植物類黃酮的分類、藥理活性及其生物合成調控研究進展

摘要要：類黃酮是植物中重要的次生代謝產物之一，包括黃酮、黃酮醇、異黃酮、黃烷酮、黃烷醇、查爾酮、花青素和原花青素等，在植物生長發育和逆境脅迫響應過程中發揮重要作用，同時具有抗氧化、抗衰老、抗菌消炎等藥理活性。植物類黃酮的生物合成主要受兩類基因控制，一類是直接編碼類黃酮合成相關生物酶的結構基因，另一類是調控這些結構基因表達的轉錄因子。本文對植物類黃酮的種類、藥理活性及其生物合成調控研究進展進行了綜述，并探討了今后的研究趨勢，以期為植物類黃酮的研究和開發應用提供科學依據。

關鍵詞：植物；類黃酮；藥理活性；生物合成；轉錄因子

中圖分類號：Q946.8" " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " "文章編號：2095-5774（2024）02-0081-19

Research Progress on the Classification，Pharmacological Activity，

and Biosynthesis Regulation of Plant Flavonoid

Lai Ruilian1，2，Wu Rujian1，Lai Zhongxiong2*

（1 Fruit Research Institute，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou，Fujian 350013，China；

2 Institute of Horticultural Biotechnology，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China）

Abstract：Flavonoid was one of the important secondary metabolites in plants，including flavone，flavonol，isoflavone，flavanone，flavanol，chalcone，anthocyanidin and proanthocyadin. Plant flavonoid played important roles in plant growth，development and stress response，and had pharmacological activities such as antioxidant，anti-aging，antibacterial and anti-inflammatory properties. The biosynthesis of plant flavonoid was mainly controlled by two types of genes： the structural genes that directly encoded enzymes related to flavonoid biosynthesis，and the transcription factors that regulated the expression of these structural genes. This review focused on the classifications，pharmacological activities，and biosynthetic regulations of plant flavonoid，and explored the future research trends. Thus，this review was expected to provide scientific basis for the research and application of plant flavonoid.

Key words：Plant；Flavonoid；Pharmacological activity；Biosynthesis；Transcription factor

植物類黃酮包括黃酮、黃酮醇、異黃酮、黃烷酮、黃烷醇、查爾酮、花青素和原花青素等，其生物合成過程首先由查爾酮合成酶（Chalcone synthase，CHS）催化4-香豆酰輔酶A和丙二酰輔酶A合成查耳酮，隨后在查耳酮異構酶（Chalcone isomerase，CHI）的作用下異構化形成柚皮素，柚皮素作為主要的中間產物參與多種類黃酮組分的生物合成［1］。植物類黃酮的生物合成主要受兩類基因控制：一類是直接編碼類黃酮合成相關生物酶的結構基因；另一類是調控這些結構基因表達的轉錄因子，主要包括MYB、bHLH和WD40等，這些轉錄因子通過單獨作用或組成調控復合體，與靶基因啟動子特定區域結合從而激活或抑制靶基因轉錄［2］。

類黃酮是植物中重要的次生代謝產物，具有清除活性氧自由基功能，廣泛參與植物生長發育和逆境脅迫響應過程。同時，植物類黃酮具有抗氧化、抗衰老、抗菌消炎等藥理活性，有著重要的開發應用前景。本文對植物類黃酮的種類、藥理活性及其生物合成調控研究進展進行了綜述，并探討了植物類黃酮今后的研究和開發趨勢。

1 植物類黃酮的分類與功能

圖1" " 植物類黃酮的基本骨架

Figure 1" " Basic skeleton of plant flavonoid

植物類黃酮以C6-C3-C6作為基本骨架結構（見圖1），根據中心環的氧化程度可分成8個大類，包括查爾酮、黃烷酮、黃酮、異黃酮、黃酮醇、花青素、黃烷醇和原花青素。此外，兩側環上的甲基和羥基可通過糖基化或酰基化修飾形成黃酮苷，最終形成多種類型的衍生物。

1.1 查爾酮

查爾酮又稱為1，3-二苯基丙烯酮，在基本骨架兩側的C6環上攜帶有多個修飾或未修飾的戊烯基，是其他類黃酮組分合成的前體物質［1］。查爾酮存在順式和反式兩種同分異構體［3］，其中代表性的查爾酮包括柚皮素查爾酮、圣草素查爾酮和松屬素查爾酮［4］。CHS是合成查爾酮的關鍵酶，能夠催化4-香豆酰輔酶A和丙二酰輔酶A生成雙環的柚皮素查爾酮。

在藥理活性方面，查爾酮及其衍生物具有抗氧化、抗癌、抗瘧疾、抗原蟲、抗炎、抑菌等多種功效，具備治療多種疾病的臨床潛力［3］。研究表明，查爾酮能夠誘導癌細胞的細胞周期阻滯從而導致細胞凋亡，有些查爾酮具有微管蛋白聚合能力和動態酶抑制活性而表現出較高的療效，因此查爾酮也被用作抗癌藥物［5］。許多羥基查爾酮在其苯基環上具有異戊二烯基取代基從而發揮抗氧化作用，并且能夠對瘧原蟲的半胱氨酸蛋白酶和惡性瘧原蟲周期蛋白依賴型蛋白激酶起作用從而起到良好的抗瘧疾活性，同時可抑制寄生蟲線粒體的富馬酸還原酶活性并有效抑制多種原生動物寄生蟲的增殖［3］。

1.2 黃烷酮

黃烷酮又稱為2，3-二氫黃酮，與其他類黃酮相比，黃烷酮中間環的C-2和C-3之間為飽和雙鍵。植物中常見的黃烷酮包括柚皮素、圣草素、橙皮素、松屬素和櫻桃苷等［1］。參與植物黃烷酮生物合成的關鍵酶主要是CHI，這一限速酶能夠催化柚皮素查爾酮分子內閉合環化形成具有生物活性的三環黃烷酮，例如柚皮素等。

黃烷酮具有廣泛的藥理活性，主要體現在抗氧化、消炎、抑菌、抗癌、降低膽固醇、預防心血管疾病等方面［6］。例如，黃烷酮可以通過調節血糖和血脂代謝，改善腎功能，影響增強胰島素敏感性和葡萄糖攝取相關的信號通路，用于預防和治療糖尿病及其并發癥［7］；黃烷酮柚皮素可能通過抑制COVID-19的3-糜蛋白酶和降低血管緊張素轉換酶的活性起到抗病毒作用，并在一定程度上減輕炎癥反應［8］；黃烷酮能顯著激活人體肝癌細胞的自噬作用，觸發細胞活性氧釋放，從而抑制癌細胞增殖［9］。

1.3 黃酮

黃酮是植物類黃酮中數量最龐大的一類，其骨架中C-2和C-3之間存在雙鍵且包含不飽和C-3鏈，植物黃酮大多以糖苷的形式存在。代表性的植物黃酮包括芹菜素、木犀草素、黃芩素、香葉木素和桔皮素等。黃酮合成酶（Flavone synthase，FNS）是植物中參與黃酮生物合成的關鍵酶，柚皮素作為大多數黃酮物質合成的前體，能夠被FNSⅠ或FNSⅡ催化生成黃酮［1］。

研究表明，植物黃酮具有廣泛的生物學功能，包括作為植物色素、調控生長發育、響應非生物脅迫和抵御病蟲侵害等［10］。例如，自然界中，紫外線B的波長為280～320 nm，而植物黃酮能夠吸收280～315 nm波段從而保護細胞免受紫外線B的損傷［11］；蔬菜中芹菜素和木犀草素的含量與跳甲的侵害情況相關，可能參與植株抵御蟲害［12］；亞麻（Linum usitatissimum）中芹菜素和木犀草素在早期開花階段大量積累，可能參與該階段生育過程［13］。此外，植物黃酮還可作為信號分子，促進植株根系與固氮菌互作［14］。

在藥理活性方面，黃酮類的木犀草素、芹菜素、3，4-二羥基黃酮、黃芩素、野黃芩素、苜蓿素、香葉木素、桔皮素等通過抑制相關基因表達、激活代謝途徑、改變酶活性等作用機制發揮抗菌消炎、抗氧化和調節微生物代謝等功能［15］。黃酮可以有效靶向抑制癌細胞中絲氨酸和蘇氨酸蛋白激酶活性，從而發揮抗腫瘤作用［16］。木犀草素可以作為皮膚的第一道防線，減少紫外線等光線對皮膚的損傷，同時對角質形成細胞和成纖維細胞，以及巨噬細胞、肥大細胞、中性粒細胞、樹突狀細胞等免疫細胞，具有抗氧化和抗炎活性，對皮膚老化和皮膚癌、傷口愈合以及炎癥性皮膚病具有藥理學功能［17］。此外，黃酮在治療糖尿病、健忘癥、阿爾茨海默病、抑郁癥和失眠癥等方面同樣具有良好的效果［18］。

1.4 異黃酮

異黃酮是一類基于3-苯基鉻-4-酮骨架結構的類黃酮，由兩個苯環連接在一個雜環上，苯環上的不同取代基形成不同的異黃酮。從結構上看，異黃酮存在12種異構體，分為4種化學式，包括苷配基、7-O-葡萄糖苷、6″-O-乙酰基-7-O-葡萄糖苷以及6″-O-丙二酰-7-O-葡萄糖苷［19］。自然界中的異黃酮普遍存在于豆科植物中，主要分為游離苷元和結合糖苷，其中游離苷元具有生物活性，而結合糖苷可在水解酶的作用下形成游離苷元［1，19］。植物中常見的異黃酮包括鷹嘴豆芽素A、刺芒柄花素、大豆黃素、染料木素和黃豆黃素等。參與植物異黃酮生物合成的關鍵酶主要是異黃酮合成酶（Isoflavone synthase，IFS），能夠以柚皮素為底物轉化為異黃酮。此外，一些植物的黃烷酮在IFS和2-羥基異黃酮還原酶（2-Hydroxyisoflavanone dehydratase，HID）的作用下也可以生成異黃酮。

植物異黃酮具有重要生物活性，包括促進植物與根瘤菌共生、抑制病原微生物生長、改善根際微生物多樣性、抵御生物和非生物脅迫等。如，大豆（Glycine max）根部的異黃酮能夠吸引根瘤

菌［20］，其合成受阻后根際微生物的多樣性發生變化［21］；染料木素可增強大豆（G. max）對菌核菌的抗性并提高病原菌侵染后植株葉片的抗氧化能力和多酚的積累水平［22］，而霉菌脅迫促進了大豆（G. max）異黃酮的合成并在霉菌應激響應過程中發揮作用［23］；黃瓜（Cucumis sativus）中染料木素和大豆黃素含量的升高可改變植株對熱脅迫的響應能力［24］；大豆（G. max）中大豆黃素和染料木素有助于提高干旱脅迫下種子的萌發率，減輕細胞損傷，增強細胞抗氧化活性和光合作用能力［25］。可見，異黃酮在植物抵御逆境脅迫過程中具有重要功能。

異黃酮可用于治療激素失調相關的疾病，例如預防乳腺癌、前列腺癌、心血管疾病以及減輕更年期癥狀等，同時對骨骼健康有積極的促進作用，可用于治療和預防骨質疏松癥等［26］。異黃酮作為植物雌激素，能夠有效預防代謝綜合征產生的因動脈硬化而引發的疾病，例如肥胖癥、高血壓、高血脂和血脂異常等［27］。在相關機制的最新的研究中發現，異黃酮能夠干擾癌細胞銅轉運基因的表達從而靶向內源性銅，引起促氧化信號傳導，導致細胞凋亡并抑制前列腺癌［28］；在影響體重和代謝方面，異黃酮能夠調節機體腸道微生物群落，降低蔗糖酶、纖維素酶和淀粉酶活性并提高蛋白酶活性，從而影響碳水化合物的吸收和代謝，調節體重和新陳代謝［29］；異黃酮可通過抑制神經炎癥，調節色氨酸代謝正常化，上調突觸可塑性相關蛋白的表達，發揮抗抑郁癥的作用［30］。

異黃酮還可以有效提高畜禽、水產的養殖效率和肉、蛋、奶等產品品質［31］。最近的研究表明，異黃酮類的染料木素可提高鰻魚雌性特異性基因表達并下調雄性特異性基因表達，通過改變鰻魚性別分化的分子通路誘導雌性化［32］；在妊娠期和哺乳期的飼料中添加異黃酮可有效提高母豬的繁殖性能和血清抗氧化水平，并促進其后代生長［33］；飼料中添加植物異黃酮可調節豬的腸道菌群，改變背膘厚度和豬肉品質［34］。蛋雞飼料中添加異黃酮可顯著提高產蛋率和降低蛋黃膽固醇，提高雞蛋生產效率和品質［35］。

1.5 黃酮醇

黃酮醇又稱為3-羥基黃酮，其典型特征是在兩側碳環上的-H被若干個其他基團取代。植物中的黃酮醇多與葡萄糖、半乳糖和鼠李糖等配糖體結合以糖苷化衍生物的形式存在于細胞液泡中［36］。常見的黃酮醇主要包括山奈酚、槲皮素、高良姜素、楊梅素、蘆丁和刺槐素等［1］。植物中參與黃酮醇生物合成的關鍵酶主要包括黃酮醇合成酶（Flavonol synthase，FLS）、黃烷酮羥化酶（Flavanone 3-hydroxylase，F3H）、黃酮醇3'-羥化酶（Flavonol 3'-hydroxylase，F3'H）和黃酮醇3'，5'-羥化酶（Flavonol 3'5'-hydroxylase，F3'5'H）。其中，F3H可將柚皮素中間環C-3羥基化形成二氫黃酮醇（包括二氫山奈酚、二氫槲皮素和二氫楊梅素）；二氫山奈酚側邊碳環的C-3位置被F3'H羥化后形成二氫槲皮素，C-3和C-5位置被F3'5'H同時羥化后形成二氫楊梅素，二氫槲皮素也可以被F3'5'H催化形成二氫楊梅素；FLS則直接催化二氫黃酮醇合成黃酮醇。

黃酮醇廣泛存在于植物的各類組織器官中，參與植物各個生物學過程。在植株生長發育方面，黃酮醇能夠調節根毛生長和花粉管極性發育，例如外源槲皮素能夠恢復擬南芥（Arabidopsis thaliana）突變體中根的正常生長［37］，煙草（Nicotiana tabacum）槲皮素和蘆丁含量提高后增加幼苗主根和根毛的長度［38］，外源山奈酚可促進功能性花粉管萌發障礙的矮牽牛（Petunia hybrida）突變體恢復花粉萌發和花粉管生長［39］；另一方面，黃酮醇與生長素、細胞分裂素、赤霉素和脫落酸等多種植物激素存在交互作用，參與植物發育和信號轉導過程［40］。黃酮醇還具有活性氧自由基清除功能，能夠增強植株對鹽堿、干旱、低溫和紫外線等非生物脅迫的耐受性，例如外源添加槲皮素可提高蘋果（Malus domestica）愈傷組織的抗鹽性并有效恢復鹽脅迫下愈傷組織的生長［41］，擬南芥（A. thaliana）中黃酮醇的積累可增強植株的抗氧化和抗干旱能力［42］，小麥（Triticum aestivum）的抗寒性與黃酮醇生物合成途徑的13種代謝物和14種酶密切相關［43］，紫外線輻射導致擬南芥（A. thaliana）中黃酮醇合成相關基因上調表達從而提高植株中黃酮醇的積累并緩解紫外線造成的損傷［44］。此外，植物黃酮醇還參與病原菌和昆蟲引起的生物脅迫防御過程，煙草（N. tabacum）中過表達擬南芥（A. thaliana）AtMYB12基因導致植株黃酮醇積累，其中蘆丁含量的增加有效提高植株對斜紋夜蛾和棉鈴蟲的抗性，而黃酮醇合成受阻后植株的抗蟲性下降［45］；蚜蟲入侵豌豆（Pisum sativum）后，提高了植株葉片中黃酮醇的含量，從而增強植株的防御機制［46］。可見，黃酮醇在植物生長發育、非生物脅迫響應和生物脅迫防御等過程中發揮重要作用。

在藥理活性方面，黃酮醇能夠對人體的生物反應進行修飾。例如，槲皮素能夠通過增加脂聯素，降低瘦素，抗氧化，抑制胰島素降低，阻斷鈣信號通道等機制調控機體代謝過程，發揮降血壓、降血脂、降血糖、抗病毒、抗腫瘤、抗炎癥、抑制微生物、保護神經系統和保護心臟等多種藥理活性［47］。山奈酚及其衍生物具有抗菌消炎、抗癌、保護神經和心臟、抗糖尿病、抗骨質疏松、抗焦慮、鎮痛和抗過敏等功能［48］。高良姜素可誘導癌細胞凋亡和抗血管生成，可作為潛在的癌癥治療藥物［49］。楊梅素參與機體細胞凋亡、糖酵解、能量平衡、脂質代謝、細胞周期調控等過程，起到抗癌、抗糖尿病、抑制肥胖、保護心血管和骨質疏松、保護肝臟等功效［50］。蘆丁的主要活性包括抗炎癥、抗糖尿病、抑制脂肪生成、保護神經等［51］。目前，植物黃酮醇已被廣泛應用于臨床醫學和各種疾病治療。

1.6 花青素

花青素是存在于植物細胞液泡中的天然色素，能夠使果、花和葉等植物器官呈現紫、紅和藍等多種顏色。花青素的基本結構為3，5，7-羥基-2-苯基苯并吡喃，根據苯基苯并吡喃上R基的不同，植物花青素種類可達600多種，其中最常見的包括矢車菊素、飛燕草素、矮牽牛素、芍藥花素、天竺葵素和錦葵素等［52］。植物花青素結構包含有暴露的羥基，易受酸堿、光照、溫度或重金屬離子等影響，具有不穩定性，因此細胞中的花青素通常以糖基化后的花色苷的形式存在［53］。植物花青素合成過程中參與調控的關鍵酶主要包括花青素合成酶（Anthocyanidin synthase，ANS）和無色花青素雙加氧酶（Leucoanthocyanidin dioxygenase，LDOX），這兩種酶均能夠將無色花青素氧化成有色的花青素。

植物花青素一方面參與細胞對低溫、干旱、鹽堿和重金屬等非生物脅迫的響應過程，同時能夠提高植株對病原菌或害蟲的防御能力。在遭受非生物逆境脅迫后，植物細胞通過應激反應誘導活性氧形成并作為信號分子激活花青素合成相關基因轉錄，細胞中的花青素積累后再用于清除多余的活性氧，從而參與非生物脅迫響應過程。研究表明，低溫條件下，富含花青素的甘薯（Ipomoea batatas）具有較強的耐受能力［54］，而不含花青素的植株通過低溫誘導花青素合成相關基因表達并促進花青素合成，從而提高自身耐受性［55］；干旱脅迫下，花青素可作為滲透調節劑維持機體水分平衡，提高擬南芥（A. thaliana）［56］和煙草（N. tabacum）［57］等植物的抗旱能力；鹽脅迫下，植物花青素的積累增強細胞內硝酸鹽代謝的主動調節作用并提高植株的生長能力［58］。植物花青素同樣參與病原微生物或害蟲引起的生物脅迫過程，例如指狀霉菌侵染柑橘（Citrus sinensis）后促進花青素含量的積累，有效抑制柑橘細胞壞死并提高果實對綠霉病的抗病性［59］；外源花青素能夠提高桃（Prunus persica）抗病相關基因表達和酶活性，通過抑制病原菌的生長提高桃對褐腐病的防御能力［60］；棉花（Gossypium hirsutum）蕾期葉片中花青素的積累與其對綠盲蝽的抗性能力呈正相關［61］。此外，花青素使植物形成多種艷麗色彩，吸引媒介昆蟲傳粉從而提高物種繁殖效率［62］。

植物花青素具有廣泛的藥理活性，例如通過抗炎、促進癌細胞凋亡和抑制癌細胞增殖的活性，起到預防和治療癌癥的作用［63］；調節肥胖引起的代謝紊亂和炎癥［64］；改善腸道微生物群落，預防與氧化應激相關的疾病，包括心血管病、神經退行性疾病等［65］；對睫狀肌有松弛作用，改善正常緊張性青光眼患者暗適應和改善視網膜血液循環［66］；通過抗炎和抗氧化作用用于治療循環系統、神經系統、內分泌系統、消化系統、感覺系統、泌尿系統和免疫系統等多種相關疾病［67］。

1.7 黃烷醇

黃烷醇的典型特征是中心環的C-3被羥基化，不同黃烷醇之間3個環上的酚羥基有所差異。自然界中總共有4種類型的黃烷醇，黃烷-3-醇、黃烷-4-醇、異黃烷-4-醇和黃烷-3，4-醇，其中代表性的組分包括兒茶素、阿福豆素、棓兒茶素和表兒茶素等。作為一種天然的植物代謝物，黃烷醇普遍存在于杏、蘋果、可可、茶、桃、李、櫻桃、核桃、草莓和葡萄等園藝作物中［68］。與其他類黃酮組分一樣，黃烷醇的生物合成起始于苯丙氨酸，許多類黃酮生物合成途徑相關基因均參與黃烷醇的合成過程，其中包括兩種關鍵酶，即無色花青素還原酶（Leucoanthocyanidin reductase，LAR）和花青素還原酶（Anthocyanidin reductase，ANR）［69］，這兩種酶可分別將無色花青素和花青素脫氫還原生成黃烷醇。

黃烷醇具有抗氧化活性，可能參與植物對逆境脅迫的響應過程。例如，干旱處理［70］和紫外線C［71］照射后，葡萄（Vitis vinifera）果實中LAR酶活性增強并促進黃烷醇積累，用于清除自由基和維持植株正常生長。

黃烷醇作為常見的植物次生代謝物，具有抗氧化、抗癌、抑菌、抗病毒、保護心臟和神經等功能［72］。例如，黃烷-3-醇能夠清除自由基、螯合過渡金屬和抑制酶活性，從而在機體中發揮抗氧化活性作用［73］；表兒茶素-3-O-沒食子酸酯和茶黃素在較低濃度下能夠抑制新冠病毒COVID-19中的重要酶，是COVID-19病毒感染的潛在治療劑［74］；原花青素對人體沒有毒性，其一些小分子和結腸微生物代謝物能夠被機體吸收，起到抗氧化、抗癌、保護心血管和調節代謝功能等［75］；兒茶素能夠有效預防肺癌、乳腺癌、食道癌、胃癌、肝癌和前列腺癌等多種疾病［76］。

1.8 原花青素

原花青素也稱為縮合單寧，由兩個以上黃烷醇濃縮聚合而成，包括黃烷醇二聚體、低聚物和高聚物，其中構成原花青素的單體主要是兒茶素和表兒茶素。原花青素往往存在于植物種子、果皮、花和樹皮等組織部位［77］。其抗氧化活性與水溶性、聚合時間以及化學結構等密切相關，棕色的原花青素通常屬于高度聚合物且可能被氧化［78］，而聚合度較低的原花青素往往具有較強的抗氧化活性［79］。植物中的原花青素可產生澀味、苦味、酸味或甜味等，其中多以澀味為主。與其他類黃酮組分相比，原花青素的生物合成、轉運和調控作用相對復雜，相關研究進展相對緩慢，目前被鑒定的植物原花青素已超過40種［80］。

原花青素參與植物對生物或非生物脅迫的響應與防御過程，可有效保護植物免受病原菌和害蟲的侵害［77］。例如，在強光、強紫外線等環境脅迫下，植物原花青素可通過高效的活性氧自由基清除能力提高植株對非生物脅迫的耐受性［81-82］。在抵御生物脅迫過程中，植物原花青素具有螯合金屬離子的能力，從而抑制病原菌中鐵、銅、鋅等金屬離子依賴型的生物酶的活性，有效抵御病原菌的侵害或控制病原菌的繁殖［83-84］；在一些昆蟲體內，植物原花青素能與消化蛋白結合并導致消化系統病變［85］。此外，植物落葉和根系中的原花青素能夠與土壤中已死亡的生物質形成復合體，調節地下根際微生物代謝，促進土壤中碳封存［86-87］。

植物原花青素通過減輕活性氧脅迫，下調一氧化氮合酶和上調環氧化酶活性，降低炎癥反應，從而在心血管病、糖尿病、哮喘病、精神病、肥胖癥和癌癥等方面具有明顯的治療功能［77］。例如，桃（Prunus persica）原花青素可以提高DNA損傷凋亡反應調節因子的表達從而減輕氧化損傷［77］；葡萄（V. vinifera）籽提取的原花青素能夠降低細胞中的活性氧水平，從而減輕痛風疼痛和抑制腳踝腫脹［88］；植物原花青素還能通過抑制β淀粉樣蛋白聚集，減少β淀粉樣蛋白的合成、淀粉樣斑塊和小膠質增生，以及防止大腦中的β淀粉樣蛋白神經毒性，通過神經保護作用治療阿爾茨海默病［89］。植物低聚原花青素可以調節有機體細胞周期和DNA復制相關基因轉錄，抑制直腸癌細胞類器官的形成，被認為是一種有效的抗癌藥物［90］。

2 植物類黃酮的生物合成

植物類黃酮的生物合成起始于苯丙烷生物合成途徑（見封面），這一過程中，L-苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine ammonia-lyase，PAL）的作用下脫氨形成肉桂酸，隨后被肉桂酸4-羥化酶（Cinnamate 4-hydroxylase，C4H）催化轉化為香豆酸，再被4-香豆酰輔酶A連接酶（4-Coumaroyl-CoA，4CL）催化形成p-香豆酰輔酶A。

植物類黃酮的生物合成受多種關鍵酶共同參與調控（見表1）。首先，p-香豆酰輔酶A被CHS催化形成柚皮素查爾酮，再通過CHI催化分子內環化形成柚皮素。柚皮素是許多類黃酮組分生物合成的前體物質，其合成途徑主要有3類：其一，IFS催化柚皮素合成異黃酮；其二，FNSⅠ或FNSⅡ催化柚皮素合成黃酮；其三，F3H催化柚皮素C-3位置定向羥化形成二氫黃酮醇類的二氫山奈酚。隨后，二氫山奈酚側邊C6環的C-3可被F3'H進一步羥化形成二氫槲皮素，C-3和C-5可被F3'5'H同時羥化后形成二氫楊梅素，而二氫槲皮素也可被F3'5'H催化形成二氫楊梅素。以二氫黃酮醇為前體物質，一方面由FLS催化其最終生成黃酮醇，一方面由二氫黃酮醇還原酶（Dihydroflavonol reductase，DFR）催化形成無色花青素。無色花青素可被LDOX或ANS氧化形成有色的花青素，也會被LAR還原為黃烷醇。此外，花青素也會被ANR還原為黃烷醇。最終，黃烷醇通過聚合、轉運等過程形成原花青素。

3 調控植物類黃酮生物合成的轉錄因子

3.1 MYB轉錄因子

MYB（V-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）是植物中數量最龐大的轉錄因子超家族之一，其N端具有典型的MYB保守結構域，根據其結構域特征及相鄰重復序列（R1、R2和R3）的數量，主要分為4種類型：1R（R1/2，R3-MYB）、2R（R2R3-MYB）、3R（R1R2R3-MYB）和4R（含有4個R1/R2-like結構域），其中R2R3-MYB類成員是植物中最為典型且數量最多的MYB轉錄因子［91］。

1987年，Paz-Ares等首次從玉米（Zea mays）中分離獲得與植物花青素合成相關的MYB轉錄因子（ZmC1）［92］，隨后，大量研究表明MYB轉錄因子可作為轉錄抑制因子或轉錄激活因子，通過介導類黃酮生物合成廣泛調控植物生長發育和脅迫響應過程。例如，擬南芥（A. thaliana）MYB4可抑制苯丙氨酸生物合成相關基因ADT6的表達，調控細胞內類黃酮的生物合成過程［93］；水仙（Narcissus tazetta）NtMYB3會抑制FLS基因啟動子活性，從而阻礙黃酮醇的生物合成和促進原花青素積累［94］；菊花（Chrysanthemum morifolium）CmMYB8過表達后明顯抑制CHS、CHI、F3H、F3'H和DFR等基因的表達，導致蘆丁、異鼠李素、槲皮素和山奈酚等組分的含量顯著下調［95］；茶樹（Camellia sinensis）CsMYB2和CsMYB26分別調控F3'H和LAR基因的表達，而這兩個MYB轉錄因子在不同品種中的差異表達是造成表沒食子酸兒茶素含量差異的主要原因［96］；銀杏（Ginkgo biloba）GbMYBF2的表達與葉片中類黃酮的含量積累呈負相關性，其在細胞中過表達后抑制F3H、CHS、FLS和ANS等基因的表達并顯著下調槲皮素、山奈酚和花青素的含量［97］。

除了作為轉錄抑制因子，MYB也常常作為轉錄激活因子正向調控植物類黃酮的生物合成。例如，苜蓿（Medicago sativa）MsMYB741可與PAL或CHI基因的啟動子順式作用元件結合，激活基因表達并促進植株根部類黃酮的積累，從而增強植株對鋁脅迫的耐受性［98］；酥梨（Pyrus pyrifolia×Pyrus communis）PpMYB17能夠結合FLS、CHS、CHI和F3H等功能基因的啟動子并激活基因轉錄，提高愈傷組織中黃酮醇、黃烷醇、黃酮、異黃酮和花青素的含量［99］；鴨梨（P. bretschneideri）PbMYB10b通過誘導DFR的表達調節花青素和原花青素代謝通路，而PbMYB9可結合PbUFGT1的啟動子最終誘導花青素和黃酮醇合成［100］；金銀花（Lonicera japonica）生長發育過程中，LjaMYB12的轉錄水平與黃酮含量呈正比，其在植株中過表達后明顯上調類黃酮生物合成途徑下游基因FLS、DFR和ANS的表達并提高轉基因植株中總黃酮的含量［101］；大豆（G. max）GmMYB12B2在胚胎中的表達水平與異黃酮的積累呈正比，其過表達后上調CHS和FLS的表達而下調DFR的表達，最終提高轉基因植株中的總黃酮和柚皮素含量［102］；玫瑰（Rosa rugosa）RrMYB5能夠激活CHS、F3H、F3'H、FLS、LAR和ANR 的表達從而降低花青素含量并促進原花青素積累，而RrMYB10通過激活CHS、F3H、FLS和ANR表達上調細胞中花青素和原花青素的含量［103］。可見，MYB轉錄因子通過抑制或激活類黃酮生物合成途徑的相關基因的表達，在植物類黃酮生物合成過程中發揮多樣化的生物學功能。

3.2 bHLH轉錄因子

bHLH轉錄因子含有典型的高度保守的bHLH結構域，其基本結構由50～60個氨基酸組成，含有2個保守功能區域，N端由10～15個氨基酸組成堿性氨基酸區，C端由40個氨基酸組成螺旋-環-螺旋區（HLH區）［104-105］。HLH區能夠調控bHLH蛋白互作形成同型或異型二聚體，而堿性氨基酸區能與DNA順式作用元件結合并調控靶基因表達［106］。

bHLH是植物中數量僅次于MYB的轉錄因子超家族。1989年，Chandler等首次從在玉米（Z. mays）鑒定到調控類黃酮生物合成的bHLH轉錄因子成員［107］，隨后bHLH在植物類黃酮生物合成過程中的生物學功能也逐漸被揭示。例如，鈍鱗紫背苔（Plagiochasma appendiculatum）PabHLH1過表達后激活CHI、CHS、FLS、DFR和F3'H基因的表達并促進黃酮醇和花青素合成［108］；荷花（Nelumbo nucifera）NnTT8過表達后顯著提高花青素合成相關基因的轉錄并促進花青素積累［109］；洋蔥（Allium cepa）AcB2能夠與AcMYB1互作并增強后者的轉錄調控活性，提高ANS和F3H基因的表達并誘導花青素合成［110］；鐵皮石斛（Dendrobium candidum）DcTT8通過與F3'H和UFGT基因啟動子結合，定向調控花青素的積累［111］；燈盞花（Erigeron breviscapus）EbbHLH80轉化煙草（N. tabacum）后，煙草的總黃酮含量顯著上調并導致98種類黃酮組分呈現差異性富集，同時CHS、CHI、F3H、FLS、ANS和DFR等基因顯著上調表達［112］；金魚草（Antirrhinum majus）AmDEL基因能夠促進轉基因植株中CHS、F3H、DFR和FLS的表達，提高類黃酮的積累從而使植物具備更強的耐鹽性和抗旱性［113］。此外，bHLH對植物類黃酮生物合成的促進作用在水仙（N. tazetta）［114］、刺葡萄（V. davidii）［115］和苜蓿（M. truncatula）［116］等植物中也已被大量證實。

除了促進作用，部分bHLH成員也作為轉錄抑制因子負調控植物類黃酮的生物合成。例如，臘梅（Chimonanthus praecox）CpbHLH1明顯抑制類黃酮生物合成的下游基因DFR和ANS的表達，導致轉基因植株中的花青素的含量顯著降低［117］。葡萄（V. vinifera）VvibHLH93能夠結合VviLAR1啟動子中的E/G-box元件并抑制該基因的表達從而抑制葡萄愈傷組織中原花青素的積累，該基因在愈傷組織中過表達后導致LAR1和LAR2下調表達而CHI、DFR、ANS、UFGT和ANR2上調表達，并最終下調細胞中的原花青素的含量［118］。可見，bHLH在植物類黃酮生物合成過程中同樣存在功能多樣性。

3.3 WD40轉錄因子

WD40是一類由44～60個氨基酸組成保守基序的轉錄因子，其以距N-末端11～24個殘基的GH為起始，C-末端的WD為結尾。與MYB和bHLH不同，植物WD40轉錄因子本身不能直接特異性識別和結合功能基因的啟動子順式元件，而主要通過與其他蛋白互作并增強后者的轉錄調控能力或修飾組蛋白，從而行使轉錄調控功能。

1997年，De Vetten等從矮牽牛（Petunia hybrida）中鑒定了首個植物WD40轉錄因子（PhAN11）［119］。隨后，WD40在植物類黃酮合成和代謝過程中的功能逐步被揭示。例如，水稻（Oryza sativa）OsTTG1基因編輯后形成的突變體中，植株、葉柄、柱頭、種皮、花序、莖稈和根的表型發生改變，花青素的含量顯著降低［120］；蘿卜（Raphanus sativus）RsTGG1能與RsMYB1以及RsTT8互作，從而激活CHS和DFR轉錄并促進花青素積累，成為蘿卜色素形成的重要調節因子［121］；番茄（Solanum lycopersicum）SlAN11過表達后導致DFR上調表達和FLS下調表達，從而減少植株中黃酮醇及其衍生物的含量并提高花青素的含量［122］。這些結果表明，WD40也會影響植物類黃酮的生物合成過程。

3.4 MBW 復合體

與MYB和bHLH轉錄因子相比，WD40單獨調控植物類黃酮生物合成的相關研究報道較少，然而大量研究表明植物中這三類轉錄因子可以通過蛋白互作形成MBW復合體，從而參與類黃酮的生物合成過程。例如，無花果（Ficus carica）FcTTG1、MYB114、MYB123和bHLH42蛋白互作形成MBW復合體，潛在調控花青素生物合成［123］；草莓（Fragaria × ananassa）FaMYB9/FaMYB11、FabHLH3和FaTTG1分別對應調控擬南芥原花青素的MBW復合體的組成成員（AtTT2、AtTT8和AtTTG1），通過激活植株中ANS基因的啟動子活性參與原花青素合成過程［124］，而草莓FaMYB5/FaMYB10-FaEGL3 （bHLH）-FaLWD1/FaLWD1-like （WD40）構成的MBW復合體直接參與類黃酮的生物合成，其中FaMYB5和FaMYB10構成的復合體分別通過調控LAR和ANR基因介導的分支途徑從而促進原花青素積累，FaMYB5-FaEGL3-FaLWD1-like能夠定向激活F3'H和LAR基因表達并促進類黃酮合成［125］；茶樹（C. sinensis）CsWD40與bHLH（CsGL3/CsTT8）和MYB（CsAN2/CsMYB5e）蛋白互作形成MBW復合體從而調控花青素和原花青素的積累［126］；水稻（O. sativa）MBW成員間的級聯調控中，S1 （bHLH）作為主基因激活C1 （MYB）的表達，然后C1激活WA1 （WD40）的表達，通過基因間的協作有效地激活了CHS、CHI、F3H、F3'H和ANS的表達，從而調控植株中花青素的含量［127］；獼猴桃（Actinidia chinensis）AcMYBF110能夠特異性激活CHS、F3'H、ANS、UFGT3a、UFGT6b和GST1基因的表達，然而，與單獨過表達AcMYBF110相比，AcbHLH1/AcbHLH4/AcbHLH5與AcMYBF110共表達可誘導細胞積累更多的花青素，而AcWDR1同時表達后進一步增強了這種激活功能［128］。可見，植物中MYB、bHLH和WD40對類黃酮生物合成的調控作用可能存在多種形式，或單獨結合功能基因啟動子，或通過編碼蛋白互作形成MBW復合體，從而發揮調控功能。

3.5 其他轉錄因子

除MYB、bHLH和WD40互作形成的MBW復合體，參與植物類黃酮生物合成調控的轉錄因子還包括HD-ZIP（Homeodomain-leucine zipper）、NAC［NAM（No apical meristem）、ATAF1/2（Arabidopsis transcription activator factor 1/2）、CUC2（Cup-shaped cotyledon）］和鋅指蛋白（Zinc-finger）等。

HD-ZIP由HD和亮氨酸鏈組成，根據其序列保守性和功能特征，可分為HD-ZIP I、HD-ZIP II、HD-ZIP III和HD-ZIP IV四個亞家族。研究表明，煙草（N. tabacum）NtHDG2能夠顯著誘導MYB12和F3'H的表達，促進黃酮醇積累，而采用RNAi干擾NtHDG2后的植株黃酮醇含量急劇降低［129］。

蘋果（M. domestica）MdHB1過表達會降低細胞中花青素含量，而沉默表達后導致花青素的積累，MdHB1通過調控MBW復合體（MdMYB10-MdbHLH3-MdTTG1）間接抑制DFR和UFGT的轉錄，從而調控蘋果果色［130］。

NAC由一段高度保守的約150個氨基酸組成的N端結構域和一個C端高度可變的轉錄調控區組成，N端結構域包含A-E共5個亞結構域形成NAC潛在的功能多樣性區域，C端轉錄調控區是NAC與靶基因相互作用的主要功能區域。研究發現，蘋果（M. domestica）MdNAC52能夠同時調節MYB9、MYB11和LAR基因的啟動子活性，在愈傷組織中過表達MdNAC52后促進細胞中花青素的積累［131］。荔枝（Litchi chinensis）LcNAC13負調控CHS1/2、CHI、F3H、F3'H和DFR基因的表達，在果實成熟過程中LcNAC13與LcMYB1通過拮抗作用參與花青素調控網絡［132］。

鋅指蛋白是以Zn2+為結合中心，通過與特定氨基酸鏈螯合并折疊形成“手指”構型的一類蛋白質，根據其形成的空間構象的不同可產生多樣性的生物學功能。研究發現，擬南芥（A. thaliana）的鋅指蛋白ZAT6可結合TT3、TT5、TT7、TT18、MYB12和MYB111基因的啟動子并激活這些基因的表達，最終提高植株花青素和黃酮含量［133］。

4 總結與展望

類黃酮是植物中重要的次生代謝產物之一，在植物中具有廣泛生物學功能。類黃酮作為天然色素，使植物形成多種艷麗色彩，吸引媒介昆蟲傳粉，提高物種繁殖效率，維持種群穩定。在植物生長發育過程中，類黃酮參與根系生長和花發育，并與植物激素存在廣泛交互作用。在植物響應非生物脅迫過程中，類黃酮通過高效的活性氧自由基清除能力提高植株的抗氧化能力，增強植物在高溫、干旱、低溫、鹽堿、強光、紫外線、重金屬等脅迫下的耐受能力。此外，在植物生物脅迫響應過程中，類黃酮能夠有效抵御害蟲入侵和病原菌感染，同時能夠與土壤或環境中的微生物互作。類黃酮對植物生長發育和物種種群維持具有重要作用。目前，植物類黃酮的廣泛和深入研究主要集中在黃酮、異黃酮、黃酮醇、花青素和原花青素等幾個大類，查爾酮、黃烷酮和黃烷醇等組分的相關研究仍非常有限，在后續研究中仍然需要加大這些組分的結構鑒定、活性研究和功能開發。此外，許多植物類黃酮存在結構多元性、物種分布多態性和功能多樣性，不同種類類黃酮組分的藥理活性和調控機制差異，以及組分間的協同調控作用，也有待進一步深入研究。

植物類黃酮同時具有廣泛的藥理活性，是許多可食用植物和藥用植物的營養和功效的重要活性成分，例如蘋果、獼猴桃、橄欖、大豆、茶樹等。植物類黃酮的藥理活性主要包括降血壓、降血脂、降血糖、抗氧化、抗病毒、抗腫瘤、抗炎癥、提高機體免疫、抑制微生物、保護神經系統和保護心臟等。目前，植物類黃酮的藥理活性研究仍主要集中在大類組分，發揮藥理作用的具體成分鑒定及其作用機理的相關研究仍非常有限。此外，許多富含類黃酮的植物同時是藥食同源食品，其中的類黃酮組分往往同時影響藥用功效和食用品質，深入挖掘其中的關鍵質量標志物，理清其對品質的影響，平衡功效與品質間的關系，意義重大。

長期以來，植物類黃酮生物合成途徑及其調控網絡的研究一直是熱點，參與這一過程調控的許多結構基因已經被成功挖掘，例如CHS、CHI、FNS、IFS、F3H、FLS、DFR、F3'H、F3'5'H、ANS、LDOX、LAR和ANR等，以及調控這些結構基因的轉錄因子或調控復合體，主要有MYB、bHLH、WD40以及MBW復合體等，這些轉錄因子或調控復合體通過結合生物酶編碼結構基因啟動子并激活或抑制基因轉錄從而調控類黃酮的生物合成和積累。值得注意的是，在一些物種中，HD-ZIP、NAC和鋅指蛋白等轉錄因子也被證明潛在調控類黃酮的生物合成過程，然而其作用機制尚不明確。隨著現代生物技術的不斷發展，許多作物的遺傳背景越來越明確，基因功能鑒定手段越來越成熟，在此基礎上，精準鑒定和挖掘調控特定種類功效類黃酮組分的轉錄因子或結構基因，完善植物類黃酮生物合成調控網絡，有助于解析類黃酮在植物抗逆、功效和品質形成過程中的作用，為作物定向育種提供理論基礎。

基因組學的發展為植物類黃酮的生物合成調控研究提供了遺傳數據基礎，代謝組學的興起為植物類黃酮組分的鑒定提供了技術支撐，基因工程和生物反應器的應用為特定種類植物類黃酮的大規模產業化定向生產提供了可能。合成生物學作為“DNA雙螺旋結構”和“基因組技術”之后發展起來的第三次生物科技革命，通過構建細胞工廠將可再生原料轉化為重要的食品組分［134］，今后合成生物學也將在植物類黃酮生物合成中得到廣泛應用。

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（責任編輯：黃雄峰）

DOI：10.20023/j.cnki.2095-5774.2024.02.001

收稿日期：2024-01-11

基金項目：國家自然科學基金面上項目（31572088）；農業農村部物種品種資源保護（熱帶作物）項目（18230171）；福建省自然

科學基金面上項目（2023J01196）；福建省屬公益類科研院所基本科研專項（2022R1028005、2021R1028003）

作者簡介：*為通訊作者，賴鐘雄（1966-），男，研究員，博士，博士生導師，主要從事園藝植物生物技術研究，E-mail：laizx01@163.com。賴瑞聯（1990-），男，助理研究員，在讀博士，主要從事果樹生物技術與遺傳育種研究，E-mail：lairl0618@163.com