藍莓果實花色素苷生物合成及其調控途徑

楊艷 陳強 涂佳樂 等

摘要 藍莓漿果因富含花色素苷而呈現藍色或紅色，具有較高的食用保健價值與商品價值，近幾年受到廣泛關注。從花色素苷的結構與性質、花色素苷生物合成的結構基因與調控基因以及光照調控花色素苷生物合成機制等方面進行了綜述，最后展望了藍莓花色素苷合成及其調控研究。

關鍵詞 藍莓;花色素苷;結構基因;調控基因;光照調控

中圖分類號 S663文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）04-0008-04

Abstract Blueberry fruits are rich in anthocyanins and present blue or red.Due to the high value of food，health care and commerce，blueberry fruits have been attracted wide attention in recent years.In this research，we reviewed the structure and properties of anthocyanins，the structure genes and its regulatory genes of anthocyanins biosynthesis and the mechanism of lightcontrol anthocyanins biosynthesis and so on.Furthermore，we prospected future research on the anthocynins biosynthesis and its regulation in blueberry.

Key words Blueberry;Anthocyanin;Structural gene;Regulatory gene;Lightcontrol

果實花色素苷（anthocyanins）（又名花青苷）積累的種類、多少和分布狀況與果品色澤的表現密切相關，而果品色澤不僅是評價果品質量和商品性的重要指標，還直接影響到果品的商品價值和市場競爭力。藍莓（Vaccinium spp.）（又名越橘）為杜鵑花科（Ericaceae）越橘屬（Vaccinium）植物，因其漿果富含花色素苷（anthocyanin）而顯藍色或紅色。藍莓不僅色澤鮮艷、可食率高（近100%），還具有廣泛的醫療保健功能，如抗氧化、延緩衰老、改善記憶力、預防癌癥和心腦血管疾病、保護視力等[1-4]。藍莓具有較高的食用保健價值與商品價值，因此不僅深受消費者青睞，近幾年來還受到研究者們的廣泛關注。

1 花色素苷的結構與性質

花色素苷是由花色素（anthocyanidin）（又名花青素）與糖以糖苷鍵結合形成?；ㄉ厥且活愄烊坏乃苄陨?，屬于黃酮類物質?；ㄉ厥?，5，7-三羥基-2-苯基苯并吡喃的衍生物，基本碳骨架為C6-C3-C6（圖1）[5]。目前已知花色素有20多種，其中常見的花色素有6種，分別為天竺葵色素（pelargonidin）、芍藥色素（peonidin）、矢車菊色素（cyanidin）、牽?；ㄉ兀╬etunidin）、錦葵色素（malvidin）和飛燕草色素（delphinidin）[6-7]?；ㄉ鼗窘Y構中B環R1、R2和R3碳位上會因取代基的不同而形成不同的花色素，各取代基的結構信息如表1所示。

游離的花色素不穩定，在植物體內花色素通常會經過糖基化等修飾形成各種花色素苷，使植物呈現各種顏色。馮貴濤（2016）鑒定并確認兔眼藍莓“圓藍”果實含有18個單體花色素，大多數以花色素苷形式存在，其中錦葵類占花色素總量36.93%，其次是矢車菊類占總量26.76%、飛燕草占總量16.69%，單體花色素含量最高的為錦葵-3-葡萄糖苷15.86%。

2 花色素苷的生物合成及其調控

花色素苷生物合成及調控是自身遺傳背景和外界環境因子通過復雜的調控網絡共同作用完成的。從自身遺傳背景方面分析，花色素苷的生物合成主要受2類基因控制，一類是編碼合成途徑中相關酶的結構基因，另一類是對結構基因表達起調控作用的轉錄因子基因[8]（圖2）。

2.1 花色素苷生物合成的結構基因

花色素苷通過莽草酸途徑合成，其代謝途徑已經比較明晰（圖2）。大概分為3個階段，第一階段是苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）、肉桂酸-4-羥化酶（cinnamate-4-hydroxylase，C4H）和香豆酰輔酶A連接酶（4-coumaroyl CoA-ligase，4CL）的作用下生成香豆酰輔酶A（4-coumaroyl-CoA）[9]。第二階段是由香豆酰輔酶A到二氫黃酮醇（dihydroflavonol），一分子的香豆酰輔酶A和3分子的丙二酰輔酶A（malonyl-CoA）經過查爾酮合酶（chalcone synthase，CHS ）催化形成了查爾酮（chalcone），查爾酮接著在查爾酮異構酶（chalcone isomerase，CHI）的催化下生成柚皮素（naringenin），然后柚皮素又在黃烷酮-3-羥化酶（flavanone 3-hydroxylase，F3H）、類黃酮-3-羥化酶（flavonoid 3-hydroxylase，F3H）、類黃酮-35-羥化酶（flavonoid 35-hydroxylase，F35H）的作用下生成多種二氫黃酮醇[10]。第三階段就是各種花色素的合成階段，二氫黃酮醇在二氫黃酮醇還原酶（dihydroflavonol-reductase，DFR）的催化下生成了各種無色的花色素，然后在花白素雙加氧酶（leucoanthocyanidin dioxygenase，LDOX）和尿苷二磷酸葡萄糖類黃酮3-O-葡萄糖基轉移酶（UDP-glucose flavonoid 3-O-glucosyltransferase，UFGT）作用下將無色花色素轉化為有色花色素苷。

涉及花色素苷合成的結構基因有早期生物合成基因即上游基因，如CHS（查爾酮合酶）、CHI（查爾酮異構酶）和F3H（黃烷酮-3-羥化酶）等，還有晚期生物合成基因即下游基因，如F3H（類黃酮-3羥化酶）、F35H（類黃酮-3，5-羥化酶）、DFR（二氫黃酮醇還原酶）、LDOX/ANS（花白素雙加氧酶或花色素合成酶）和UFGT（類黃酮-O-糖基轉移酶）等。不同結構基因在花色素苷積累中的作用強弱不同。如ANS和UFGT是紅皮梨花色素苷合成的決定基因，它們的表達差異導致東方梨和西洋梨果皮著色的不同[11];CHS和UFGT是成熟期花色素苷積累型紅肉桃種質的關鍵基因[12];LDOX和UFGT是調節紅肉獼猴桃[13-14]和藍莓[15]花色素苷積累的關鍵基因;而DFR是血橙花色素苷積累的重要基因[16];遮光處理通過改變F3H與F35H的轉錄水平，降低了葡萄花色素苷含量并改變了其組成[17]。抑制結構基因表達可阻礙花色素苷的積累。如Liu等[13]利用VIGS（virus-induced gene silencing）技術使UFGT沉默，發現紅肉獼猴桃紅色延遲且花色素苷含量下降;應用RNAi（RNA interference）技術干涉F3H和UFGT基因表達，檢測到草莓花色素苷水平大幅減少。

2.2 花色素苷生物合成的調節基因

花色素生物合成基因除了結構基因外，還有一類可調控花色素合成的調節基因。調節基因是在轉錄水平上，對結構基因的表達進行調控，花色素中的調節基因一般是轉錄因子。調控花色素合成的轉錄因子主要分為3類：MYB家族、bHLH家族和WD40重復蛋白[18]。但研究表明，調控結構基因的轉錄從來不是單個轉錄因子作用的結果，花色素的合成通常會受1個大的轉錄因子復合體的調控[19]。MYB、bHLH和WD40蛋白相互作用形成一個大的轉錄復合體MYB-bHLH-WD40（MBW）（圖2）。轉錄因子是一類DNA結合蛋白，能夠與結構基因啟動子中含有的能被識別的順式作用元件發生特異性結合，單獨或協同調節花色素苷生物合成途徑中1個或多個結構基因的表達，從而有效控制花色素苷的合成[20]。如Yao等[21]研究發現轉錄因子MYB114與bHLH3共同調節紅皮梨花色素苷的合成;類似地，MYB10.1、MBW復合體和MYBPA1類型的MYB轉錄因子分別參與了甜櫻桃[22]、血橙[16]和藍莓[23]的花色素苷合成;MYB10在光誘導草莓[24]、紅肉蘋果[25-26]花色素苷合成中擔負著重要的調節作用;套袋處理能引起蘋果表觀遺傳變化，使綠皮轉變為紅皮，主要與去袋后MYBs受光激活促進花色素苷積累有關[27]。轉錄因子除了正向調控花色素苷積累外，還存在負向調控方式。如MYB1、MYB4和MYB16分別負向調控草莓[28]、葡萄[29]和蘋果[30]的花色素苷合成。轉錄因子的功能可以在煙草等模式植物中得到間接驗證。如MYB114和MYB10共轉化到煙草或草莓后可引起轉基因植株花色素苷含量明顯升高[21];紅皮桃MYB10.1[31]、蘋果MYB1和bHLH3[32]分別轉入煙草中表達后，發現煙草花色素苷積累明顯升高。

2.3 光照調節花色素苷生物合成機制

花色素苷生物合成除受自身遺傳背景的調控外，還受外界環境因子的影響。光照是影響果實花色素苷合成最重要的環境因子。一方面，光照可通過影響光合作用促進糖、苯丙氨酸等花色素苷前體物質的合成;另一方面，光照可通過光信號轉導途徑調控花色素苷生物合成的結構基因和相關轉錄因子的表達，進而促進花色素苷的積累[8]。植物對光信號的響應是復雜而精細的，目前已知與花色素苷合成有關的光受體有感受紅光/遠紅光的光敏色素、感受藍光和UV-A的隱花色素和向光素、感受UV-B的UVR8受體（UV Resistance Locus 8）[33]。將光信號與花色素苷合成直接聯系起來的是光形態建成調控因子HY5和COP1（Constitutive photomorphogenic 1）。在擬南芥和茄子上的相關研究顯示，光照條件下，光受體與COP1相互作用，抑制COP1的負向調控功能，下游轉錄因子HY5就可以通過MYB激活花色素苷合成基因，從而促進花色素苷的積累（圖2）;黑暗條件下，COP1泛素化降解HY5，抑制花色素苷的積累[34-36];HY5還可以通過抑制花色素苷負向調控因子MYBL2表達，提高MBW復合體的穩定性，進而促進花色素苷后期合成基因表達，引起花色素苷積累[37]。楊俊楓等[38]發現UV可能通過誘導PAL和UFGT的轉錄激活促進北高叢藍莓“北陸”果實花色素苷的積累。

在果樹生產實踐中，一方面可以通過套袋、葉幕管理、架遮陽網和地面遮陰等措施，適當降低光照強度，改變光質成分，防止果實日灼，使果實著色均勻;另一方面，可以通過鋪反光膜和補光，適當延長光照時間，提高光照強度，增加花色素苷積累，促進果實著色。生產上經常采用果實套袋等栽培技術改進果實的著色，其依據是不同光質、光強及光照時間會對果實花色素苷的積累產生不同的影響。如冀曉昊等[39]研究發現，不同顏色果袋對葡萄花色素苷積累產生差異，其調控路徑可能是通過影響轉錄因子HY5的表達，進而調控轉錄因子MYBA1和結構基因如CHS、LDOX和UFGT等的表達來實現的。類似地，不同紅皮梨受光著色差異不僅與MYB10、bHLH33及WD40的不同調控方式有關，還與HY5、COP1等調控因子的參與有關[40]?？梢?，光照對果實花色素苷合成的調控機制也是復雜的。

當然，除了光照，還有溫度與激素等內外因子均會對藍莓果實花色素苷的合成與積累產生較大影響。內源激素主要是通過調節花色素苷合成途徑中的結構基因或轉錄因子的表達[41]，或者通過誘導糖類物質的合成[42]進而影響花色素苷的積累。花色素苷生物合成過程中所涉及的各種酶類活性受到溫度的高低變化的影響，溫度過高或過低都會抑制相關酶類活性進而抑制花色素苷的合成[43-44]。

3 展望

目前，我國藍莓產業及相關研究正處于上升時期，研究藍莓花色素苷生物合成及其調控機制，有利于果實色澤育種及提高果實品質，是藍莓產業化進程中很重要的應用基礎研究課題。雖然果實花色素苷合成及調控機制在蘋果、葡萄和梨等大宗水果中的研究相對較多，但在藍莓這種富含花色素苷的特色漿果中的相關研究還相對滯后。栽培上藍莓種類品種較多，不同種類品種藍莓果實花色素苷生物合成中，哪些結構基因起到關鍵的調控作用;不同藍莓種類品種間有何差異;進一步，關鍵結構基因的表達又受哪些關鍵調節基因（轉錄因子）的調控;光照等內外因子在調控藍莓果實花色素的合成的內在機制也還需要進一步揭示，以及在栽培生產實際中，可采用哪些措施有利于藍莓果實花色素苷的合成與積累，進而提高果實品質等等，都還需要進一步去探索與實踐。

隨著組學研究的不斷深入，藍莓花色素苷的合成以及調控機理將會逐漸清晰，這將有利于更好地開發利用花色素苷，推動藍莓產業的可持續發展。

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