passed through the reddish purple stage. The contents of delphinidin and malvidin increased more rapidly than those of other anthocyanidins. All anthocyanidins detected were glycosylated with glucose, galactose, or arabinose. ABA application accelerated anthocyanin accumulation and fruit skin coloration, which provide the information that ABA can regulate anthocyanin biosynthesis during ripening. Transcriptome analysis revealed that 143 transcripts were annotated to encode five ABA biosynthesis enzymes, four ABA signal transduction regulators, four ABA-responsive transcription factors, and 12 anthocyanin biosynthesis enzymes. The analysis of differentially expressed genes between the ripening stages revealed that 11 transcripts, including those encoding nine-cis- epoxycarotenoid dioxygenase, SQUAMOSA-class MADS box transcription factor, and flavonoid 3,5-hydroxylase, were significantly up-regulated throughout the entire ripening stages. In fruit treated with ABA, at least nine transcripts of these 11 transcripts as well as one transcript encoding flavonoid 3-hydroxylase were up- regulated. These results showed the types and quantities of anthocyanidins, which in turn form anthocyanins, were correlated with changes in fruit skin color. They can also provide fundamental information demonstrating that ABA biosynthesis and signal transduction, and anthocyanin biosynthesis are closely associated with anthocyanin accumulation in highbush blueberry fruit during ripening.