薔薇科果樹花色苷的研究進(jìn)展

邢　昱 肖坤 蘇凱 張晨光 劉春生 李剛 李曉潁

摘 要：花色苷是一種存在于植物組織和器官中，賦予它們豐富色彩并具有多種生物活性的色素，在食品、醫(yī)療及保健品行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。果實(shí)中的花色苷是影響果實(shí)品質(zhì)形成的重要因素。本研究通過綜合國(guó)內(nèi)外薔薇科果樹花色苷的研究進(jìn)展，闡述了花色苷的生物合成途徑、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及影響花色苷生物合成的因素，使人們更深入地了解花色苷在果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育過程中的代謝方式與途徑，同時(shí)對(duì)今后高效利用花色苷提供了前瞻性的建議。

關(guān)鍵詞：薔薇科果樹；花色苷；果實(shí)

中圖分類號(hào)：S661.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.19440/j.cnki.1006-9402.2024.01.001

薔薇科果樹往往具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如蘋果亞科中的蘋果、梨、山楂，李亞科的桃、李、杏、櫻桃，還有薔薇亞科的草莓、樹莓等果樹。薔薇科果實(shí)大多色彩艷麗，花色苷含量豐富。花色苷（Anthocyanin）是廣泛存在于植物的果實(shí)、花、葉、莖、根等組織液泡中的一種水溶性植物色素，也是果實(shí)品質(zhì)重要的組成成分之一[1-2]。花色苷在不同酸堿度或金屬離子作用下可呈現(xiàn)紅色、藍(lán)色等顏色，因而可賦予植物組織和器官五彩繽紛的色彩[3]。花色苷主要影響高等植物根、葉、莖、花和果等器官，研究表明大多薔薇科果樹不同組織均有花色苷物質(zhì)的存在。在蘋果[4]果皮中，桃[5]、李[6]和櫻桃[7]果肉中，顏色的形成都與花色苷的存在密切相關(guān)。

花色苷的抗氧化和自由基清除的生物活性可以預(yù)防多種疾病，對(duì)維持眼睛健康、調(diào)節(jié)代謝等方面均可發(fā)揮一定作用[8]。目前花色苷已成為育種研究和果實(shí)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。開展果實(shí)花色苷的研究不僅有助于理解花色苷合成與代謝途徑，還對(duì)選育新品種時(shí)高效利用花色苷，提高果實(shí)品質(zhì)具有重要的意義。

1 花色苷的生物合成與轉(zhuǎn)錄調(diào)控

1．1 花色苷的結(jié)構(gòu) 花色苷由花色素和糖經(jīng)糖苷鍵縮合而成[9]。花色苷的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本碳骨架為C6-C3-C6[10]，兩個(gè)芳香環(huán)A和B由一個(gè)含氧六元雜環(huán)C隔開，是2-苯基苯并吡喃陽離子的多羥基和多甲氧基衍生物[11]。花色苷結(jié)構(gòu)上的差異決定了其生物學(xué)性狀和功能的多樣性[12]。

6種花色苷取代基位置及顏色見表1，植物中花色苷主要以矢車菊素（Cyanidin）、天竺葵素（Pelargonidin）、飛燕草素（Delphenidin）、芍藥素（Peonidin）、錦葵色素（Malvidin）、矮牽牛素（Petunidin）這六種形態(tài)存在[4]。六種色素在A環(huán)和C環(huán)上具有相同的結(jié)構(gòu)，但B環(huán)上有不同數(shù)量的羥基和甲氧基[13]。矢車菊素是自然界中最常見的花色苷，在B環(huán)的C3和C4處有兩個(gè)羥基[14]，在果實(shí)中表現(xiàn)橙色或紅色。天竺葵素是主要的花色苷組成成分之一，在B環(huán)的C4位發(fā)生羥基化，主要表現(xiàn)為紅色或洋紅色。飛燕草素在B環(huán)的C3、C4和C5有三個(gè)羥基，并表現(xiàn)為紫色或藍(lán)色。芍藥素是通過C3位置的單一甲基化產(chǎn)生的，錦葵色素則由C3和C5位置的雙氧甲基化而來。矮牽牛素是由飛燕草素在C3上再進(jìn)行一次甲基化而來的[15]。

花色苷的共軛結(jié)構(gòu)使其在紫外光區(qū)和可見光區(qū)都有顯著吸收，吸收波長(zhǎng)范圍在494～510 nm。花色苷的吸光度受到羥基或甲氧基在B環(huán)上的取代影響，B環(huán)上的羥基取代越多，花色苷在可見光范圍內(nèi)的最大吸收就越大。B環(huán)上鄰位和對(duì)位羥基的存在也會(huì)促進(jìn)更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光吸收和紅移[16]。因此，花色苷使植物器官呈現(xiàn)出眾多的色彩，也在果實(shí)上表現(xiàn)出顏色特有的特征。

1．2 花色苷的生物合成途徑 花色苷生物合成途徑是類黃酮類生物合成途徑的分支之一[17]。花色苷合成是由苯丙氨酸通過苯丙烷代謝途徑合成香豆酰輔酶A，然后參與類黃酮的合成，接著與丙二酰輔酶A反應(yīng)生成查爾酮，并在內(nèi)環(huán)生成二氫黃酮醇后分配到不同的途徑，最后分別合成各類型花色苷，其中涉及到多種酶的配合[18]。圖2是花色苷的生物合成途徑[19]。

PAL：苯丙氨酸解氨酶；C4H：肉桂酸4-羥化酶；4CL：4-香豆酸輔酶Ａ連接酶；CHS：查爾酮合酶；CHI：查爾酮異構(gòu)酶；F3H：黃烷酮？-羥化酶；F3′5′Ｈ：類黃酮？′5′羥化酶；F3′Ｈ：類黃酮？′羥化酶；DFR：二氫黃酮醇4-還原酶；ANS：花色苷合酶；UFGT：黃酮-3-葡糖基轉(zhuǎn)移酶；GST：谷胱肽Ｓ轉(zhuǎn)移酶；MATE：多藥毒性排除轉(zhuǎn)運(yùn)體；ABC：ATP結(jié)合盒。

在第一階段以苯丙氨酸和乙酸作為黃酮類物質(zhì)的直接合成前體，在苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羥化酶（CH4）、4-香豆酸輔酶Ａ連接酶（4CL）和乙酸-CoA羧化酶的催化作用下合成4-香豆酰CoA和丙二酰CoA這兩個(gè)底物[20]。上述兩個(gè)底物在第二階段進(jìn)行反應(yīng)，首先是在查爾酮合酶（CHS）的催化下發(fā)生縮合反應(yīng)，從而合成四羥基查爾酮，緊接著在查爾酮異構(gòu)酶（CHI）催化作用下生成類黃酮的直接前體物質(zhì)，即柚皮素，隨后在黃烷酮3-羥化酶（F3H）催化作用下，生成羥基化產(chǎn)物二氫黃酮醇。在類黃酮3'5'羥化酶（F3'5'Ｈ）、類黃酮5'羥化酶（F5'Ｈ）的催化下二氫黃酮醇會(huì)發(fā)生不同程度的羥基化反應(yīng)，分別合成二氫楊梅黃酮和二氫櫟皮酮。在第三階段中利用二氫黃酮醇4-還原酶（DFR）的選擇性催化特性將上述3種二氫黃酮醇還原為無色且不穩(wěn)定的花色素，再利用花色苷合酶（ANS）脫水氧化生成有色不穩(wěn)定的飛燕草素、天竺葵素和矢車菊素這三類花色素[21]。最終通過類黃酮-3-葡糖基轉(zhuǎn)移酶（UFGT）將葡萄糖轉(zhuǎn)移到花色素分子的羥基上生成糖苷鍵，在對(duì)應(yīng)的糖基轉(zhuǎn)移酶作用下形成花色苷[20]。三類花色苷通過甲基化、酰基化等修飾生成藍(lán)紫色的錦葵素、磚紅色的花葵素和紫紅色的芍藥素。花色苷在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成后通過囊泡與谷胱甘肽Ｓ-轉(zhuǎn)移酶（GST）、多藥毒性排除轉(zhuǎn)運(yùn)體（MATE）、ATP-結(jié)合盒（ABC）等轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸?shù)揭号葜斜４鎇22]。

1．3 花色苷的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 有研究表明，MYB轉(zhuǎn)錄因子可以影響花色苷的合成。MdMYB10基因通過誘導(dǎo)下游基因DFR的表達(dá)進(jìn)而正調(diào)控果實(shí)中花青素的合成，推測(cè)MYB10是薔薇科植物果實(shí)呈色的關(guān)鍵調(diào)控因子[23]。比如梨（Pyrus pyrifolia）中分離出2個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子（PbMYB9和PbMYB10b）并進(jìn)行功能驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其參與花色苷合成[24]。草莓中發(fā)現(xiàn)MYB10基因能促進(jìn)花色苷含量的積累，并起到正向調(diào)控的作用[25]。

在MYB轉(zhuǎn)錄因子中，除了MYB相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子外，還有一段會(huì)影響花色苷合成的保守DNA結(jié)合區(qū)域（MYB結(jié)構(gòu)域）。其中有一個(gè)被稱為R3-MYB的MYB結(jié)構(gòu)域，R3-MYB一方面通過抑制MBW（MYB-BHLH-WD40復(fù)合體）調(diào)控花色苷結(jié)構(gòu)基因來阻礙其合成[26]，另一方面，對(duì)花色苷生成有直接的抑制作用。R3-MYB在秋姬李中會(huì)抑制正調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子PSMYB10.1和PSBHLH3對(duì)合成花色苷基因PSDFR和PSANS的促進(jìn)作用，從而阻礙其合成[27]。但是在桃、蘋果中發(fā)現(xiàn)R2R3-MYB可以直接與MdGSTF6的啟動(dòng)子結(jié)合促進(jìn)花色苷合成[28-29]。

相關(guān)研究表明參與花和種皮色素沉著的遺傳位點(diǎn)中，有一個(gè)基因座編碼bHLH轉(zhuǎn)錄因子[30]，該基因位點(diǎn)對(duì)花色苷生物合成的調(diào)控作用也十分顯著。近幾年的研究中，植物中的BHLH33轉(zhuǎn)錄因子常與MYB互作，調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)以影響花色苷合成。例如，蘋果中的MDBHLH33可與轉(zhuǎn)錄抑制基因MDMYB16互作形成異源二聚體，從而減弱MDMYB16對(duì)花色苷的抑制作用來保證其正常合成[31]。在桃中，MYB10.1和BHLH3轉(zhuǎn)錄因子對(duì)合成花色苷也有促進(jìn)作用[32-33]。

2 花色苷生物合成的影響因素

花色苷由于本身非常不穩(wěn)定，容易受到溫度、光照等外部環(huán)境因素的影響[34]。研究表明，溫度可以通過影響花色苷合成相關(guān)酶的活性間接影響花色苷的合成[35]。在高溫環(huán)境下，相關(guān)酶的活性下降導(dǎo)致花色苷的合成受到抑制，同時(shí)花色苷的穩(wěn)定性遭到破壞，導(dǎo)致花色苷含量大幅下降[36]。

花色苷的合成中光照也具有重要影響，光質(zhì)、光照強(qiáng)度和照射時(shí)間均會(huì)影響花色苷的生物合成[37]。研究發(fā)現(xiàn)，蘋果果實(shí)在強(qiáng)光照條件下，花色苷合成相關(guān)基因的表達(dá)水平和遮光果實(shí)相比顯著上升，其中MdMYB1基因的表達(dá)量增加了20～25倍[38]。此外，在草莓果實(shí)中，花色苷合成相關(guān)基因的表達(dá)量與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，強(qiáng)光照條件下果實(shí)中花色苷含量顯著增加[39]。另外的研究指出，紅光和綠光對(duì)桃果皮的顏色并無明顯影響，白光有微弱促進(jìn)作用，而藍(lán)光能顯著促進(jìn)桃果皮顏色的提升[40]。

花色苷的合成除了受外部影響以外，還受內(nèi)部因素的影響。比如糖就是一個(gè)影響花色苷合成和色澤的重要因素。田夢(mèng)瑤等[41]采用了200 mmol/L蔗糖處理采收后的桃果實(shí)，發(fā)現(xiàn)這種處理能夠促進(jìn)果皮中花色苷含量的積累，不僅能調(diào)節(jié)相關(guān)酶的活性，還促進(jìn)花色苷相關(guān)基因的上調(diào)表達(dá)。另一方面，賈海峰等[42]研究發(fā)現(xiàn)用蔗糖處理成熟期草莓也能提高果實(shí)中的可溶性糖和花色苷含量。

3 展望

一些國(guó)家已將花色苷類色素開發(fā)成為功能性食品和藥品，在化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。不僅如此，花色苷在食品方面的作用也不容忽視。花色苷含量不僅影響果實(shí)顏色的變化，還與果實(shí)的內(nèi)在品質(zhì)密切相關(guān)。因此，了解花色苷對(duì)果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育的影響，研究果實(shí)中花色苷的含量和分布，不僅能夠?yàn)楣麑?shí)的生產(chǎn)和雜交育種提供理論依據(jù)，對(duì)提高果實(shí)的利用率、產(chǎn)量和品質(zhì)也具有重要意義。

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