花青素的生物合成與環(huán)境調(diào)控研究進展

黃鴻曼，袁利兵，彭志紅，任春梅,2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術(shù)學院，湖南 長沙 410128；2.作物基因工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128）

花青素（anthocyanins）是一類重要水溶性色素，屬黃酮類化合物，廣泛分布于植物的花朵、果實、根、莖和葉等營養(yǎng)器官的細胞質(zhì)中，是構(gòu)成花瓣和果實的主要色素之一。花青素在植物體內(nèi)主要以糖苷類化合物存在，因此也稱作花色苷或花色素苷。

花青素在植物體內(nèi)起著重要作用，不僅可以使花朵和果實呈現(xiàn)鮮艷的顏色而具有觀賞價值，也有利于吸引昆蟲和食草動物協(xié)助傳粉和種子傳播，還有助于提高抗逆性；同時，在醫(yī)學界也引起了廣泛關(guān)注，已有研究顯示花青素具有抗氧化、抗炎、調(diào)節(jié)血脂、抗腫瘤等一系列生理活性[1]，具有作為保健食品或輔助治療藥物開發(fā)利用的巨大潛力和價值。筆者介紹了花青素生物合成過程中的關(guān)鍵酶和基因以及主要的環(huán)境因子對花青素合成的調(diào)控，以便對花青素的合成和調(diào)控有更深入的了解。

1 花青素的生物合成

花青素的生物合成途徑是類黃酮物質(zhì)合成途徑的一個分支，在多種植物中的合成過程已有深入研究；現(xiàn)已闡明，植物的花青素生物合成途徑大體相同，都是以苯丙氨酸為直接前體，由一系列結(jié)構(gòu)基因編碼的合成酶催化合成[2]，其生物合成途徑見圖1。

圖1 花青素生物合成途徑

苯丙氨酸解氨酶（PAL）催化苯丙氨酸脫氨形成肉桂酸，是合成花青素也是合成其他多種化合物如類黃酮和木質(zhì)素的起始酶。PAL由多基因家族編碼，PAL基因的表達受自身發(fā)育和環(huán)境因素雙重調(diào)控。

查耳酮合成酶（CHS）催化丙二酰CoA和4-香豆酰CoA反應(yīng)生成查耳酮，為花青素和其他類黃酮提供基本骨架結(jié)構(gòu)。CHS的表達對光敏感，紫外光和藍光能夠促進CHS表達，且有協(xié)同作用[3]。

查耳酮異構(gòu)酶（CHI）催化反應(yīng)的一個最重要的特點是將黃色的查耳酮轉(zhuǎn)變成了無色的黃烷酮，植物體內(nèi)幾乎所有的類黃酮化合物都是從黃烷酮衍生而來的。CHI活性減弱或CHI基因表達降低會導(dǎo)致查耳酮及其衍生物不能被正常催化，類黃酮生物合成途徑無法繼續(xù)向下進行。

黃烷酮羥化酶（F3H）是位于類黃酮合成通路分支點處的關(guān)鍵酶，除催化黃烷酮外，還能催化圣草酚、柚皮素、羥基雙氫黃酮的羥基化，生成二氫黃酮醇。二氫黃酮醇是類黃酮3＇-羥化酶(F3′H)和類黃酮 3′，5′-羥化酶（F3′5′H）的共同底物，這兩種酶所催化的反應(yīng)產(chǎn)物是合成花青素的直接前體[2]。

二氫黃酮醇還原酶（DFR）是催化多種黃烷酮醇轉(zhuǎn)變成相應(yīng)無色花青素，包括白矢車菊素和白翠雀素。

花青素合成酶（ANS）是一種雙加氧酶，是位于花青素合成通路末端的關(guān)鍵酶，催化從無色花青素到有色花青素的轉(zhuǎn)變。

類黃酮3，5-糖苷轉(zhuǎn)移酶（UFGT）使不穩(wěn)定的花青素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的花青素。

相關(guān)酶在細胞質(zhì)中組織成以膜為支架位于特定亞細胞位點的多酶復(fù)合體，有利于花青素生物合成的總體效率和調(diào)節(jié)[4]。花青素合成后會進一步修飾，如糖基化、甲基化等，修飾后的花青素通過分子疊加效應(yīng)和交互作用，在不同的植物中有不同變化，呈現(xiàn)出各種顏色[5]。

2 環(huán)境因子對花青素合成的調(diào)控

2.1 光對花青素合成的調(diào)控

光對植物的生長發(fā)育起著重要的調(diào)節(jié)作用，也是影響花青素合成最重要的環(huán)境因子之一，大多數(shù)植物中花青素的合成需要有光的誘導(dǎo)。光質(zhì)、光強等都會影響花青素的合成與積累，在不同物種中的影響也不同[6]。

在花青素的合成和積累過程中，不同的光質(zhì)對花青素的調(diào)控作用效果不同。UV-B可以誘導(dǎo)花朵和葉片中花青素的合成；UV-A可以特異性誘導(dǎo)番茄幼苗和果實中PAL的表達和花青素的合成，但對其他植物的花青素合成影響較小[7]。藍光和紅光對在矮牽牛花青素結(jié)構(gòu)基因的誘導(dǎo)表達效果相似，而綠光卻會稍弱相關(guān)基因的表達量[8]。

研究發(fā)現(xiàn)，強光可以同時誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的表達，如擬南芥中的結(jié)構(gòu)基因CHS、F3H、DFR和調(diào)節(jié)基因PAP1、PAP2[9]；強光上調(diào)矮牽牛CHS、CHI和FLS，但會造成野生型Mitchell中的DFR和ANS基因的弱表達[6]。黑暗或弱光處理下結(jié)構(gòu)基因的表達量會下調(diào)甚至不表達，從而抑制花青素的合成，使植株出現(xiàn)白花或淺色花。紫蘇在弱光下CHS、F3H、DFR和UFGT等的表達量下調(diào)，黑暗處理矮牽牛野生型Mitchell會導(dǎo)致DFR和ANS基因不表達[6]。

2.2 溫度對花青素合成的調(diào)控

溫度對花青素生物合成相關(guān)基因的表達起著至關(guān)重要的作用，是影響花青素積累的另一個主要環(huán)境因子。低溫會促進花青素的合成，高溫使植物分解代謝加劇，導(dǎo)致花青素合成減少和分解增加。夜間高溫會抑制葡萄 CHS、F3H、DFR、LDOX 和UFGT的表達，降低酶活性，尤其是UFGT，能導(dǎo)致果皮中的花青素積累減少[10]；對其他很多物種如玉米、擬南芥和矮牽牛等的研究中也有同樣的發(fā)現(xiàn)。低溫則已證實可以誘導(dǎo)多種植物幼苗花青素積累，會提高擬南芥幼苗中HY5/HYH轉(zhuǎn)錄因子水平，促進CHS、CHI、F3H和DFR的表達，從而誘導(dǎo)花青素的積累[11]。

2.3 糖對花青素合成的調(diào)控

在植物的生長發(fā)育過程中，糖不僅作為重要的碳源和構(gòu)成碳骨架參與花青素的合成，還作為一種信號分子，通過特異的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)花青素合成相關(guān)酶基因的表達而影響植物花青素的積累。研究表明，糖可以顯著影響多種植物花青素的積累。矮牽牛花冠的著色需要糖的參與[12]，在葡萄表皮中也發(fā)現(xiàn)糖會誘導(dǎo)大部分花青素合成相關(guān)基因的表達[13]。不同種類的糖對植物花青素積累的影響不同，蔗糖是誘導(dǎo)花青素積累的主要糖類，能夠特異性地誘導(dǎo)擬南芥中的花青素積累[14]，上調(diào)葡萄中的DFR/ANS和LDOX基因，使得花青素強烈增加[15]；相對于蔗糖，果糖和葡萄糖對擬南芥花青素的積累影響甚微[14]。除蔗糖外，其他生理性糖如葡萄糖和果糖對花瓣花青素的積累同樣有效[16]，而非生理性糖如半乳糖和甘露糖，對花青素的生物合成沒有影響，但甘露糖己糖激酶磷酸化后可以促進花青素相關(guān)基因的表達[17－18]。

通過植物體中的多種糖信號系統(tǒng)對糖的復(fù)雜感知和糖信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)機制，蔗糖調(diào)控擬南芥大部分結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的表達[14，19]，調(diào)控蘿卜下胚軸中的CHS和ANS基因的表達[20]。總之，花青素的形成必須有糖的存在，但糖對花青素的影響還會受到其他因素的制約。

3 各因素之間的相互作用對花青素合成的調(diào)控

除了光、溫度和糖以外，激素、水分、礦質(zhì)元素等因子也可以調(diào)控花青素的合成，而且各因子對花青素的調(diào)控往往不是單獨進行的，可能同時還受到其他因素的影響或與其他因素一同進行花青素的調(diào)控。王曼等[21]研究發(fā)現(xiàn)，蔗糖參與藍光對擬南芥葉片CHS基因表達的誘導(dǎo)，缺乏蔗糖會降低藍光誘導(dǎo)的花青素積累。低溫會明顯誘導(dǎo)擬南芥花青素的積累，但這需要光的參與[11]。蔗糖和激素處理擬南芥，發(fā)現(xiàn)赤霉素會抑制蔗糖誘導(dǎo)的花青素合成，而茉莉酸和脫落酸會與糖協(xié)同作用誘導(dǎo)花青素[22]。

4 結(jié)語

近年來有關(guān)花青素生物合成與調(diào)控機制的研究取得了很大進展，參與合成的結(jié)構(gòu)基因在很多植物中得到了克隆與表達分析，對各種因素調(diào)控花青素合成的研究也有一定的成果。多種因素形成一個復(fù)雜的系統(tǒng)來調(diào)控花青素的合成，而目前的研究大多集中于單一因素，多種因素對花青素合成的綜合影響效應(yīng)和機制尚不明確，因此花青素的多因素調(diào)控機制還有待進一步研究。闡明花青素合成調(diào)控系統(tǒng)對于明確植物代謝調(diào)控機制有著重要研究意義，并且具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在觀賞植物育種改良、果樹育種、食品保健品開發(fā)上顯示出極大的應(yīng)用價值。

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