荔枝果皮花色苷生物合成及調控機理研究進展

陳嘉怡 趙杰堂 王惠聰 胡桂兵

摘? 要：荔枝是無患子科荔枝屬的亞熱帶常綠果樹，具有很高的商業價值。荔枝果皮色澤由多種色素決定，是影響消費者需求的重要品質性狀。果實著色是花色苷積累的結果，荔枝果皮花色苷的生物合成是一個復雜的過程，主要由遺傳背景決定，同時受內外環境影響。本文重點介紹荔枝果皮花色苷的生物合成途徑，從外界環境、生理生化以及分子生物學等方面，對花色苷積累的調控機制進行綜述，并展望該領域的研究方向，為提升荔枝果實的色澤品質提供重要參考。

關鍵詞：荔枝;果皮;花色苷;生物合成;調控

中圖分類號：S667.1? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Litchi is a subtropical evergreen fruit tree， which has high commercial value. The color of litchi fruit is an important quality character that affects market appealing. The color of litchi fruit decides by various pigments. The red coloration of litchi pericarp during maturation mainly due to the accumulation of anthocyanins. The biosynthesis of anthocyanins in litchi pericarp involves multiple steps and is regulated by different factors. With the wide application of molecular biology techniques， the research on anthocyanin biosynthesis and regulation has attained substantial progress in recent years. Numerous papers about the biosynthesis of anthocyanins in litchi has also been published. Here， we summarize the research results in recent years on domestic and foreign studies on litchi amthocyanins. The biosynthetic pathway of anthocyanins in litchi pericarp was reviewed. And the effects of the external environment， physiology and biochemistry， and molecular biology on the accumulation of anthocyanins were comprehensively summarized to provide theoretical guidance for better fruit coloration through breeding or cultural attempts.

Keywords： litchi; pericarp; anthocyanins; biosynthetic pathway; regulation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.10.012

荔枝（Litchi chinesis Sonn.）為無患子科荔枝屬植物，是我國大宗的熱帶、亞熱帶果樹，經濟栽培主要分布在廣東、廣西、福建、云南、海南和臺灣等省區，近10年栽培面積穩定在58萬hm2左右（占全球80萬hm2的72.5%），但產量呈增加趨勢，2018年我國荔枝產量首次突破300萬t，占全球荔枝總產量的70%[1]。荔枝是典型的具假種皮果實，色香味俱佳，果肉（假種皮）富含各種人體所需的營養物質，是我國南方具有極高商業價值的亞熱帶水果，深受消費者青睞。

隨著經濟社會的發展，人們的消費水平逐步提高，對果實的品質要求也逐步提升。果皮顏色作為荔枝重要的商品性狀之一，很大程度上影響著消費者的購買欲望。消費者往往會將成熟美味，口感清甜等特點與荔枝果皮紅艷聯系在一起。商業銷售品種果皮色彩一般為鮮艷明亮的紅色至紫紅色。以‘妃子笑為例，該荔枝品種因其豐產穩產，果大肉厚的優良品質在廣東省受到大力推廣，但由于果皮著色較差，成熟果實通常著色不均勻甚至不著色，導致市場上消費者的接受度下降，嚴重影響了果實商品性。王惠聰等[2]認為，‘妃子笑荔枝果實著色差是因為其果皮中的葉綠素降解慢，妨礙花色苷的合成，因此，呈現明顯‘滯綠的特點。荔枝果皮的紅色表色，主要是花色苷合成積累的結果。花色苷，又名花青素、花色素苷，是使植物的花、果實、種子等呈現鮮艷顏色的主要色素，同時，作為一種重要的水溶性色素，在植物處于低溫、干旱、強光等逆境時，有助于提高植株抗性和適應不良環境的能力[3];另外，花色苷在改善視力、防止肥胖、保護心血管功能等營養保健方面也有巨大潛力[4]。花色苷屬黃酮類化合物，基本碳骨架結構為C6-C3-C6，由糖與花色素以糖苷鍵結合成，常見花色素有矢車菊色素、飛燕草色素、天竺葵色素、芍藥色素、錦葵色素和矮牽牛花色素[5]。關于荔枝果皮花色苷的種類前人早已鑒定：張昭其等[6]通過對荔枝果皮中花青素的純化與結構鑒定得出主要花色苷成分為矢車菊-3-蕓香二糖;何會[7]對經大孔樹脂純化后的荔枝果皮花色苷樣品分析發現，除含有矢車菊-3-蕓香糖苷外，其余還包括矢車菊-3-葡萄糖苷、槲皮素-3-蕓香糖苷、槲皮素-3-葡萄糖苷等其他花色苷;Wei等[8]通過對6個紅色荔枝品種進行了HPLC分析，發現矢車菊-3-蕓香糖苷為荔枝果皮花色苷的基本組成，這與前人報道結果基本一致。

除了MYB、bHLH和WD40三大類轉錄因子家族外，其他轉錄因子和調控基因也會影響花色苷的生物合成。microRNAs（miRNAs）是一類非編碼小分子RNA，SQUAMOSA PROMOTERBINDING PROTEIN-LIKE（SPL）是一種負轉錄因子，前者在轉錄后水平上調控靶基因表達，增強植物對脅迫的抵抗能力[42]，后者是前者的其中一個靶標基因。在擬南芥中，SPL9在miR156調控下表達，通過干擾MYB-bHLH-WD40轉錄復合物的完整性對花青素合成起負調控作用[43]。在研究荔枝果皮花色苷合成的轉錄后調控過程中，miR156a和新型microRNA（NEW41）分別靶向LcSPL1/2轉錄因子和LcCHI基因，其中，LcSPL1通過與LcMYB1的相互作用而負調控花色苷的生物合成，LcMYB1在之前已被證實是荔枝果皮花色苷合成的關鍵基因[38， 44]。NAC轉錄因子主要參與調控植物成熟衰老過程和抵抗逆境的能力，研究發現，NAC轉錄因子與MBW復合物的相互作用形成了調節花色苷生成的一種調控途徑[45-46]。在荔枝的相關研究中，LcNAC13直接與花色苷生物合成相關基因的啟動子結合，包括LcCHS、LcCHI、LcF3H、LcF3'H、LcDFR和LcMYB1，并抑制它們的轉錄;一個新分離出來的R1-MYB轉錄因子- LcR1MYB1，作為LcNAC13的阻遏物逆轉其對花色苷生物合成的抑制作用[47]。以上結果說明荔枝果實除了以MYB為中心調節花色苷合成的機制外，其他轉錄因子也可能直接參與花色苷合成的轉錄調節。

3? 影響荔枝果皮花色苷合成內外因素

3.1? 光照

光照是影響花色苷生物合成的主要環境因素，植物對光的反應由4種不同類型的光受體介導：光敏色素（Phytochromes， PHYs）、向光素（Phototropins，PHOTs）、隱花色素（Cryptochromes， CRYs）和UVR8。COP1（Constitutive photomorphogenic 1）蛋白是光信號轉導中一種重要的負調控因子，一般認為，光受體通過識別并傳遞不同的光信號，直接或間接影響相關基因表達[48-49]。早有研究報道套袋使內源激素ABA水平升高，GA1/3水平降低來調節果皮花色苷合成，從而促進‘妃子笑荔枝果實著色[50-51]。通過研究初步得到光對荔枝果皮花色苷合成的影響機制：解除遮光后，荔枝果皮中的4種光受體轉錄水平顯著增加，其中UVR8s表達量最高，認為UVR8可能是荔枝果皮中最重要的光感受器，紫外線（UV-B）對荔枝果皮著色效果最強;同時，隨著COP1和COP10的轉錄水平逐漸降低，幾乎所有參與花色苷生物合成的結構基因和調控基因表達均上調，從而使花色苷含量增加，這2個光信號轉導元件可能參與了花色苷的生物合成調控[9， 52]。光調節花色苷生物合成的簡化模型如圖2所示。

3.2? 溫度

溫度是影響果實著色的另一個重要環境因子。溫度能直接影響相關結構基因的表達，通過低溫誘導，高溫抑制這些基因的表達來調控花色苷合成[53]，這在很多物種中得到驗證，如玉米、擬南芥、蘋果、葡萄等[54-57]。同時，溫度也能影響花色苷結構的穩定性。在低溫、常溫和高溫處理下，荔枝果皮顯示不同顏色，進而發現低溫下花色苷穩定，常溫下花色苷正常降解，高溫下花色苷迅速降解[58];但并非低溫處理都能促進花色苷積累，胡位榮等[59]發現過低的低溫，即冷害也會破壞荔枝果皮花色苷穩定性，導致果實發生褐變。

3.3? 礦質營養

不同礦質元素對果實著色影響不同，不同的施肥技術也會對果實著色產生不同效果，常見礦質元素如N、P、K、Ca、Mg等對荔枝果皮著色具有重要作用。N、P是植物細胞中許多重要化合物的組成成分，其中，N是葉綠素組成成分，在植物生理反應中起調節作用，研究表明，植物在N、P水平低時顯示出低含量的葉綠素和高含量的花色苷[60]。在荔枝研究方面，周開兵等[61]通過葉面噴施P、K和Ca肥發現可以促進‘三月紅荔枝果皮著色;張銳[62]以‘三月紅‘白糖罌分析果實發育中營養元素含量與果皮著色關系，發現果皮色素含量與果皮總鈣含量密切相關，其中與花色苷含量呈正相關，與葉綠素含量呈負相關，說明果皮Ca是影響果皮紅色發育的關鍵營養素;蘇陽[11]通過比較荔枝著色不良品種和著色良好品種之間K、Ca、Mg含量的變化，發現全Ca含量與果皮內源激素含量具有顯著相關性，而此前已有研究報道，激素是調節荔枝果皮花色苷代謝相關酶活性的重要因素[24];高丹[63]在此基礎上進一步得出結論，礦質元素可能是通過影響荔枝果皮內源激素含量，如脫落酸和乙烯，進而提高花色苷合成酶UFGT和葉綠素降解PAO（脫鎂葉綠酸a氧化酶）的活性，最終促進荔枝果皮表現為紅色。

3.4? 植物激素

果實花色苷合成受多種植物激素影響，不同植物激素可單獨或共同調控果實花色苷的合成相關基因的表達[64]。分析荔枝果皮花色苷與內源激素含量之間的關系發現，在果實成熟后期，ABA含量增加并誘導乙烯生成啟動果實成熟，花色苷迅速合成使果皮轉為紅色[51， 65]。LcMYB1是荔枝果皮花色苷合成的關鍵基因，能受多種植物激素調控，通過對其進行啟動子序列分析發現具有多種激素應答元件，包括生長激素應答元件（TGA）、脫落酸應答元件（ABRE）、赤霉素應答元件（GARE）[38]。Wei等[8]通過對‘妃子笑噴施ABA和CPPU發現，ABA通過增加LcUFGT的表達量來促進花色苷的積累，CPPU可能通過拮抗ABA影響花色苷的合成。為了進一步了解ABA對荔枝果實著色的影響機制，Hu等[66]在荔枝中分離出3個ABA響應元件結合蛋白，分別為LcABF1、LcABF2和LcABF3，分析發現LcABF1通過激活荔枝中與葉綠素降解相關的基因表達來誘導葉綠素降解;LcABF3能夠直接調節結構基因和調控基因的表達;LcABF2也參與葉綠素降解，但只能激活LcF3H和LcDFR的表達，因此其在花色苷生物合成中的作用需要進一步驗證。

3.5? 其他因素

除上述影響因子外，pH和糖含量也可以調控荔枝果皮花色苷的合成。由于不同花色苷的結構差異，在不同酸堿條件下能顯示不同顏色，酸性條件可促進花色苷的合成[67]。糖是植物花色苷合成的原料，可溶性糖含量高低影響花色苷的生物合成。雷鳴[68]對‘紅地球葡萄分別用葡萄糖、果糖、蔗糖、鼠李糖處理發現所有處理均使果實中花色苷的積累增加。尹金華等[13]、龐學群等[10]、王家保等[69]對荔枝果皮花色苷合成相關因素分析發現，pH通過影響花色苷的穩定性來調節花色苷積累，在酸性條件下花色苷結構更穩定，其中在pH值為3.0～4.0的范圍能表現出較好的紅色，并且，花色苷隨著pH值的增加降解加快;而在不同品種中，糖含量變化規律不同，糖含量對花色苷含量的影響也不同，因此糖對荔枝果皮花色苷合成的調控機制還待明確。

4? 研究展望

近年來，荔枝果皮花色苷的合成與調控研究取得較大的進展，克隆并驗證許多相關結構基因和調控基因的功能;光照、礦質營養、植物激素等影響因子對花色苷合成的影響機制已初步明確。今后研究應注重以下兩方面的研究開發：一是進一步研究荔枝果皮花色苷轉錄水平調控，以MYB為中心分析其他轉錄因子對花色苷的調控機制;二是明確各因子對荔枝果皮花色苷合成的綜合調控路徑，篩選出能夠提高花色苷含量或穩定其結構，提升荔枝果實色澤的農藝措施。

參考文獻

齊文娥， 陳厚彬， 羅? 滔， 等. 中國大陸荔枝產業發展現狀、趨勢與對策[J]. 廣東農業科學， 2019， 46（10）： 132-139.

王惠聰， 黃旭明， 黃輝白. ‘妃子笑荔枝果實著色不良原因的研究[J]. 園藝學報， 2002， 29（5）： 408-412.

常仁杰， 何? 勇， 朱祝軍. 植物花色苷抗逆性作用研究進展[J]. 北方園藝， 2013， （9）： 216-219.

徐貞貞， 廖小軍. 花色苷生理功能研究進展[J]. 中國食物與營養， 2014， 20（10）： 65-68.

張慶田， 艾? 軍， 李昌禹， 等.果實花色苷的生物合成及調控[J]. 特產研究， 2010， 32（4）： 65-67.

張昭其， 龐學群， 段學武， 等. 荔枝采后果皮花色素苷的降解與花色素苷酶活性變化[J]. 中國農業科學， 2003， 36（8）： 945-949.

何? 會. 荔枝果皮中花色苷的分離純化、結構鑒定及其抗氧化活性[D]. 武漢： 華中農業大學， 2009.

Wei Y Z， Hu F C， Hu G B， et al. Differential expression of anthocyanin biosynthetic genes in relation to anthocyanin accumulation in the pericarp of Litchi chinensis Sonn[J]. PLoS One， 2011， 6（4）： e19455.

魏永贊， 胡福初， 鄭雪文， 等. 光照對荔枝果實著色和花色素苷生物合成影響的分子機制研究[J]. 園藝學報， 2017， 44（7）： 1363-1370.

龐學群， 張昭其， 段學武， 等. pH值和溫度對荔枝果皮花色素苷穩定性的影響[J]. 園藝學報， 2001（1）： 25-30.

蘇? 陽. 荔枝果皮鉀、鈣和鎂含量變化與著色發育的關系[D]. 海口： 海南大學， 2015.

胡桂兵， 高飛飛， 陳大成， 等. 套袋對荔枝果皮中的色素、酚類物質和內源激素的影響[J]. 華南農業大學學報， 2001（1）： 31-34.

尹金華， 高飛飛， 胡桂兵， 等.? ABA和乙烯對荔枝果實成熟和著色的調控[J]. 園藝學報， 2001， 28（1）： 65-67.

魏永贊， 張紅娜， 賴? 彪， 等. 脫落酸和吡效隆對荔枝果皮著色的影響[J]. 果樹學報， 2014， 31（4）： 653-659， 750.

Holton T A， Cornish E C. Genetics and biochemistry of anthocyanin biosynthesis[J]. The Plant Cell， 1995， 7： 1071- 1083.

劉? 文. 蘋果花色苷研究進展[J]. 安徽農業科學， 2015， 43（26）： 4-5， 29.

He F， Mu L， Yan G L， et al. Biosynthesis of anthocyanins and their regulation in colored grapes[J]. Molecules， 2010， 15（12）： 9057-9091.

Li X J， Zhang J Q， Wu Z C， et al. Functional characterization of a glucosyltransferase gene， LcUFGT1， involved in the formation of cyanidin glucoside in the pericarp of Litchi chinensis[J]. Physiologia Plantarum， 2016， 156（2）： 139-149.

Li X J， Lai B， Zhao J T， et al. Sequence differences in LcFGRT4 alleles are responsible for the diverse anthocyanin composition in the pericarp of Litchi chinensis[J]. Molecular Breeding， 2016， 36： 93

Dooner H K， Robbins T P， Jorgensen R A. Genetic and developmental control of anthocyanin biosynthesis[J]. Annual review of genetics， 1991， 25： 173-199.

高國應， 伍小方， 張大為， 等. MBW復合體在植物花青素合成途徑中的研究進展[J]. 生物技術通報， 2020， 36（1）： 126-134.

李? 平， 陳大成， 胡桂兵， 等. 荔枝果實發育過程中果皮色素的變化[J]. 熱帶亞熱帶植物學報， 1999（1）： 53-58.

王惠聰， 黃旭明， 胡桂兵， 等. 荔枝果皮花青苷合成與相關酶的關系研究[J]. 中國農業科學， 2004， 37（12）： 2028-2032.

張? 寧， 胡宗利， 陳緒清， 等. 植物花青素代謝途徑分析及調控模型建立[J]. 中國生物工程雜志， 2008， 28（1）： 97-105.

Boss P K， Davies C， Robinson S P. Expression of anthocyanin biosynthesis pathway genes in red and white grapes[J]. Plant Molecular Biology， 1996， 32： 565-569.

Kobayashi S， Ishimaru M， Hiraoka K， et al. Myb-related genes of the Kyoho grape （Vitis labruscana） regulate anthocyanin biosynthesis[J]. Planta， 2002， 215（6）： 924-933.

趙志常， 胡福初， 胡桂兵，等. 荔枝類黃酮糖基轉移酶（UFGT）基因的克隆及其原核表達研究[J]. 廣西師范大學學報（自然科學版）， 2011， 29（4）： 104-110.

Zhao Z C， Hu G B， Hu F C， et al. The UDP glucose： flavonoid-3-O-glucosyltransferase （UFGT） gene regulates anthocyanin biosynthesis in litchi （Litchi chinesis Sonn.） during fruit coloration[J]. Molecular Biology Reports， 2012， 39： 6409-6415.

Winkel-Shirley B. Flavonoid biosynthesis. A colorful model for genetics， biochemistry， cell biology， and biotechno logy[J]. Plant Physiology， 2001， 12（2）6： 485-493.

Hu B， Zhao J， Lai B， et al. LcGST4 is an anthocyanin-related glutathione S-transferase gene in Litchi chinensis Sonn.[J]. Plant Cell Reports， 2016， 35： 831-843.

Xie D Y， Sharma S B， Paiva N L， et al. Role of anthocyanidin reductase， encoded by BANYULS in plant flavonoid biosynthesis[J]. Science， 2003， 299（5605）： 396-399.

Liu Y， Shi Z， Maximova S， et al. Proanthocyanidin synthesis in Theobroma cacao： Genes encoding anthocyanidin synthase， anthocyanidin reductase， and leucoanthocyanidin reductase[J]. BMC Plant Biology， 2013， 13： 202.

賴? 彪. 荔枝果皮花色素苷生物合成關鍵調控因子的篩選及其功能驗證[D]. 廣州： 華南農業大學， 2016.

Seo M S， Kim J S. Understanding of MYB transcription factors involved in glucosinolate biosynthesis in Brassicaceae [J]. Molecules， 2017， 22（9）： 1549.

Koes R， Verweij W， Quattrocchio F. Flavonoids： A colorful model for the regulation and evolution of biochemical pathways[J]. Trends in Plant Science， 2005， 10（5）： 236-242.

牛姍姍. MYB對楊梅果實花青素苷合成的調控及其機制[D]. 杭州： 浙江大學， 2011.

Espley R V， Hellens R P， Putterill J， et al. Red colouration in apple fruit is due to the activity of the MYB transcription factor， MdMYB10[J]. The Plant Journal， 2007， 49（3）： 414-427.

Christie P J， Alfenito M R， Walbot V. Impact of low-temperature stress on general phenylpropanoid and anthocyanin pathways： Enhancement of transcript abundance and anthocyanin pigmentation in maize seedlings[J]. Planta， 1994， 194（4）： 541-549.

Leyva A， Jarillo J A， Salinas J， et al. Low temperature induces the accumulation of phenylalanine ammonia-Lyase and chalcone synthase mRNAs of Arabidopsis thaliana in a light-dependent Manner[J]. Plant Physiology， 1995， 108（1）： 39-46.

Mori K， Sugaya S， Gemma H. Decreased anthocyanin biosynthesis in grape berries grown under elevated night temperature condition[J]. Scientia Horticulturae， 2005， 105（3）： 319-330.

Ubi B E， Honda C， Bessho H， et al. Expression analysis of anthocyanin biosynthetic genes in apple skin： Effect of UV-B and temperature[J]. Plant Science， 2005， 170（3）： 571-578.

龐學群， 黃雪梅， 楊曉棠， 等. 多酚氧化酶在荔枝果皮花色素苷降解中的作用[J]. 中國農業科學， 2008， 41（2）： 540-545.

胡位榮， 張昭其， 季作梁， 等. 荔枝冷害過程中果皮色澤、花色素苷和類黃酮含量的變化[J]. 園藝學報， 2004， 31（6）： 723-726.

Messenger A S， Hruby B A. Response of interveinally chlorotic red maple trees treated with medicaps or by soil acidification[J]. Journal of Environmental Horticulture，1990， 8（1）： 5-9.

周開兵， 蘇? 舉， 徐遠鋒. 磷、鉀和鈣元素對三月紅荔枝果皮著色的影響[J]. 中國土壤與肥料， 2007（6）： 54-57.

張? 銳. 荔枝果皮在著色發育過程中的鉀、鈣與鎂含量變化及其對著色的影響[D]. 海口： 海南大學， 2014.

高? 丹. 鉀、鈣和鎂葉面營養對三月紅荔枝果皮著色的調節效果及其分子生理成因[D]. 海口： 海南大學， 2016.

馬? 麗， 郭修武， 喬? 軍， 等. 果實花色苷合成激素調控的研究進展[J]. 北方園藝， 2006（3）： 42-43.

尹金華， 高飛飛， 祝曙華. 妃子笑荔枝果皮花色苷合成的相關因素分析[J]. 華南農業大學學報， 2001， 22（2）： 18-20.

Hu B， Lai B， Wang D， et al. Three LcABFs are involved in the regulation of chlorophyll degradation and anthocyanin biosynthesis during fruit ripening in Litchi chinensis[J]. Plant and Cell Physiology， 2019， 60（2）： 448-461.

Saure M C. External control of anthocyanin formation in apple[J]. Scientia Horticulturae， 1990， 42（3）： 181-218.

雷? 鳴. 植物生長調節劑、糖、光質對紅地球葡萄果實品質的影響[D]. 合肥： 安徽農業大學， 2008.

王家保， 劉志媛， 杜中軍， 等. 荔枝果實發育過程中果皮顏色形成的相關分析[J]. 熱帶作物學報， 2006， 27（2）： 11-17.